Jörg Wollmann

Struktur-Wirkungsbeziehungen neuartiger käfigdimerer 1,4-Dihydropyridine als HIV-1 Proteaseinhibitoren

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt der Naturwissenschaftlichen Fakultät I der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 30.01.2008

Abstract
Die gegenwärtigen peptidischen HIV-1 Proteaseinhibitoren (PI) weisen eine unbefriedigende orale Bioverfügbarkeit auf, die zu hohen Dosierungen führt, verbunden mit zahlreichen Nebenwirkungen. Des Weiteren führten Resistenzentwicklungen zu Kreuz-Resistenzen gegen fast alle peptidischen PI. Erste Entwicklungen nicht-peptidischer PI enttäuschten mit unzureichenden Bioverfügbarkeiten sowohl bei den cyclischen Harnstoffen als auch bei den 4-Hydroxy-2-pyronen. Käfigdimere 1,4-Dihydropyridine wurden perspektivisch als dritte Klasse der nicht-peptidischen PI eingeführt mit vielversprechenden Bioverfügbarkeiten.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden neuartige käfigdimere 1,4-Dihydropyridine als nicht-peptidische HIV-1 Proteaseinhibitoren synthetisiert. Für die Darstellung der Käfigdimere wurden Synthesestrategien entwickelt. Die Dimerisierungseigenschaften wurden sowohl in der Festkörperphase als auch in Lösung untersucht. Die beobachtete Photostabilität der Hydroxyphenyl-Derivate in der Festkörperphase resultierte aus einer für eine Dimerisierung ungünstigen Kristallpackung.
Bisher wurden nur unsubstituierte Arylfunktionen, die an das käfigdimere Grundgerüst gebunden sind, favorisiert für eine Wechselwirkung zu den hydrophoben Bindungsregionen S1/S1' und S2/S2' des aktiven Zentrums der HIV-1 Protease (PR). Um die Wechselwirkungen der aromatischen Reste mit den Bindungsregionen der PR charakterisieren zu können, wurden unterschiedliche Substituenten in die aromatischen Reste eingeführt. Sie sollten die Bindungsaffinitäten zu den Aminosäuren Asp29/Asp29' und Asp30/Asp30' in den Übergangsregionen S2/S2' zu S3/S3' der PR erhöhen. Eine Reihe funktionalisierter Arylsubstituenten mit potentiellen Wasserstoffdonator- und -akzeptorfunktionen wie Methoxy-, Hydroxy-, Benzyloxy- und Pyridylfunktionen wird präsentiert. Diese verbessern die Bindungsmöglichkeiten zu den Aminosäuren in den Bindungsregionen des Enzyms. In Bezug auf die biologischen Aktivitäten wurden für die Donatorfunktionen eine starke Regiospezifität gefunden, während die Akzeptorfunktionen sich überwiegend als ungünstig erwiesen. Die potenteste Verbindung weist eine Inhibitorkonstante im nanomolaren Bereich auf. Aus den Testungsergebnissen wurden Struktur-Wirkungsbeziehungen abgeleitet.

Present peptidic HIV-1 protease inhibitors (PI) are characterized by poor oral bioavailabilities and consequently high oral doses which cause severe side effects. Furthermore Resistance development moved on to cross-resistances against almost all peptidic PIs. Early developments of non-peptidic PIs disappointed with unsatisfying bioavailabilities of the first and second generations of cyclic ureas and 4-hydroxy-2-pyrones. Cage dimeric 1,4-dihydropyridines turned out as a perspective third class of non-peptidic PIs with promising bioavailabilities.
During the work on this thesis a series of novel cage dimeric 1,4-dihydropyridines as non-peptidic PIs was prepared. Synthetic strategies to the cage dimers have been developed. Dimerization properties have been evaluated in the solid state and in solution. Photostability of the hydroxyphenyl derivatives in the solid state resulted from unfavourable crystal packing restraints.
So far just unsubstituted aryl functionalities bound to the cage dimeric scaffold could have been favoured for binding to hydrophobic binding regions S1/S1' and S2/S2' of the active cage cavity of HIV-1 protease (PR). In order to characterize binding properties of the aromatic residues to binding regions of PR several substituents have been introduced to the aromatic residues for specific binding to amino acids Asp29/Asp29'and Asp30/Asp30' of the transition regions S2/S2' to S3/S3' of PR. It is presented a series of functionalized aryl substituents with potential hydrogen donor as well as acceptor functions like methoxy, hydroxy, benzyloxy and pyridyl functions for additional binding possibilities to amino acids within the binding regions of the enzyme. Strong regiospecifity has been found for donor functions while acceptor functions turned out as unfavourable with respect to biological activities. With a range of activity of two decimal power presently best compound reaches affinity constants within nanomolar ranges. Structure activity relations are discussed.

Keywords:
1,4-Dihydropyridin, Käfigdimer, HIV-1 Proteaseinhibitor, Synthese, Struktur-Wirkungsbeziehungen

1,4-dihydropyridine, cage dimer, HIV-1 protease inhibitor, synthesis, structure activity relations

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Inhaltsverzeichnis, Abkürzungsverzeichnis, Abbildungsverzeichnis, Tabellenverzeichnis (I-XIII)
1 Einleitung (1-14)
2 Zielstellung der Arbeit (15-17)
3 Synthese der HIV-1 Proteaseinhibitoren (18-46)
4 Untersuchungen zum Versagen der Festkörper- Dimerisierung (der Hydroxy substituierten monomeren Derivate) (47-61)
5 Biochemische Testung ausgewählter Verbindungen (62-77)
6 Zusammenfassung und Ausblick (78-81)
7 Experimenteller Teil (82-118)
8 Literaturverzeichnis (119-125)
Liste der Veröffentlichungen, Vorträge und Poster