Synthesis and Properties N-Acylated Aziridin-2,3-dicarboxylates as selective, peptidomimetic Inhibitors of Cystein Proteases of Cathepsin-L-Subfamily

Die Cystein-Proteasen der Säuger und Parasiten wurden erst in den letzten zwei Jahrzehnten als pharmazeutisch/medizinisches Target erkannt. Die genauen Aufgaben der einzelnen Enzyme dieser sehr umfangreichen und ständig wachsenden Protease-Familie bleiben zwar teilweise noch unbekannt, es ist jedoch klar, dass ihre Aufgabe nicht nur der unspezifische Protein-Abbau ist. Das Ziel der vorliegenden Arbeit waren die Synthese einer Reihe peptidomimetischer Inhibitoren mit elektrophilem Aziridin-2,3-dicarbonsäure-Baustein und deren Testung an den Proteasen Cathepsin B (human), Cathepsin L (Paramecium tetraurelia), Falcipain-2 (Plasmodium falciparum) und Rhodesain (Trypanosoma brucei rhodesiense). Die Verbindungen sind als irreversible Inhibitoren der Proteasen konzipiert. Der Aziridin-Baustein als Elektrophil wird durch den Cystein-Rest des aktiven Zentrums der Proteasen angegriffen, es erfolgt eine nucleophile Ringöffnung und damit die irreversible Alkylierung der Proteasen. Die Aziridin-Bausteine wurden entweder stereoselektiv aus Tartraten oder als Racemate aus Fumaraten dargestellt. Durch NMR-spektroskopische Versuche wurde der Mechanismus der Epimerisierung der als Intermediate der stereoselektiven Synthese auftretenden Azidoalkohole aufgeklärt. Die N-Acylierung des Aziridin-Bausteins mit den Aminosäuren bzw. Dipeptiden erfolgte über Segmentkopplungen oder über eine schrittweise Anknüpfung der Aminosäuren. Es wurden dabei verschiedenste Methoden der Peptidchemie eingesetzt. Die Hemmkonstanten der synthetisierten Substanzen wurden in einem kontinuierlichen fluorimetrischen Mikrotiterplatten-Assay bei Inhibitor-Konzentrationen von 0.35 - 140 µM ermittelt. Als Substrat diente für alle Enzyme Z-Phe-Arg-AMC. Der Nachweis der Irreversibilität der Hemmung wurde durch Dialyse-Versuche und die Affinitätsmarkierung von Cathepsin L und Falcipain 2 mit Hilfe eines Biotin-markierten Inhibitors erbracht. Bei Inhibitoren, die eine zeitabhängige Hemmung aufweisen, wurden die Alkylierungskonstanten (ki –Werte) ermittelt. Diese sind im Vergleich zu den Konstanten der Epoxysuccinyl-Peptide ca. 1000x kleiner, was frühere Untersuchungen bestätigt. Aus den ermittelten Dissoziationskonstanten (Ki) ist die Selektivität für Cathepsin-L-ähnliche Proteasen eindeutig. Dabei wird die Reihenfolge RD > CL > FP >>> CB gefunden. Der beste Inhibitor für alle Enzyme ist die Substanz 116C (BOC-(S)-Leu-(S)-Azy-(S,S)-Azi(OBn)2), für die Hemmkonstanten im unteren micromolaren bzw. sogar nanomolaren Bereich gefunden werden. Unter den Substanzen finden sich auch einige, die für einzelne Enzyme selektiv sind. Für CL sind es die Verbindungen 517C, 105G, Z-023B, 023A; für CB 034A und 013B und für RD 112C, 222C, 105B, 013A. Dabei gibt es zwei Inhibitoren (105A, 517G), die selektiv nur die parasitären Enzyme FP und RD hemmen. Die Analyse der Struktur-Wirkungs-Beziehungen ergab, dass in Abhängigkeit von den Substituenten am Aziridinring (Benzylester, Ethylester, Disäure), von den Substituenten am Aziridin-Stickstoff (Phe-Ala, Leu-Xxx, Gly-Xxx, Xxx = cyclische Aminosäure) und der Stereochemie unterschiedliche Bindungsmodi vorliegen müssen. Erste Docking-Versuche, die in Kooperation mit der Arbeitsgruppe Baumann (Institut für Pharmazie und LMC, Universität Würzburg) durchgeführt wurden, bestätigen dies. Postuliert wird für Inhibitoren, die die Sequenz Leu-Pro enthalten, eine Bindung an die S`- Seite von Cathepsin L. Dies erklärt die Selektivität dieser Inhibitoren, denn innerhalb der S`-Substratbindungstaschen finden sich die größten strukturellen Unterschiede zwischen Cathepsin B und den Cathepsin-L-ähnlichen Proteasen. Im Gegensatz dazu wird für eines der Phe-Ala-Derivate eine Bindung an die S-Taschen postuliert, die zwischen den einzelnen Proteasen geringere strukturelle Unterschiede aufweisen. Dieser Inhibitor hemmt, wie fast alle Phe-Ala-Derivate, dementsprechend auch Cathepsin B besser als die Leu-Xxx-Derivate. In Rahmen einer Kooperation mit der Arbeitsgruppe Engels Institut für Organische Chemie, Universität Würzburg) wurden quantenchemische Rechnungen durchgeführt, die u.a. den Einfluss von Substituenten auf die Kinetik und Thermodynamik der nucleophilen Ringöffnung untersuchten. Vorhergesagt wurde, dass Substituenten am Aziridin-Stickstoff, die den Übergangzustand stabilisieren (N-Formyl), zu einer besseren Hemmung führen sollten. Das darauf hin synthetisierte N-Formylaziridin-2,3-dicarboxylat 008B weist eine etwa 5000x bessere Hemmung von CL auf als das nicht-formylierte Diethylaziridin-2,3-dicarboxylat. Die gezielt als "affinity label" entwickelte Biotin-markierte Verbindung 999C wurde zur Identifizierung von Cystein-Proteasen, die