Fluoroquinolones are a class of antibiotics used clinically to treat a wide array of bacterial infections. These therapeutics act by targeting a bacterial enzyme required for cell viability, bacterial type-II topoisomerases. Fluoroquinolones act by forming a ternary complex with bacterial type II topoisomerases and cleaved DNA; religation of DNA is subsequently blocked, therefore leading to bacterial cell death. In ternary complex the keto-acid moiety of the fluoroquinolone is complexed with a divalent magnesium ion, forming a drug-magnesium-water bridge to a serine and an aspartate (or glutamate) residue on helix-4 of the topoisomerase enzyme. A major issue with fluoroquinolones is the rise in bacterial resistance. Resistance arises through substitutions of the serine or aspartate/glutamate residue, therefore preventing formation of the magnesium-water bridge and dramatically diminishing the overall antibiotic activity of the fluoroquinolone. Quinazoline-2,4-diones are structurally similar to fluoroquinolones; diones also form a ternary complex similar to fluoroquinolones, however, these complexes are less active due to lack of a potent magnesium-water bridge interaction in helix-4. While quinazoline-2,4-diones are therefore less potent antibiotics, their non-reliance on the magnesium water bridge generally affords equipotent activity with wild-type and fluoroquinolone-resistant strains of bacteria. The first objective of this work was to probe the helix-4 interaction of the bacterial type-II topoisomerase by quinazoline-2,4-dione modification, specifically at the N3 and C4 positions of the quinazoline-2,4-dione scaffold to afford potentially new binding contacts. These modified quinazoline-2,4-diones will provide deeper understanding of the helix-4 interaction and potentially afford potent novel quinazoline-2,4-dione scaffolds, against both wild-type and resistant bacteria, for iterative drug design. Metabolism is one of the primary sources of detoxification, inactivation, and clearance of drugs from the body and is a critical consideration for all early stage therapeutic development. Clinically used fluoroquinolones, i.e. Moxifloxacin and Ciprofloxacin, historically are metabolically stable, and are not known to be metabolized by Phase I and/or Phase II drug metabolizing enzymes. However, major modifications to the Moxifloxacin and Ciprofloxacin scaffolds, due to the development of next generation antibiotics, may display different metabolic stability profiles. Moreover, metabolism of quinazoline-2,4-diones, developed for fluoroquinolone-resistant bacteria, is not extensively studied and may be subject to different metabolic liabilities that may render the quinazoline-2,4-dione an ineffective potential antibiotic. The second objective of this work was to determine the in vitro Phase I and Phase II metabolic stabilities of fluoroquinolone and quinazoline-2,4-dione scaffolds to determine any structural features that render the potential therapeutic a metabolic liability. The results from these two objectives have led to the discovery of a novel bacterial type-II topoisomerase catalytic inhibitor and the acquisition of initial metabolic stability data of fluoroquinolone and quinazoline-2,4-dione scaffolds. These findings further promote research into quinazoline-2,4-diones as bacterial topoisomerase targets, and provide metabolic considerations for both fluoroquinolone and quinazoline-2,4-dione therapeutic development, which is severely underrepresented in the field of quinolone antibiotics.

Dans le but de déterminer l'influence du groupement trifluorométhyle sur les propriétés physico-chimiques et biologiques de peptides fluorés, nous avons désiré synthétiser des peptides incorporant un aminoacide α-trifluorométhylé.Chaque énantiomère de l'α-Tfm-Alanine a été synthétisé de manière énantiomériquement pure et à grande échelle selon une voie synthétique efficace. Le groupement trifluorométhyle placé en position α désactivant fortement sa fonction amine, son couplage a nécessité des conditions d'activation puissantes à l'aide des anhydrides mixtes.La variation de l'hydrophobie de peptides fluorés par une méthode analytique basée sur la mesure d'indices dérivés des temps de rétention par RP-HPLC a permis de mettre en évidence l'influence considérable du groupement trifluorométhyle sur l'augmentation de l'hydrophobie.Les interactions peptides fluorés/peptides ont été étudiées dans le cadre de l'inhibition de l'agrégation du peptide Aβ42 responsable du dépôt de plaques amyloïdes chez les patients atteints de la maladie d'Alzheimer. Les premiers résultats montrent un ralentissement de l'agrégation de Aβ42 par un peptide fluoré.La digestion enzymatique par la pepsine d'un tétrapeptide fluoré indique un ralentissement considérable de sa vitesse d'hydrolyse par rapport au peptide incorporant un résidu Alanine. L'utilisation de la méthode de détection sensible par RMN 19F appelée 3-FABS a permis de mettre en évidence la reconnaissance et le clivage d'un peptide fluoré par la trypsine, caractéristiques d'un bon substrat. / In order to determine the impact of the trifluoromethyl group on the physico-chemical and biological properties of fluorinated peptides, we have decided to synthesize peptides incorporating α-trifluoromethyl amino-acids.Each enantiomer of α-Tfm-Alanine was prepared in an enantiopure form and in a large scale. The trifluoromethyle group placed in the α position deactivates its amine function so that its coupling needs harsh activation conditions to be achieved with mixed anhydride.The determination of the hydrophobicity of fluorinated peptides with an analytical method based on the measurement of indexes derived from retention times by RP-HPLC showed the dramatic influence of the trifluorométhyl group on the increase of the hydrophobicity.Fluorinated peptides/peptides interactions were studied for the inhibition of the aggregation of Aβ42 in patients suffering from Alzheimer's disease. The first results indicate a reduction of Aβ42 aggregation by a fluorinated peptide.Pepsine digestion of a fluorinated tetrapeptide showed a dramatic reduction of the rate of its cleavage in comparision with the peptide incorporating an alanine residu. The use of the sensitive 3-FABS 19F NMR detection method showed the recognition and the cleavage of a fluorinated peptide by trypsin which definites it as a substrate for trypsin.

