Σύνθεση, αποτίμηση και μελέτη της σχέσης χημικής δομής βιολογικής δραστικότητας στο καρδιαγγειακό σύστημα, νέων τετραϋδροϊνδολικών παραγώγων

• Κύριος συγγραφέας: Σπυριδωνίδου, Κατερίνα
• Άλλοι συγγραφείς: Νικολαρόπουλος, Σωτήριος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2010
• Θέματα: sGC αναστολείς; ODQ ανάλογα; sGC inhibitors; cGMP; ODQ analogues; 615.35

Οι σύγχρονες στρατηγικές στην ανακάλυψη νέων βιοδραστικών ενώσεων στοχεύουν, κατά κύριο λόγο, σε καλά χαρακτηρισμένους μοριακούς στόχους με σκοπό την επαγωγή ή την αναστολή συγκεκριμένων βιολογικών δράσεων και τον περιορισμό ανεπιθύμητων παρενεργειών. Έναν ανάλογο μοριακό στόχο αποτελεί η διαλυτή γουανυλική κυκλάση (sGC), η οποία βρίσκεται στο επίκεντρο του ερευνητικού ενδιαφέροντος την τελευταία δεκαετία. Παρόλο που ανακαλύφθηκε περίπου πριν από τέσσερις δεκαετίες ως μέλος της οικογένειας των κυκλασών, η έρευνα που ακολούθησε την ανακάλυψή της δεν χαρακτηρίστηκε από την ίδια πρόοδο που χαρακτήρισε έναν άλλο εκπρόσωπο της ίδιας οικογένειας, την αδενυλική κυκλάση. Μερικοί από τους λόγους της περιορισμένης μελέτης της sGC συνοψίζονται στην χαμηλή ενδοκυτταρική της συγκέντρωση, που συνεπάγεται δυσκολίες στην απομόνωση, στον καθαρισμό και το χειρισμό της, και στην έλλειψη ενός αποτελεσματικού συστήματος έκφρασής της. Επιπρόσθετα, μόνο μετά την ανακάλυψη του μονοξειδίου του αζώτου (ΝΟ), την αναγνώρισή του ως σηματοδοτικό μόριο καθώς και την ταυτοποίησή του ως τον EDRF στα τέλη της δεκαετίας του ’80, πραγματοποιήθηκε ουσιαστική πρόοδος στον τομέα των βιολογικών δράσεων της sGC. Ο καθαρισμός του ετεροδιμερούς ενζύμου και η ανακάλυψη ενός μορίου αίμης ανά διμερές έθεσε τη βάση για την αποσαφήνιση του μηχανισμού ενεργοποίησης της sGC από το ΝΟ και την ακόλουθη κατάλυση της μετατροπής του GTP σε κυκλικό GMP, αν και ο ακριβής μηχανισμός παραμένει μέχρι σήμερα άγνωστος. Η ταυτοποίηση, επομένως, του σηματοδοτικού μονοπατιού NO/sGC/cGMP αποτέλεσε τη βάση για την ανακάλυψη ότι φάρμακα όπως τα οργανικά νιτρώδη, που χρησιμοποιούνται στη θεραπεία της στηθάγχης για περισσότερο από έναν αιώνα, δρουν στην ουσία ως δότες μονοξειδίου του αζώτου μέσω βιομετατροπής τους και ασκούν τη δράση τους μέσω ενεργοποίησης της sGC και παραγωγής, ακολούθως, του δεύτερου αγγελιοφόρου cGMP. Tα παραπάνω δεδομένα οδήγησαν στον προσδιορισμό του ΝΟ ως σημαντικού σηματοδοτικού μορίου στη φυσιολογία καταρχήν του καρδιαγγειακού συστήματος. Η πρόοδος που ακολούθησε τη μελέτη του sGC-cGMP μονοπατιού αποκάλυψε την ευρεία παρουσία του ενζύμου σχεδόν σε όλα τα κύτταρα των θηλαστικών και