Η Εκλυτική ορμόνη της Ωχρινοτρόπου Ορμόνης των θηλαστικών (GnRH-I ή GnRH) είναι ένα δεκαπεπτίδιο το οποίο εκκρίνεται από τον υποθάλαμο κατά ώσεις. Η GnRH είναι δυνατό να δρα σαν ρυθμιστής διαφόρων συστημάτων τα οποία, για τη λειτουργία τους, απαιτούν την έκκριση της LH και της FSH. Πράγματι, η GnRH και τα ανάλογα της χρησιμοποιούνται εκτεταμένα για τη θεραπεία ενός μεγάλου αριθμού ασθενειών οι οποίες σχετίζονται με τις φυλετικές ορμόνες. Η χρόνια χορήγηση αναλόγων της GnRH προκαλεί απευαισθητοποίηση των υποδοχέων το οποίο οδηγεί στην παύση της έκκρισης γοναδοτροπινών και κατά συνέπεια στην καταστολή της λειτουργίας των ωοθηκών και των όρχεων (chemical castration). Εκτός από την υπόφυση οι υποδοχείς της GnRH εκφράζονται σε αρκετούς φυσιολογικούς και διάφορους καρκινικούς ιστούς, συμπεριλαμβανομένων του μαστού, του ωοθηκών, του ενδομητρίου και του προστάτη. Ο ρόλος της GnRH και των υποδοχέων της σε αυτούς τους εξωϋποθαλαμικούς ιστούς δεν έχει ξεκάθαρος. Ωστόσο, έχει δειχθεί ότι σε διάφορα είδη καρκινικών κυττάρων συμπεριλαμβανομένων και των PC3 και LNCaP τα ανάλογα της GnRH αναστέλλουν τον πολλαπλασιασμό ή οδηγούν σε προγραμματισμένο κυτταρικό θάνατο (απόπτωση). Η lamprey Εκλυτική Ορμόνη της Ωχρινοτρόπου Ορμόνης (lGnRH-III) είναι η τρίτη μορφή της GnRH η οποία έχει απομονωθεί από τα ψάρια του είδους lamprey (το γένος Petromyzon marinus). Αυτό το δεκαπεπτίδιο το οποίο διαφέρει από τη GnRH των ανθρώπων (GnRH-I) στα αμινοξέα των θέσεων 5-8, διεγείρει την απελευθέρωση οιστραδιόλης και της προγεστερόνης στα ενήλικα θηλυκά lamprey αλλά έχει αμελητέα ενδοκρινή δράση στα συστήματα των θηλαστικών. Την τελευταία δεκαετία έχουν δημοσιευτεί στοιχεία τα οποία υποστηρίζουν την απευθείας αντικαρκινική δράση της lGnRH-III. Τα παραπάνω οδηγούν στο χαρακτηρισμό της lGnRH-III ως ένα εξαιρετικό μόριο-οδηγό για την ανάπτυξη αναλόγων της GnRH με αυξημένη και πιθανώς εκλεκτική αντικαρκινική δράση. Οι πιο πρόσφατες αναφορές για απευθείας δράση των αναλόγων της GnRH στην αναστολή του πολλαπλασιασμού καρκινικών κυττάρων τα οποία παράγουν τη φυσική ορμόνη και εκφράζουν τους υποδοχείς της εγκαινιάζουν ένα νέο πεδίο έρευνας και προσφέρουν νέα ώθηση στο σχεδιασμό και τη σύνθεση νέων αναλόγων της GnRH. Μελέτες οι οποίες διερευνούν τη σχέση δομής-δραστικότητας της GnRH-Ι και ιδιαιτέρως της lGnRH-III και των αναλόγων τους στο εξωϋποθαλαμικό σύστημα είναι περιορισμένες. Η ανάγκη διερεύνησης του πεδίου αυτού θεωρείται μείζονος σημασίας καθώς ο πληθυσμός των καρκινοπαθών αυξάνει συνεχώς και η πάθηση κατατάσσεται μεταξύ των σημαντικότερων πεδίων ερευνητικής μελέτης. Ανάλογα της GnRH χορηγούνται σε ασθενείς με ορμονοεξαρτώμενους όγκους με στόχο την αναστολή των γοναδοτροπινών και την παύση της έκκρισης των φυλετικών ορμονών. Η προσέγγιση του πεδίου με χρήση αναλόγων της GnRH με ενδεχόμενη κυτταροστατική δράση αποτελεί μια σύγχρονη και πολλά υποσχόμενη προοπτική. Από τη άλλη μεριά, ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα το οποίο εμφανίζεται στα φάρμακα πεπτιδικής φύσης είναι η γρήγορη και εκτεταμένη