Die funktionelle Bildgebung der Expression der Cyclooxygenase-2 (COX-2) stellt aufgrund ihrer bedeutsamen Rolle bei pathophysiologischen Prozessen, insbesondere bei der Tumorprogression, einen wichtigen Forschungsansatz dar. Als nichtinvasive, bildgebende Methode bietet die PET (Positronen-Emissions-Tomographie) unter Ausnutzung von radiomarkierten Molekülen eine Möglichkeit, zeitlich und räumlich molekulare Prozesse abzubilden und zu verfolgen. Das Radionuklid Fluor-18 wird wegen seiner nahezu optimalen kernphysikalischen und chemischen Eigenschaften für die PET verwendet. Aufgrund der hohen Anforderungen, die an einen Radiotracer für die Bildgebung mittels PET gestellt werden, ist es bisher nicht gelungen, eine geeignete radiomarkierte Verbindung für die Visualisierung der COX-2-Expression in vivo zu entwickeln. Insbesondere die Spezifität, Selektivität und Affinität sowie die metabolische Stabilität eines Radiotracers sind wesentliche Parameter, die über den Erfolg der Verbindung in vivo entscheiden. Basierend auf den bisherigen Erkenntnissen bei der Entwicklung radiomarkierter selektiver COX-2-Inhibitoren verfolgte diese Arbeit zwei Strategien der Radiotracerentwicklungen. Als potente Zielverbindungen wurden aus der Stoffklasse mit tricyclischer Kernstruktur das Pyrrolo[3,2,1-hi]indol PI (1-(4-Fluorphenyl)-2-(4-methansulfonyl)phenyl-pyrrolo[3,2,1-hi]indol) und das 1,2-Dihydropyrrolo[3,2,1-hi]indol DHPI (5-Fluorphenyl-4-(4-methansulfonyl)phenyl-1,2-dihydropyrrolo[3,2,1-hi]indol) ausgewählt. Die Radiosynthese von [18F]PI gelang in einer manuellen Cu(II)-vermittelten 18F-Fluorierung ausgehend vom entsprechenden Arylboronsäurepinakolester. Die Radiosynthese von [18F]DHPI erfolgte automatisiert über eine Zwei-Stufen/ Ein-Topf-Reaktion bestehend aus einer 18F-Fluorierung und anschließender intramolekularer McMurry-Reaktion. Der Radiotracer [18F]DHPI wurde umfassend hinsichtlich seiner radiopharmakologischen Eigenschaften untersucht. Trotz seiner hohen Stabilität in vivo ist insbesondere die hohe Lipophilie von [18F]DHPI hinderlich für eine spezifische Anreicherung im Tumorgewebe. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die chemische Struktur eines potenten, jedoch metabolisch unzureichend stabilen Radiotracers mit 1,5-Diaryl-substituierter Pyrazol-Kernstruktur und [18F]Fluormethylseitenkette (basierend auf Celecoxib) durch Seitenkettenverlängerung und Deuterierung verändert, sodass eine Beeinflussung der Stabilität erfolgen sollte. Es wurden die entsprechenden Referenzverbindungen und Präkursoren hergestellt. Die Radiosynthesen der drei Zielverbindungen erfolgten automatisiert in einer nucleophilen aliphatischen Substitutionsreaktion. Die drei Radiotracer wurden in vitro und in vivo hinsichtlich ihrer Stabilität und der zugrundeliegenden Metabolisierungsprozesse untersucht. Dabei zeigte insbesondere die Methode der Deuterierung ein hohes Potential für die Verbesserung der metabolischen Stabilität unter Beibehaltung der Affinität zum Zielenzym.