την εμπλοκή του σε ουσιαστικές φυσιολογικές λειτουργίες, όπως την καρδιακή ομοιόσταση, τη χάλαση αγγειακών και μη λείων μυικών ινών, την αναστολή της συσσώρευσης/συγκόλλησης αιμοπεταλίων, την περιφερειακή και κεντρική νευροδιαβίβαση, την ανοσολογική απόκριση, τη μεταγωγή του οπτικού ερεθίσματος, ενώ παρουσιάζει και ρυθμιστική δράση στο γαστρεντερικό και ουρογεννητικό σύστημα. Ταυτόχρονα, απορρύθμιση του σηματοδοτικού μονοπατιού έχει διαπιστωθεί να εμπλέκεται στην φυσιολογία και την εξέλιξη συγκεκριμένων παθολογικών καταστάσεων όπως αρτηριακή και πνευμονική υπέρταση, καρδιακή ανεπάρκεια, αρτηριοσκλήρυνση και θρόμβωση, διαβήτης, νεφρική ίνωση και ανεπάρκεια, φλεγμονώδεις και νευροεκφυλιστικές παθήσεις, γαστρεντερικές διαταραχές, σήψη και καρκίνος, όπου εντοπίζεται είτε να υπερλειτουργεί είτε να υπολειτουργεί. Εξαιτίας της σπουδαιότητας και της σοβαρότητας των καρδιαγγειακών παθήσεων, όπου το σηματοδοτικό μονοπάτι υπολειτουργεί, το μεγαλύτερο κομμάτι της έρευνας που ακολούθησε σχετικά με την ανακάλυψη νέων βιοδραστικών ενώσεων εστίασε κυρίως στην ανάπτυξη αγωνιστών της sGC, παρέχοντας όχι μόνο ΝΟ-δότες με βελτιωμένες ιδιότητες αλλά, επιπρόσθετα, δύο νέες κατηγορίες ΝΟ-ανεξάρτητων ενεργοποιητών που περιλαμβάνουν διακριτές δομικά ενώσεις. Η πρόοδος, ωστόσο, στην αναστολή του ενζύμου κρίνεται εμφανώς υποδεέστερη, παρόλη την προφανή σπουδαιότητα ανάλογων ενώσεων στη διερεύνηση των cGMP-εξαρτώμενων βιολογικών δράσεων. Μεταξύ διάφορων ενώσεων, όπως οργανικών φωσφορικών ενώσεων, νουκλεοτιδικών αναλόγων, πορφυρινικών παραγώγων και άλλων, ο περισσότερο ισχυρός και εκλεκτικός αναστολέας που έχει αναφερθεί μέχρι σήμερα είναι το ODQ, το οποίο θεωρείται ότι δρα μέσω οξείδωσης του σιδήρου της αίμης με αποτέλεσμα την απώλεια της ικανότητας ενεργοποίησης του ενζύμου από το ΝΟ. Το μειονέκτημα του ODQ, ωστόσο, να δρα in vivo και σε άλλες αιμοπρωτεΐνες περιορίζει την εφαρμογή του και καθιστά επιτακτική την ανάγκη ανακάλυψης νέων εκλεκτικών αναστολέων. Σε αυτά τα πλαίσια, στόχο της παρούσας μελέτης αποτελεί ο σχεδιασμός, η σύνθεση και η βιολογική αποτίμηση νέων πιθανών αναστολέων της sGC. Με βάση τη χημική δομή του ODQ, ως την ένωση-οδηγό, σχεδιάστηκαν νέα τρικυκλικά ανάλογα του βασικού σκελετού του ινδολίου και του διϋδροϊνδολίου. Η επιλογή του ινδολικού δακτυλίου έναντι του κινοξαλινικού σκελετού του ODQ πραγματοποιήθηκε με στόχο να διερευνηθεί κατά πόσο ο νέος σκελετός θα έχει επίδραση στη διατήρηση ή/και την ενίσχυση της ανασταλτικής δράσης έναντι της sGC. Επιπρόσθετα, η επιλογή του διϋδροϊνδολικού σκελετού αποσκοπούσε