Substituted Pyridines for the Development of Novel Therapeutics - Antifungals and Antidiabetics

Abstract

In dieser Arbeit, die der Entdeckung neuer antifungischer und antidiabetischer Wirkstoffe gewidmet ist, wurde der Fokus auf Pyridinderivative gelegt. Die substituiertenPyridine und Pyrazolopyridine wurden als ein viel versprechendes „Scaffold“ in der Suche nach neuartiger Therapeutik gewählt. In demKapitel Pyridines as scaffolds for antifungals and antidiabetics wurde eine Übersicht über Pyridin-basierenden antifungischen Wirkstoffe und Antidiabetika erstellt. Um die Zielverbindungen darzustellen wurden kombinatorische Methoden der Lösungs- und Festphasensynthese verwendet. Effiziente Protokolle, unter Verwendung von Polymer immobilizierten 2-Oxo-4-aryl-but-3-ensäuren und 4-Oxo-4-aryl-but-2-ensäuren, wurden für die Synthese von Pyridine und Pyrazolopyridine evaluiert. Die weitere Umsetzung von harzgebundenen Intermediaten wurde untersucht und eine Vielzahl von substituierten Pyrimidinen und Dihydropyrimidinen wurde erstellt (Kapitel 4. 1. 1). Die Reaktionsbedingungen für die Festephasensynthese wurden auf die Darstellung von Pyridinen in Lösung übertragen und optimiert. Die Pyridine wurden weiter modifiziert um eine breite Variation von Derivativen zu erhalten. Es wurde die Reaktionsfähigkeit von 2-Aryl-pyridinen und 4-Aryl-pyridinen untersucht. Abhängig von der Position wurde eine Deaktivierung oder Aktivierung des Substituenten festgestellt (Kapitel 4. 1. 2). Basierend auf der Literatur für das Enzym DPP-4 wurde eine Reihe von potenziellen DPP-4-Inhibitoren (Aminomethyl-pyridine: 5-Aminomethyl-6-methyl-4-aryl-pyridine-2- carbonsäureamide, 6-aminomethyl-2-methyl-4-aryl-nicotinamide und 3-Aminomethyl-2-methyl-6-aryl-isonicotinamide) designed und synthetisiert. Mehrere Synthesewege unter Verwendung von 2-Aryl-pyridinen und 4-Aryl-pyridinen als Edukte wurden bewertet um Analoga zu erhalten. Alle Verbindungen wurden isoliert und durch HPLC-ESI-MS analysiert und vereinzelt ebenfalls durch NMR, IR Spektroskopie und FT-ICR-MS charakterisiert. Zur Bestätigung wurden zusätzlich 2D NMR-Experimente (COSY und HMBC NMR) verwendet. Die synthetisierte Wirkstoff-Kollektion wurde auf ihre antifungischen Eigenschaften in einem in Vitro-Test bewertet. Infolgedessen wurden zwei Hit-Strukturen, 6-(2,4-Dichloro-phenyl)-3-methyl-1h-pyrazolo[3,4-b]pyridin-4-carbonsäure (Candida albicans) und 4-(5-Chloro-thiophen-2-yl)-1,3-dimethyl-1h-pyrazolo[3,4-b]pyridin-6-carbonsäure (Candida glabrata), identifiziert. Die 6-(2,4-Dichloro-phenyl)-3-methyl-1H-pyrazolo[3,4-b]pyridine-4-carbonsäure wurde als eine Leitstruktur wegen ihren toxischen Wirkung auf die Wirtszelle zurückgestellt. Die Inhibitorwirkung von 4-(5-Chloro-thiophen-2-yl)-1,3-dimethyl-1H-pyrazolo[3,4-b]pyridin-6-carbonsäure auf Candida glabrata Zellen war allerdings zu schwach, um sie als eine Leitstruktur zu erwägen (Kapitel 4.1.3). Die Kollektion von Aminomethyl-pyridinen wurde auf ihre anti-DPP-4 Aktivität in einem In Vitro-Assay untersucht. Die Leitstruktur, 5-Aminomethyl-6-methyl-4-aryl-pyridin-2- carbonsäureamid wurde so gefunden, und Struktur-Aktivität-Relations (SAR) Studien führten zu einer aktiven Reihe von neuartigen DPP-4-Inhibitoren. In Vitro-Experimente bewiesen außerdem die ausgezeichnete Selektivität. Zum Beispiel wurde DPP-4 um das 6600-fache besser von 5-Aminomethyl-4-(2,4-dichloro-phenyl)-6-methyl-pyridin-2-carbonsäure cyanomethyl-amid gehemmt als DPP-8 (Kapitel 4. 2. 3). Diese Ergebnisse wurden beschrieben und patentiert. Diese Studie bestätigt das Potenzial der untersuchten „Scaffolds“. Da die biologische Aktivität von Pyridinen stark von der Ringsubstitution abhängt, sollten die in dieser Arbeit beschriebene Wirkstoffe weiter auf biologische Aktivitäten untersucht werden. Die Vortests der neuartigen DPP-4-Inhibitoren sind vielversprechend, jedoch sind zusätzliche biologische Experimente erforderlich um das pharmakologische Profil zu definieren und die Struktur weiter zu optimieren. Neben dem vom Glucosemetabolismus sind mehrere verschiedene biologische Funktionen von DPP-4 kürzlich bekannt. Die Entdeckungen ziehen eine große Aufmerksamkeit auf die DPP-4-Inhibitoren, weil solche Wirkstoffe für die Behandlung anderer Krankheiten nützlich sein könnten. Ist es deshalb wichtig weitere Studie der beschriebenen Verbindungen durch zu führen, um das therapeutisches Potenzial des DPP-4 Enzyms in Gänze zu erforschen.

