Design and evaluation of novel anthracycline derivatives

Seit über vier Jahrzenten spielen Anthracycline eine führende Rolle bei der Behandlung solider und hämatologischer Malignome und bilden nach wie vor die Basis der meisten Chemotherapie-Schemata. Obwohl mittlerweile die dritte Generation an Anthracyclinen den Markt erreicht hat, sind die verfügbaren Substanzen, vor allem wegen ihrer dosislimitierenden Nebenwirkungen, stark verbesserungswürdig. Ziel dieser Dissertation war die Modifikation von therapeutisch relevanten Anthracyclinen im Hinblick auf ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich ihres hydrophilen-lipophilen Gleichgewichts (HLB). Gezielte Strukturmodifikationen wurden vorgenommen, um ihre pharmakokinetischen Eigenschaften zu modulieren und ihre therapeutische Wirksamkeit zu erhöhen. Polyethylenglykol (PEG) ist ein weit verbreitetes amphiphiles Polymer, welches dafür bekannt ist, die in vivo Wirksamkeit vorwiegend von biologischen Makromolekülen zu verbessern. In der vorliegenden Arbeit verwendeten wir das neue Konzept einer kurzen linearen Methoxy-Oligoethylenglycolkette (mOEG) als kovalenten Modifikator bei den beiden etablierten Anthracyclinen Daunorubicin und Doxorubicin. Kristallographische Daten zur Arzneistoff-Rezeptor-Interaktion verschiedener Anthracycline und die Tatsache, dass die Toleranz bezüglich Strukturmodifikationen im Zuckerteil relativ hoch ist, waren die Grundlage für ein strukturbasiertes Wirkstoffdesign, bei welchem die strukturellen Veränderungen ausschließlich an der 6'-Position des Zuckerteils vorgenommen wurden. Zu diesem Zweck wurde eine neue Totalsynthese für 6'-methoxy-oligoethylenglycol-daunosamin entwickelt. Ausgehend von kommerziell erhältlicher (2R,3R)-Weinsäure konnte in 13 Stufen 6'-methoxy-oligoethylenglycol-daunosamin mit angemessener Ausbeute synthetisiert werden. Anschließende Glycosylierung mit Daunorubicinon und Doxorubicinon, gefolgt von schrittweiser Abspaltung der Schutzgruppen, resultierte in den zwei neuen Anthracyclin-Derivaten Msoep218 und Msoep260 mit bemerkenswerten amphiphilen Eigenschaften. Zur Evaluierung der pharmakodynamischen Eigenschaften der neu synthetisierten Substanzen wurde als erster Schritt ihre Zytotoxizität gegenüber der humanen Brustkrebszelllinie MCF-7 getestet. Die mittels Zellproliferation- und Zytoxizitätstests erhobenen Daten zeigten, dass die modifizierten Anthracycline ihre Aktivität beibehielten. Obwohl eine geringere in vitro Aktivität als bei Doxorubicin gemessen wurde, waren Msoep218 und Msoep260 dennoch signifikant zytotoxisch, vergleichbar mit anderen therapeutisch eingesetzten Anthracyclinen. Im Vergleich zu Doxorubicin zeigten weitere Untersuchungen eine reduzierte Zellaufnahme, die für die geringere Zytotoxizität verantwortlich zu sein scheint. Eine experimentelle Studie mit Msoep218 zum Einfluss ABC-Transporter-vermittelter Resistenzen auf die Zytotoxizität zeigte, dass Msoep218 – so wie die Vergleichswirkstoffe – Substrat für ABC-Transporter vermittelten Efflux ist.For over four decades the anthracycline antibiotics have played a leading role in the treatment of solid and hematological malignancies and have formed the basis of most cancer treatment regimes. Although the third generation of anthracycline drugs is meanwhile under investigation and partially approved, substances available on the market have a great potential for improvements, mainly because of their dose limiting toxicities. The ambition of this thesis was the modification of therapeutically used anthracyclines in view of their physicochemical properties, in particular their hydrophilic-lipophilic balance (HLB). Targeted structural modifications were made to modulate their pharmacokinetic properties and to increase their therapeutic efficacy. Polyethylene glycol (PEG) is a widely used amphiphilic polymer known to improve the in vivo efficacy mostly of biological macromolecules. In the present work we used the new concept of a short linear methoxy oligoethylene glycol (mOEG) moiety as covalent modifier for the established anthracyclines daunorubicin and doxorubicin. Crystallographic data of the drug-receptor complex of different anthracyclines and the relatively high tolerance for structural modification in the sugar moiety were crucial for a target based design of novel anthracycline analogues, modified at the 6’-position of their pyranose sugars. For this purpose a new and versatile synthetic route to daunosamine bearing a 6’-methoxy-oligoethylene-glycol chain has been developed, starting from commercially available (2R,3R)-tartaric acid. In this total synthesis 6’-methoxy-oligoethylene-glycol-daunosamine could be obtained in 13 steps in appropriate yield. Subsequent glycosylation with daunorubicinone and doxorubicinone followed by gradual cleavage of the protecting groups resulted in the two novel anthracycline derivatives msoep218 and msoep260 which showed remarkable amphiphilic properties. To assess the pharmacodynamic performance of the newly synthesized anthracycline derivatives, first their cytotoxicities were tested against the human breast adenocarcinoma cell line MCF-7 by a non-radioactive cell proliferation and cytotoxicity assay. The results showed that the modified title compounds retained activity. Although having a lower in vitro activity against cancer cells (MCF-7) than doxorubicin, the compounds were still active at the therapeutically relevant low µM range of other anthracyclines. Investigation of cellular uptake behaviour of msoep218 showed a reduced cellular uptake compared to doxorubicin, which might explain the observed lower cytotoxicity. An experimental study on ABC-transporter mediated drug resistance to msoep218, comparing non-resistant epidermoid carcinoma-derived cell line KB-3-1 to its multidrug-resistant subline KBC-1, revealed that msoep218 is a substrate for ABC-transporter mediated drug efflux, such as the comparator drugs