στη διερεύνηση της επίδρασης που μπορεί να έχουν μη επίπεδες ενώσεις έναντι του επίπεδου ODQ. Ταυτόχρονα, σχεδιάστηκε μία σειρά ετεροκυκλικών δακτυλίων προσδεδεμένων στους βασικούς σκελετούς, διαφορετικών από το δακτύλιο οξαδιαζολόνης του ODQ, ώστε να εξετασθούν πιθανές διαφορές της τελικής δράσης σε συνάρτηση με δομικές διαφορές των τρίτων δακτυλίων. Ακολούθως, πραγματοποιήθηκε διερεύνηση της συνθετικής μεθοδολογίας για την παραλαβή τόσο των τελικών προϊόντων όσο και σημαντικών ενδιάμεσων ενώσεων ως συνθετικών ενδιαμέσων για τη μελλοντική σύνθεση τροποποιημένων παραγώγων. Η σύνθεση των τελικών διϋδροϊνδολικών αναλόγων πραγματοποιήθηκε με κυκλοποίηση μέσω επίδρασης υδροξυλαμίνης ή διάφορων υδραζινών σε α-υδροξυμεθυλεν-κετο- ενδιάμεσα παράγωγα, τα οποία παραλήφθηκαν από τα αντίστοιχα 4-κετο-τετραϋδροϊνδολικά παράγωγα με την επίδραση μυρμηκικού αιθυλεστέρα. Τα αντίστοιχα ινδολικά τρικυκλικά προϊόντα συντέθηκαν από τα διϋδροϊνδολικά υπό συνθήκες αφυδρογόνωσης με επίδραση DDQ. Εξαιτίας των πειραματικών συνθηκών που εφαρμόζονται για την παραλαβή των συνθετικών ενδιαμέσων, κρίθηκε απαραίτητη για την εξέλιξη του συνθετικού σχήματος η προστασία, προηγουμένως, του πυρρολικού αζώτου με την κατάλληλη ομάδα. Με στόχο τη διερεύνηση της επίδρασης που μπορεί να έχει στην τελική βιολογική δράση η παρουσία ελεύθερου –ΝΗ στον πυρρολικό δακτύλιο, κρίθηκε σκόπιμη η αποπροστασία των τελικών προϊόντων. Παρόλο που εξετάσθηκε ποικιλία προστατευτικών ομάδων και συνθηκών αποπροστασίας, τα διϋδροϊνδολικά τρικυκλικά προϊόντα αποδείχτηκαν ασταθή. Κατέστη εφικτό να απομακρυνθεί μόνο μία προστατευτική ομάδα, η SEM ομάδα, και μόνο από τα πλήρως αρωματοποιημένα ινδολικά προϊόντα, τα οποία απδείχτηκαν σταθερότερα. Σύμφωνα με την παραπάνω μεθοδολογία συντέθηκαν 24 τελικά προϊόντα, από τα οποία 14 είναι διϋδροϊνδολικά παράγωγα και 10 ινδολικά, ενώ από τα τελευταία τα τρία φέρουν ελεύθερο πυρρολικό –ΝΗ. Εκτός από τα τελικά προϊόντα κατέστη εφικτό να συντεθούν και σημαντικά συνθετικά ενδιάμεσα. Τα α-μεθοξυ και α-αιθοξυκαρβονυλο- 4- ή 7-οξοτετραϋδροϊνδολικά παράγωγα παραλήφθηκαν με εφαρμογή διαφορετικής πειραματικής μεθοδολογίας και συντέθηκαν, επιπρόσθετα, τα α-υδροξυμεθυλεν-4-οξο-τετραϋδροϊνδολικά παράγωγα. Τα προαναφερθέντα συνθετικά ενδιάμεσα δύνανται να οδηγήσουν σύμφωνα με διαφορετικά συνθετικά σχήματα σε νέα τρικυκλικά ανάλογα. Επιπλέον, διερευνήθηκαν οι πειραματικές συνθήκες κάθε σταδίου της μεθοδολογίας με σκοπό τη βελτιστοποίηση των τελικών αποδόσεων. Μερικά από τα τελικά τρικυκλικά ανάλογα, τα οποία δεν έφεραν υποκατάσταση στις