Pharmacochemical approach for the treatment of chronic pathologies: Bioisosteric design, synthesis, in vitro and in silico studies

Aldose reductase enzyme (ALR2) of the polyol metabolic pathway, and especially its inhibition by aldose reductase inhibitors (ARIs), has been gaining attention over the last years from the pharmaceutical community, as it appears to be a promising pharmacotherapeutic target. Ιτ was first found to be implicated in the etiology of the long term diabetic complications. However, to date, emerging reports have suggested that it can be involved also in numerous chronic pathological processes that have become major threats to human health. Over the last decades, a number of promising ARIs have been developed but only Epalrestat has made it to the market in Japan. All the other compounds that have reached the stage of clinical trials on humans have been withdrawn due to their inadequate pharmacokinetic profile or side effects. Thus, it is becoming of great importance, novel chemotypes to be developed, lacking the poor pharmacokinetic profile or the side-effects of the various ARIs that have failed to the clinical trials. The present PhD thesis involves the pharmakochemical study of novel ARIs. The design was based on the concept of bioisosterism, a strategy used for molecular modifications on the lead compound. 2-(phenylsulfonamido)acetic acid was chosen as the lead compound and a series of non classical isosters to the acetic acid moiety were used for the latter’s replacement. Diverse functional groups are known for their isosteric relationships with the carboxylate group, such as 2,6-difluorophenol, methylsulfonylamine, tetrazole and cycloserine. The in vitro data revealed important bioisosterism in the case of the difluorophenol and a series of derivatives with various chemical modifications, such as introduction of 4-bromo-2-fluoro-methylobenzene moiety as a potent “privileged scaffold”, was developed. Important bioisosterism was shown also in the case of L-cycloserine but not D-cycloserine derivatives. All the synthesized compounds were tested in vitro for their ability to inhibit the enzymes ALR2 and ALR1. Furthermore their antioxidant potential was tested in two different in vitro systems: the homogeneous system of DPPH and the heterogeneous system of DOPC liposomes. The in silico studies involved 2D-QSAR and establishment of a neural network heuristic predictor model for ARIs. The experimental data derived from the in vitro studies of this thesis were used for the model’s predictive ability evaluation.Το 1o ένζυμο της οδού των πολυολών, η αναγωγάση της αλδόζης (ALR2), και ειδικά ο ανταγωνισμός από αναστολείς της αναγωγάσης της αλδόζης (ARIs) απασχολεί την φαρμακευτική κοινότητα τα τελευταία χρόνια και αποτελεί έναν πολλά υποσχόμενο φαρμακοθεραπευτικό στόχο. Η ALR2 αρχικά βρέθηκε να συνδέεται με την πρόκληση των χρόνιων επιπλοκών του σακχαρώδη διαβήτη ενώ μέχρι σήμερα πολλαπλές αναφορές αφορούν στην εμπλοκή της με πλήθος χρόνιων παθολογικών καταστάσεων που αποτελούν κυρίαρχα προβλήματα υγείας. Τις τελευταίες δεκαετίες, πλήθος ελπιδοφόρων ARIs έχουν αναπτυχθεί, μα μόνο η επαλρεστάτη είναι εμπορικά διαθέσιμη στην Ιαπωνία. Πολλοί ARIs που έχουν εισαχθεί σε κλινικές μελέτες έχουν αποσυρθεί εξαιτίας μη ικανοποιητικού κινητικού προφίλ ή παρενεργειών. Έτσι, αποτελεί αναγκαιότητα η ανάπτυξη νέων χημειοτύπων, που θα στερούνται τα προαναφερόμενα μειονεκτήματα. Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκε η φαρμακοχημική μελέτη νέων φαρμακομορίων ως πιθανών ARIs. Ο σχεδιασμός στηρίχθηκε στην λογική της αντικατάστασης λειτουργικών ομάδων της ένωσης οδηγού, του 2-(φαινυλοσουλφοναμιδο)οξικού οξέος, από ποικίλης χημικής δομής ομάδες που εμφανίζουν χαρακτηριστικά μη κλασσικής ισοστέρειας. Ως μη κλασσικές ισοστερείς ομάδες του καρβοξυλικού οξέος επιλέχτηκαν οι ακόλουθες: 2,6-διφθοροφαινόλη, τετραζόλιο, μεθυλοσουλφονυλαμίδιο και κυκλοσερίνη. Τα in vitro αποτελέσματα αναστολής της ALR2 ήταν ιδιαίτερα ενθαρρυντικά στην περίπτωση του παραγώγου της 2,6-διφθοροφαινόλης και αναπτύχθηκε σειρά ενώσεων, με ποικίλες χημικές τροποποιήσεις μεταξύ των οποίων και η ενσωμάτωση του 4-βρωμο-2-φθορο-μεθυλοβενζολίου ως μιας πιθανής προνομιούχας δομής “privileged scaffold”. Ιδιαίτερου ενδιαφέροντος ήταν και η ανάδειξη βιοϊσοστέρειας στην περίπτωση παραγώγων της L-κυκλοσερίνης αλλά όχι της D-κυκλοσερίνης. Για τις συνθέσεις εφαρμόστηκαν καθιερωμένες και νέες συνθετικές μέθοδοι. Οι τελικές ενώσεις εξετάστηκαν ως προς την in vitro ικανότητα αναστολής των ενζύμων ALR2 και ALR1. Επιπλέον, προσδιορίστηκε το αντιοξειδωτικό δυναμικό σε δυο in vitro πειραματικά πρότυπα: στο ομογενές σύστημα σάρωσης του DPPH και στο ετερογενές σύστημα λιπιδικής υπεροξείδωσης DOPC λιποσωμάτων. Η in silico μελέτη αφορά στην διεξαγωγή γενικών σχέσεων QSAR και στη δημιουργία ενός νευρωνικού δικτύου ως μοντέλο πρόβλεψης και μελέτης ARIs ποικίλης χημικής δομής. Η προβλεπτική ικανότητα του μοντέλου αξιολογήθηκε σε σχέση με τα πραγματικά in vitro δεδομένα που προέκυψαν για τους νέους ARIs της παρούσας διδακτορικής διατριβής