αποικοδόμηση τους από διάφορα ένζυμα. Προκειμένου να βελτιωθεί η βιοδιαθεσιμότητα των αναλόγων της GnRH έχουν χρησιμοποιηθεί διάφορες προσεγγίσεις. Η εισαγωγή N-μεθυλιωμένων-αμινοξέων περιορίζει διαμορφωτικά τον πεπτιδικό σκελετό και χρησιμοποιείται συχνά για την αύξηση της πρωτεολυτικής σταθερότητας των φαρμάκων πεπτιδικής φύσης. Μια πιο ολοκληρωμένη προσέγγιση είναι αυτή η οποία συνδυάζει την σταθερότητα έναντι της ενζυμικής αποικοδόμησης με τη διατήρηση της βιολογικής δράσης. Στόχος της ∆ιατριβής είναι η συμβολή στο πεδίο των σχέσεων δομής-δραστικότητας της GnRH μέσω του ορθολογικού σχεδιασμού, της ανάπτυξης και του ελέγχου νέων συνθετικών αναλόγων της. Συγκεκριμένα, συνθέσαμε δώδεκα νέα ανάλογα τα οποία περιλαμβάνουν διαμορφωτικά περιορισμένα αμινοξέα στις θέσεις 4 και 6 και μελετήσαμε τις δομικές αλλαγές οι οποίες προκύπτουν από τις αλλαγές αυτές με φασματοσκοπία NMR, τη σταθερότητα έναντι της ενζυμικής αποικοδόμησης από την α-χυμοθρυψίνη και τη σουμπτιλισίνη και την δράση τους επί του πολλαπλασιασμού των καρκινικών κυττάρων PC3 και LNCaP. Η NMeSer εισήχθη στη θέση 4 του μορίου αντικαθιστώντας τη Ser και η Gly6 αντικαταστάθηκε από διάφορα D- αμινοξέα (DLys, Nε- τροποποιημένη DLys, Glu, DGlu). Το Ν-τελικό γλυκιναμίδιο έχει επαλειφθεί και στη θέση του έχει γίνει εισαγωγή της αιθυλ-ομάδας (Fujino modification), όπως στο μόριο του Λεουπρολιδίου. Συνθέσαμε επίσης είκοσι δύο νέα ανάλογα της lGnRH-III με τροποποιήσεις σε διάφορες θέσεις του μορίου και μελετήσαμε τη δράση τους επί του πολλαπλασιασμού των PC3 και LNCaP κυττάρων. Η Asp6 της lGnRH-III αντικαταστάθηκε από Asn, Asn(OMe), Glu ή Gln, η Trp3,7 από DTrp ή L/D-Tic, το pGlu1 αντικαταστάθηκε από Glu ή Ac-Glu και η His5 με την Lys8 άλλαξαν μεταξύ τους θέσεις. Επιπλέον, συνθέσαμε και τέσσερα κυκλικά ανάλογα της lGnRH-III καθώς τα κυκλικά πεπτίδια συχνά χαρακτηρίζονται από μεγαλύτερη μεταβολική σταθερότητα και δραστικότητα σε σχέση με τα ευθύγραμμα. Τέλος, μελετήσαμε τη δομή της lGnRH-III με τη χρήση ΝΜR φασματοσκοπίας και τα χαρακτηριστικά της παρουσιάζονται σε σύγκριση με αυτά της GnRH-I. Για τη σύνθεση των αναλόγων της GnRH-I σαν στερεό υπόστρωμα χρησιμοποιήθηκε η [3-(αιθυλ-Ν-Fmoc-αμινομέθυλ)ινδολ-1- υλ] ακετυλ ΑΜ ρητίνη για την παραλαβή αμιδίων ενώ, για τη σύνθεση της GnRH-I, της lGnRH-III και των αναλόγων της lGnRH-III χρησιμοποιήθηκε η ρητίνη του Sieber χρησιμοποιώντας την Fmoc/tBu μεθοδολογία. Η ενζυμική σταθερότητα των αναλόγων της GnRH-I προσδιορίστηκε έπειτα από επώαση των πεπτιδίων με την α-Chymotrypsin και τη Subtilisin ενώ, η δράση έναντι του κυτταρικού πολλαπλασιασμού της GnRH-I, της lGnRH-III και των αναλόγων τους μελετήθηκε με ανθρώπινα καρκινικά κύτταρα προστάτη (PC3 και LNCaP). Το πρωτόκολλο σύνθεσης το οποίο ακολουθήθηκε οδήγησε στην παραλαβή πεπτιδίων σε μεγάλες αποδόσεις και υψηλή καθαρότητα. Η μελέτη της επίδρασης των νέων αναλόγων της GnRH στην αναστολή του πολλαπλασιασμού των καρκινικών κυττάρων του προστάτη εγκαινιάζει το πεδίο σε επίπεδο σχέσεων δομής-δραστικότητας και συνεισφέρει στην αδιάκοπη