θέσεις 2- και 3- του πυρρολικού δακτυλίου, προωθήθηκαν σε in vitro βιολογικές μελέτες. Εξετάστηκαν, καταρχήν, όσον αφορά την ικανότητά τους να αναστέλουν την επαγόμενη από νιτροπρωσσικό νάτριο δραστηριότητα της sGC σε δύο διαφορετικές συγκεντρώσεις, 1 μΜ και 100 μΜ. Όλες οι υπό μελέτη ενώσεις αποδείχτηκαν αναστολείς του ενζύμου και παρουσίασαν ισχυρότερη δράση, με μία εξαίρεση, στην υψηλότερη συγκέντρωση. Οι ενώσεις 74 και 81 αποδείχτηκαν οι ισχυρότεροι αναστολείς με δοσοεξαρτώμενη δράση. Η ένωση 81 εξετάστηκε στη συνέχεια όσον αφορά στην εκλεκτικότητά της για την sGC σε μία μελέτη που περιελάμβανε επαγόμενη από τον ANF παραγωγή cGMP. Από την τελευταία μελέτη αποδείχτηκε ότι η παραπάνω ένωση δεν αναστέλει τις pGCs, υποδεικνύοντας ότι πιθανότατα η νέα σειρά ενώσεων δεν επιδρά στα άλλα μέλη της οικογένειας των κυκλασών, τις pGCs και τις ACs, και παρέχοντας μια ένδειξη για πιθανό μηχανισμό δράσης παρόμοιο με αυτό του ODQ. Η τελευταία υπόθεση ενισχύεται και από το γεγονός ότι οι υπό μελέτη ενώσεις δεν μεταβάλλουν τη βασική δραστηριότητα της sGC. Τα αποτελέσματα των πρωταρχικών βιολογικών μελετών επαληθεύουν τον κύριο στόχο της παρούσας μελέτης που ήταν η σύνθεση νέων αναστολέων της sGC. Η επιλογή του ινδολικού δακτυλίου, ως τον βασικό σκελετό των νέων ενώσεων, επιβεβαιώνει την υπόθεση του αρχικού σχεδιασμού, παρέχοντας αναστολείς με νέα δομικά χαρακτηριστικά. Πρώιμες μελέτες δομής-δράσης επισημαίνουν τη βελτιωμένη δράση που παρουσιάζουν τα επίπεδα ινδολικά προϊόντα έναντι των μη επίπεδων διϋδροϊνδολικών, αν και δεν είναι ακόμη δυνατό να εξαχθούν ασφαλή συμπεράσματα σχετικά με την επίδραση της δομής του τρίτου ετεροκυκλικού δακτυλίου. Περαιτέρω βιολογική αποτίμηση των υπόλοιπων προϊόντων της μελέτης καθώς και σύνθεση νέων τροποποιημένων αναλόγων θα εξυπηρετήσει την εξαγωγή λεπτομερέστερων συμπερασμάτων από μελέτες χημικής δομής-βιολογικής δραστικότητας και, πιθανότατα, την ανακάλυψη νέας ένωσης-οδηγού στο πεδίο της αναστολής της sGC. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την παρούσα μελέτη όσον αφορά στη χημική σύνθεση ενδιαμέσων και τελικών προϊόντων αλλά και στη βιολογική αποτίμηση επιλεγμένων τελικών ενώσεων μπορούν να αποδειχτούν χρήσιμο εργαλείο για το μελλοντικό σχεδιασμό, εφαρμογή και σύνθεση νέων ενώσεων με τα απαραίτητα χαρακτηριστικά για αποτελεσματική αναστολή της sGC. Ανάλογες ενώσεις είναι δυνατό να αποδειχτούν όχι μόνο χρήσιμα πειραματικά εργαλεία αλλά και βιοδραστικά μόρια με πιθανή κλινική εφαρμογή σε συγκεκριμένες παθολογικές καταστάσεις, όπου η sGC υπερλειτουργεί, όπως στη σήψη.