In this work dedicated to the discovery of novel biologically active compounds, antifungals and antidiabetics, the focus was placed on the pyridine motif. The substituted pyridines and pyrazolopyridines were chosen as a promising scaffold in a search for novel therapeutics. The overview of the pyridine-based antifungals and antidiabetics was reported in the part Pyridines as scaffolds for antifungals and antidiabetics. Solution and solid phase combinatorial chemistry methods were used to approach target compounds. Efficient protocols were evaluated for the synthesis of pyridines and pyrazolopyridines applying solid supported 2-oxo-4-aryl-but-3-enoic acids and 4-oxo-4-aryl-but-2-enoic acids. In addition, the synthetic possibilities of the resin-bound intermediates were investigated and resulted in a collection of easily accessible pyrimidines and dihydropyrimidines (Chapter 4. 1. 1). The solid phase protocol was adapted to the solution phase. A series of pyridines was synthesized in gram scale as starting materials for the generation of sub-sets of compounds varying only on the pyridine ring substitution. Differences in the reactivity of 2-aryl pyridines and 4-aryl pyridines were observed and investigated. Depending on the ring substitution pattern, deactivation or activation of certain positions resulted in reactivity limitations, but on the other hand, gave a possibility of additional structural variations (Chapter 4. 1. 2). Based on the data available for the enzyme DPP-4 in the literature, a series of potential DPP-4 inhibitors (aminomethyl-pyridines: 5-aminomethyl-6-methyl-4-aryl-pyridine-2-carboxylic acid amides, 6-aminomethyl-2-methyl-4-aryl-nicotinamides and 3-aminomethyl-2-methyl-6-aryl-isonicotinamides) were designed and synthesized. Several synthetic pathways using 2-aryl pyridines and 4-aryl pyridines as starting materials were evaluated in order to obtain analogs. All compounds were isolated and analyzed by HPLC-ESI-MS. Representative products were characterized using NMR and IR spectroscopy and FT-ICR-MS. For structure confirmation additional 2-D NMR experiments were used (COSY and HMBC NMR). The synthesized compound collection was evaluated for its antifungal properties in an in vitro screening. As a result, two hit structures 6-(2,4-dichloro-phenyl)-3-methyl-1H-pyrazolo[3,4-b]pyridine-4-carboxylic acid (Candida albicans) and 4-(5-chloro-thiophen-2-yl)-1,3-dimethyl-1H-pyrazolo[3,4-b]pyridine-6-carboxylic acid (Candida glabrata) were identified. The compound 6-(2,4-dichloro-phenyl)-3-methyl-1H-pyrazolo[3,4-b]pyridine-4-carboxylic acid was disqualified as a lead structure due to its toxic effect on the host cells. Inhibitory effect of 4-(5-chloro-thiophen-2-yl)-1,3-dimethyl-1H-pyrazolo[3,4-b]pyridine-6-carboxylic acid on Candida glabrata cells was too weak to consider the compound as a lead structure (Chapter 4.1.3). The collection of aminomethyl-pyridines was investigated for its DPP-4 inhibitory activity in an in vitro assay. The lead structure of 5-aminomethyl-6-methyl-4-aryl-pyridine-2-carboxylic acid amides was found and structure activity relationship led to a potent series of the novel DPP-4 inhibitors. Furthermore, in vitro experiments proved excellent selectivity (up to 6600 fold for 5-aminomethyl-4-(2,4-dichloro-phenyl)-6-methyl-pyridine-2-carboxylic acid cyanomethyl-amide) of the inhibitors over closely related DPP-8 (Chapter 4. 2. 3). The results were described and patented. This study clearly confirms the potential of the investigated scaffolds. As the biological activity of substituted pyridines highly depends on its substitution pattern, the synthesized and described herein compounds should be extensively investigated for other pharmaceutical targets. Although preliminary biological data of the novel DPP-4 inhibitors are doubtlessly promising, the crucial point for their further development is the pharmacological profile of 5-aminomethyl-6-methyl-4-aryl-pyridine-2-carboxylic acid amides. Therefore additional biological experiments are required to further optimize the structure and to identify a clinical candidate. Apart from the glucose metabolism, a number of different biological functions of DPP-4 have been recognized recently. The discoveries attract a great attention to the DPP-4 inhibitors, as such compounds could be useful for the treatment of other metabolic, but also autoimmune and inflammatory diseases.74b It is therefore important to further study of the described series in order to fully explore therapeutic potential of the DPP-4 enzyme.