von Plasmodium falciparum exprimiert werden, eingesetzt (Kooperation mit der Arbeitsgruppe Gelhaus/Leippe, Institut für Zoologie, Universität Kiel).Mammalian and parasitic cysteine proteases have been discovered as potential drug targets within the last two decades. The physiological and pathophysiological functions of this huge and growing family of proteases are not yet known in detail. However, their role is no longer considered to be only unspecific protein degradation. The goal of the present work was the syntheses of a series of peptidomimetic cysteine protease inhibitors containing aziridine-2,3-dicarboxylate as electrophilic fragment, and the testing of the synthesized compounds on the cysteine proteases cathepsin B (human), cathepsin L (Paramecium tetraurelia), falcipain 2 (Plasmodium falciparum), and rhodesain (Trypanosoma brucei rhodesiense. The compounds are designed as irreversible protease inhibitors. The aziridine ring represents an electophilic building block which is attacked by the cysteine residue of the proteases` active sites. As a consequence, the nucleophilic ring opening reaction leads to irreversible enzyme alkylation. The aziridine building blocks were synthesized stereoselectively in a chiral pool synthesis starting from tartrates, and as racemates starting from fumarates, respectively. NMR spectroscopic studies were used to clarify the mechanism of epimerization occurring during the synthesis of the azido alcohols which are intermediates of the stereoselective synthetic route. The N-acylation of the aziridines with amino acids or dipeptides was carried out via segment or subsequent peptide coupling. Various methods of peptide chemistry were used. The inhibition constants were determined in fluorimetric microplate enzyme assays with inhibitor concentrations between 0.35-140 µM. In all cases, the substrate Z-Phe-Arg-AMC was used. The irreversibility of inhibition was proven by dialysis assays, and by affinity labelling of CL and falcipain using a biotinylated inhibitor. The alkylation rate constant ki was determined in cases where time-dependent inhibition could be observed. In comparison to epoxysuccinyl peptides the ki -values are lower by three orders of magnitude confirming previous investigations. The Ki values unambiguously show that the compounds exhibit a selectivity for the CL-like enzymes. The order of inhibition potency is RD > CL > FP >>> CB. The most potent inhibitor is 116C (BOC-(S)-Leu-(S)-Azy-(S,S)-Azi(OBn)2) with inhibition constants in the submicromolar and even nanomolar range. Some compounds exhibit selectivity for single enzymes: CL: 517C, 105G, Z-023B, 023A; CB: 034A, 013B; RD: 112C, 222C, 105B, 013A. Compounds 105A and 517G selectively inhibit the parasitic proteases FP and RD. The analysis of the structure-activity-relationship led to the assumption that different binding modes have to exist in dependence on the aziridine ring substituents (benzyl ester, ethyl ester, diacid), of the aziridine nitrogen substituents (Phe-Ala, Leu-Xxx, Gly-Xxx, Xxx = cyclic amino acid), and of the stereochemistry, respectively. First docking experiments, performed in cooperation with Dr. Baumann`s group (Institue of Pharmay and Food Chemistry, University of Wuerzburg), confirm this assumption. Inhibitors containing a Leu-Pro sequence are predicted to bind into the S`-subsites of CL. Since the most striking structural difference between CB and CL-like proteases is found within these S`-subsites the selectivity between the enzymes may be due to binding into these subsites. In contrast, for a Phe-Ala derivative the docking postulates binding into the S-subsites which do not differ much between the enzymes. As a consequence, CB is inhibited much better by Phe-Ala-derivatives than by Leu-Xxx-derivatives. In cooperation with Prof. Engels` group (Institute of Organic Chemistry, University of Wuerzburg) quantumchemical computations were performed analyzing the influence of substituents on the thermodynamics and kinetics of the nucleophilic ring opening. These calculations predicted that substituents stabilizing the transition state (N-formyl) should improve inhibition potency. In order to proof this predicition the compound 008B (N-formyl aziridine-2,3-dicarboxylate) was synthesized and tested. Indeed, the compound is about 5000x more potent on CL than the non-formylated diethyl aziridine-2,3-dicarboxylate. The principal mechanism of inhibition - the nucleophilic ring opening - was proven in a model reaction by means of NMR spectroscopy and mass spectrometry. The biotinylated compound 999C was designed as an affinity labelling inhibitor usable to label and to identify cysteine proteases expressed by Plasmodium falciparum (cooperation with the group of Dr. Gelhaus, Prof. Leippe, Institute of Zoology, University of Kiel)