Design, synthesis, and biological evaluation of novel antiestrogens

Breast cancer is the most common form of cancer in women in the Western world and the second most fatal after lung cancer. Estrogens play a crucial role in normal breast development, but also contribute to mammary tumorigenesis. Estrogen signaling is mediated by intracellular estrogen receptors (ERα and ERβ), with ERα being a common target in breast cancer therapeutics. Two classes of competitive estrogen inhibitors have been investigated and proved to be useful for breast cancer treatment: full antiestrogens (FAE's) and selective estrogen receptor modulators (SERM's). A novel platform, FORECASTER, was developed in the Moitessier laboratory with the aim of integrating computational, medicinal and combinatorial chemistry. The successful validation of FORECASTER as a computer-aided drug design platform is described. In our quest for potent SERMs, this platform was used to build virtual combinatorial libraries and to filter and extract a highly diverse library from the NCI database. The virtual screening of a diverse library seeded with known active compounds followed by a search for analogs yielded a high enrichment factor. Moreover, the virtual screening of a designed virtual combinatorial library that included known actives resulted in a highly discriminative process. The laboratory of Dr. Sylvie Mader at University of Montreal showed that only FAE's induce a strong and fast SUMOylation of ERα in a variety of cell lines, strongly suggesting that SUMOylation is a general property related to full antiestrogenicity. A collaboration between the Gleason and Mader laboratories resulted in an SAR study of ERα ligands with different side chain lengths that revealed a specific side chain length of 15 to 19 atoms was necessary to differentiate SERM's from FAE's through the induction of SUMOylation. Histone deacetylase inhibitors (HDACi's) have emerged as a new and growing class of anticancer agents. Recent findings have shown that co-treatment of SERM's or FAE's with HDACi's can significantly decrease the growth of breast cancer cells. Inspired by the success of the vitamin D/HDACi hybrids developed within our group, and taking advantage of structural features of both kinds of molecules, we developed a new family of antiestrogen/HDACi hybrids. A first generation set of hybrids were designed by replacing the tertiary amide of FAE ICI-164,384 with three different zinc binding groups: hydroxamic acid, o-aminoanilide and N-butylhydroxamate. Both the hydroxamic acid and the o-aminoanilide hybrids displayed both antiestrogenic and HDAC inhibitory activities whereas N-butylhydroxamate hybrid displayed antiestrogenic activity but a poor HDAC inhibition profile. All hybrids inhibited MCF-7 cell proliferation and validated the proof of concept regarding the formation of this class of hybrids. However, none of the hybrids showed an improved profile compared to known antiestrogens or HDACi's. A second generation set of hybrids exploiting the same zinc binding groups with SERM- and FAE-like side chains were developed in an effort to balance the activity of our hybrids. Hydroxamic acids showed a consistent inhibition of HDAC's while displaying poor antiestrogenic activity in most cases. Ortho-amino anilides showed modest HDAC inhibition activity and only aliphatic-based o-amino-anilides behaved as antiestrogens. N-Butyl-hydroxamates showed a reduced potency to inhibit HDAC's compared to their hydroxamic acid counterparts but retained antiestrogenic behaviour. Overall, our second-generation hybrids did not show equal or improved HDAC inhibition and antiestrogenic activities relative to known antiestrogens and HDACi's.Le cancer du sein est la forme la plus courante de cancer chez les femmes en Occident et la deuxième plus mortelle après le cancer du poumon. Les œstrogènes jouent un rôle crucial dans le développement mammaire normal, mais aussi contribuent à la tumorigénèse mammaire. La signalisation des œstrogènes est permise grâce à des récepteurs d'œstrogènes (ERα et ERβ), avec ERα étant une cible courante dans la recherche thérapeutique du cancer du sein. Deux classes d'inhibiteurs compétitifs d'œstrogène ont été étudiées. Certains se sont révélés utiles pour le traitement du cancer du sein dont les anti-œstrogènes complets (FEA) et les modulateurs sélectifs des récepteurs d'œstrogènes (SERM). Une nouvelle plate-forme, FORECASTER, a été développée dans le laboratoire Moitessier dans le but d'intégrer la chimie computationnelle, médicinale et combinatoire. La validation réussie de FORECASTER comme plate-forme pour la conception assistée par ordinateur de médicaments est décrite. Dans notre quête pour la découverte de SERM puissants, cette plate-forme a été utilisée pour construire des bibliothèques combinatoires virtuelles et pour filtrer et extraire de la base de données NCI une bibliothèque de composés très diversifiée. Un facteur d'enrichissement élevé a été obtenu par le criblage virtuel d'une bibliothèque diversifiée et ensemencée avec des molécules actives connues suivi d'une recherche d'analogues.Le laboratoire du Dr Sylvie Mader à l'Université de Montréal a montré que seulement les FAE provoquent une SUMOylation forte et rapide des ERα dans une variété de lignées cellulaires, suggérant fortement que la SUMOylation est une propriété générale liée à antiestrogénicité complète. Une collaboration entre les laboratoires Gleason et Mader est à la base d'une étude de relations structure-activité de ligands ERα de différentes longueurs de chaînes latérales qui a révélé qu'une longueur de chaîne latérale spécifique de 15 à 19 atomes était nécessaire pour différencier les SERM des FAE à travers l'induction de la SUMOylation. Les inhibiteurs de l'histone déacétylase (HDACi) ont émergé comme une nouvelle et croissante classe d'agents anticancéreux. Des découvertes récentes ont montré que le co-traitement utilisant des SERM ou des FAE avec des HDACi peut réduire de façon significative la croissance des cellules cancéreuses du sein. Inspirés par le succès des hybrides vitamine D - HDACi développés au sein de notre groupe, et profitant des caractéristiques structurelles des deux types de molécules, nous avons développé une nouvelle famille d'hybrides antiestrogènes - HDACi. Un ensemble d'hybrides de première génération ont été conçus par remplacement de l'amide tertiaire des FAE ICI-164,384 avec trois différents groupes capables de se lier au zinc : le groupe acide hydroxamique, le groupe o-aminoanilide et le groupe N-butylhydroxamate. Les hybrides acide hydroxamique et o-aminoanilide ont montré à la fois des activités anti-œstrogénique et inhibitrices des HDAC, alors que l'hybride N-butylhydroxamate a affiché une activité anti-œstrogénique mais une piètre inhibition des HDAC. Tous les hybrides ont inhibé la prolifération des cellules MCF-7 et ont ainsi validé l'hypothèse en ce qui concerne la formation de cette classe d'hybrides. Un ensemble d'hybrides de deuxième génération exploitant les mêmes groupes se liant au zinc, mais avec des chaînes latérales ressemblant à celles des SERM et des FAE, ont été développé. Les acides hydroxamiques ont montré une inhibition importante de la HDAC tout en étant de mauvais anti-oestrogènes dans la plupart des cas. Les hybrides o-aminoanilide montré une modeste activité inhibitoire des HDAC et seulement les o-aminoanilides aliphatiques se sont comportés comme des anti-œstrogènes. Les hydrides N-butylhydroxamates ont montré une activité d'inhibition des HDAC réduite comparée à celle de leurs homologues d'acides hydroxamiques, mais ont conservé un comportement anti-œstrogénique