έρευνα των δομικών απαιτήσεων των αναλόγων της GnRH προσφέροντας νέες προοπτικές στον σχεδιασμό δραστικών αναλόγων της GnRH. Tέλος, προέκυψαν πεπτιδικά ανάλογα της ορμόνης τα οποία σε σχέση με το Λεουπρολίδιο, το οποίο αποτελεί δραστικό συστατικό φαρμάκων για την αντιμετώπιση των ανωτέρω ασθενειών και με τη lGnRH-III, εμφανίζονται στις βιολογικές δοκιμές στις οποίες εξετάστηκαν δραστικότερα και με αυξημένη πρωτεολυτική σταθερότητα και συνεπώς αποτελούν καλές, υποψήφιες για περαιτέρω βιολογική/κλινική μελέτη, ενώσεις. Σε επίπεδο σχέσεων δομής-δραστικότητας οι τελευταίες είναι δυνατόν να αποτελέσουν τη βάση για τον μελλοντικό σχεδιασμό νέων αναλόγων της GnRH με υψηλή δραστικότητα και ενδεχόμενη φαρμακευτική εφαρμογή. / Mammalian Gonadotropin-releasing hormone (GnRH-I or GnRH) is a neuroendocrine decapeptide secreted from the hypothalamus in a pulsatile manner. Due to its hypophysiotropic actions, GnRH may act as a modulator of the activity of diverse systems that require LH and FSH secretion for their function. Indeed, GnRH and its analogs are used extensively for the treatment of a wide range of hormone-dependent diseases, including steroid-dependent tumors. Chronic administration of GnRH analogs desensitizes GnRH pituitary receptors, results in arrest of gonadotropin secretion, and thereby suppresses ovarian and testicular function (chemical castration). In addition to its pituitary expression, the GnRHR is expressed in several normal tissues and in a number of malignant tumors, including cancers of the breast, ovary, endometrium and prostate. The specific function of GnRH and its receptor in these extrapituitary sites is not entirely clear. However, it was demonstrated that in many cancer cells including PC3 and LNCaP GnRH analogs inhibit cell proliferation or lead to a programmed cell death (apoptosis). Lamprey gonadotropin-releasing hormone III (lGnRH-III) is the third isoform of GnRH isolated from the sea lamprey (Petromyzon marinus). This decapeptide that differs in residues 5–8 from human GnRH (GnRH-I), stimulates the release of estradiol and progesterone in the adult female sea lamprey but has negligible endocrine activity in mammalian systems. In the last decade data concerning the superior direct antitumor activity of sea lamprey lGnRH-III have been published. These observations make lGnRH-III an excellent starting compound for the development for the development of constrained peptide analogs with increased and potentially selective anticancer activity. The direct antiproliferative effect of the GnRH analogs in many malignant tissues inaugurates the field and leads to the design of effective GnRH analogs with new perspectives. Information concerning the impact of systematic single amino acid modifications of GnRH-I and especially of lGnRH-III on malignant cells is still lacking. The structural investigation of this field seems to be a very important issue. On the other hand, one of the main problems of peptide drugs is their fast and extensive degradation by