Design and synthesis of novel dual GSK3β/p38α MAPK inhibitors and their optimization towards GSK3β selectivity

Abstract

Fehlgeleitete Aktivität der Glykogensynthase-Kinase 3β (GSK3β) wurde in den letzten Jahren oft in Verbindung mit der Pathogenese von neurodegenerativen Erkrankungen wie Morbus Alzheimer (AD) gebracht. Auch an der Entstehung von weiteren schwerwiegenden Krankheiten wie Krebs, Diabetes mellitus, bipolaren Störungen, Schizophrenie und Osteoporose scheint die Kinase beteiligt zu sein. Ziel dieser Arbeit war das Design und die Synthese neuartiger GSK3β Inhibitoren mit möglichen positiven Effekten auf eine Reihe neurodegenerativer Erkrankungen. Des Weiteren wurde die Synthese dualer GSK3β/p38α Mitogen-aktivierte Protein Kinase (MAPK) Inhibitoren verfolgt. Die p38α MAPK ist an einer Reihe von proinflammatorischen Prozessen beteiligt und bietet sich daher als ein potentielles Target für die Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen an. Die Hemmung beider Kinasen verspricht synergistische, positive Effekte bei einer Reihe von neurodegenerativen Erkrankungen, insbesondere AD, da beide Kinasen tief in die zugrundeliegenden Mechanismen dieser Erkrankungen eingreifen. Das erste Projekt dieser Arbeit bestand aus der Optimierung einer von Tofacitinib abgeleiteten Leitstruktur, welche in einem Hochdurchsatz-Screening gegen GSK3β identifiziert wurde. Ausgehend von dieser Struktur wurde eine Reihe von flexibleren Derivaten synthetisiert, welche dann auf ihre biologische Aktivität getestet wurden. Aus dem gleichen Screening wurden duale GSK3β/p38α MAPK Pyridinylimidazol-basierte Hemmstoffe identifiziert und im Hinblick auf ihre inhibitorische Balance, metabolische Stabilität und ZNS-Gängigkeit optimiert. Der beste duale Inhibitor dieser Serie hemmte GSK3β und p38α MAPK im niedrigen nanomolaren Bereich mit einem GSK3β/p38α MAPK Verhältnis von 2,2. Außerdem war der Inhibitor metabolisch stabil nach Inkubation mit humanen Lebermikrosomen und zeigte eine moderate ZNS-Penetration im Mausmodell. Im finalen Projekt dieser Arbeit, wurden die erhaltenen dualen Inhibitoren weiter optimiert und die Selektivität wurde in Richtung GSK3β verschoben. Austausch am Imidazol-C2 und -C4 führte zu mehreren Inhibitoren im einstellig nanomolaren Bereich mit sehr guter Selektivität gegenüber p38α MAPK. Die Verbindungen zeigten wieder eine exzellente metabolische Stabilität und eine gute Kinomselektivität in einem Panel von 56 Kinasen. Die im Rahmen dieser Arbeit hergestellten Verbindungen ermöglichen es den Einfluss der beiden Kinasen auf neurodegenerative Erkrankungen wie AD weiter zu erforschen

Abberrant activity of glycogen synthase kinase 3β (GSK3β) has been implicated in the pathogenesis of neurodegenerative diseases like Alzheimer’s disease (AD). On top of that, the kinase has been linked to a plethora of other pathological conditions like cancer, diabetes, bipolar disorders, schizophrenia and osteoporosis. The main aim of this thesis was the design and synthesis of novel GSK3β inhibitors exerting a possible positive effect on a variety of neurodegenerative diseases. As a secondary objective, the synthesis of dual targeting GSK3β/p38α mitogen-activated protein kinase (MAPK) inhibitors was pursued. The p38α MAPK is involved in proinflammatory processes and has therefore also emerged as a potential target for the treatment of neurodegenerative diseases. Inhibition of both kinases may have synergistic beneficial effects on the progression of many neurodegenerative diseases due to the pivotal impact of the two enzymes on the underlying disease mechanism and neuroinflammation. The first project of this thesis consisted of the optimization of a Tofacitinib-derived high throughput screening hit against GSK3β. Starting from the hit scaffold, a variety of more flexible derivatives were synthesized and investigated for their ability to inhibit the target kinase. In a second approach, dual GSK3β/p38α MAPK inhibiting pyridinylimidazole-based screening hits were optimized towards their inhibitory balance, metabolic stability and CNS penetration. The best dual inhibitor of the series inhibited GSK3β and p38α MAPK in the low double digit nanomolar range with a GSK3β/p38α MAPK ratio of 2.2 and displayed metabolic stability in human liver microsomes as well as modest CNS penetration in a mouse model. In the final project of this thesis, the obtained dual inhibitors were further optimized with the aim to shift the selectivity completely towards GSK3β. Different substituents at the imidazole-C2 and -C4 positions led to several inhibitors in the low single digit nanomolar range with an exquisite selectivity over p38α MAPK. Moreover, the inhibitors showed an excellent metabolic stability in human liver microsomes and a good overall kinome-selectivity in a diverse panel of 56 kinases. The in the course of this doctoral thesis prepared compounds can be used for further studying the direct influence of the two kinases on neurodegenerative diseases like AD.