several peptidases. In order to improve the availability of GnRH analogs, various approaches have been adopted. Incorporation of N-methylated amino acids in peptides results in conformational constrained peptide backbones and is commonly used for increasing proteolytic stability of peptide drugs. In the latter approach, stability against proteolysis should be achieved along with preservation or enhancement of biological activity. The aim of this study was the contribution in the field of the structure-activity relationships based in the rational design, development (modern synthesis) and biological characterization of the new analogs of GnRH. Particularly, we synthesized twelve new GnRH-I analogs containing conformationally restricted amino acids in positions 4 and 6, and studied the structural changes imposed by these modifications through NMR spectroscopy, the stability against enzymatic degradation by α-chymotrypsin and subtilisin and their direct antiproliferative effect on prostate cancer cells PC3 and LNCaP. NMeSer was inserted in position 4 of the peptide sequence, replacing Ser4 and Gly6 was substituted by several D- amino acids (DLys, Nε- modified DLys, Glu, DGlu). The synthesized GnRH-I analogs lack the carboxy-terminal Gly10-amide of GnRH-I and an ethylamide residue has been added to Pro9 (Fujino modification), as in Leuprolide structure. We also synthesized twenty two lGnRH-III analogs with modifications in several positions of lGnRH-III and studied their effect on PC3 and LNCaP prostate cancer cell proliferation. Asp6 of lGnRH-III was substituted by Asn, Asn(OMe), Glu or Gln, Trp3,7 by DTrp or L/D-Tic, pGlu1 was replaced by Glu or Ac-Glu and His5 and Lys8 switched places. Cyclopeptides are of great importance both in pharmaceutical and chemical respect. These molecules often exhibit increased biological activity and selectivity. Furthermore, they are more stable in metabolism than the parent linear molecules. Taking into consideration of these potentials we synthesized four cyclic analogs of lGnRH-III as well. The new analogs of GnRH-I were assembled on a [3-((Ethyl-Fmoc-amino)- methyl)-1-indol-1-yl]-acetyl AM resin to provide the peptide amide while, GnRH-I, lGnRH-III and lGnRH-III analogs were assembled on a Sieber Amide resin using Fmoc/tBu methodology. The enzymatic stability of GnRH-I analogs were determined after incubation with α-Chymotrypsin and Subtilisin while the antiproliferative activity of GnRH-I, lGnRH-III and their analogs was performed with human prostate cancer cell lines (PC3 and LNCaP). Modern peptide synthesis afforded us peptides in high yields which could be easily purified. This study provides information which can be used in the design of new GnRH analogs with improved enzymatic stability and high antiproliferative activity on PC3 and LNCaP prostate cancer cell proliferation. This structure-activity relationship study of GnRH analogs contributes to the on-going research for more potent GnRH analogs with prolonged and selective activity.