Breast cancer remains one of the most persistent threats to women's health in the Western world. The selective estrogen receptor modulator (SERM) tamoxifen is a front-line treatment for the disease, but suffers from a high rate of acquired resistance and an increased risk of endometrial cancer. As such, improved small molecule inhibitors with the ability to overcome antiestrogen resistance while limiting adverse side effects are valuable pharmaceutical targets. Histone deacetylase inhibitors (HDACi) have recently emerged as versatile anticancer agents with antiproliferative activity in breast cancer cells. Combination therapy of SERMs and HDACi has demonstrated enhanced cytotoxicity and the ability to restore tamoxifen sensitivity to antiestrogen-resistant cancer cell lines. This research project describes a novel approach to overcoming antiestrogen resistance by combining the anticancer properties and cooperative activity of SERMs and HDACi into compact, merged bifunctional ligands. Previous research by the Gleason laboratory indicated that HDACi functionality, in the form of zinc-chelating hydroxamic acids, could be integrated into the polar side chain of SERMs while maintaining antiestrogenicity at micromolar concentrations. Building from these preliminary results, a series of novel hybrid molecules was designed with zinc-binding groups incorporated into the aliphatic side chain or the triphenylethylene core structure of the active tamoxifen metabolite 4-hydroxytamoxifen (4-OHT). The resulting structures were investigated in silico using the molecular docking program FITTED. Twelve hybrid compounds were then synthesized by geminal Suzuki coupling and McMurry coupling procedures. Despite the propensity of the compounds to isomerize around the central double bond, the majority of the syntheses proceeded diastereoselectively and HPLC purification furnished the final products as a single isomer or in good diastereomeric excess. The HDAC inhibition and ER antagonism of the bifunctional molecules were evaluated in collaboration with the Mader laboratory of the Université de Montréal. Side chain-substituted hybrid compounds demonstrated good affinity for the ER binding pocket and nanomolar ER inhibitory activity. In addition, long-chain chimeric ligands possessing amide linkers exhibited significant HDAC 6 inhibition, with one compound displaying inhibitory activity at sub-micromolar concentrations. However, these side-chain substituted hybrids also exhibited substantial ER agonism in the absence of estradiol, which limited their effectiveness as antiestrogens. Conversely, a compound containing a phenyl hydroxamic acid in the aromatic core of 4-OHT acted as a full antagonist at micromolar concentrations and displayed no estrogenic behaviour. The core-substituted hybrid also exhibited modest HDAC inhibition, though it lacked the strong activity of its side chain counterparts. The synthesized SERM/HDACi molecules therefore displayed encouraging results and provided important structural insight into the future creation of bifunctional ligands.A brief side project is also described as a contribution towards the total synthesis of (R)-puraquinonic acid. The enantioselective synthesis of this natural product was previously accomplished by the Gleason group using a novel lactam auxiliary alkylation sequence to set the molecule's sole stereocenter. However, the specific rotation of the final product was opposite that expected and contradicted previous stereochemical assignments of the alkylation sequence. To address this inconsistency, a convergent stereochemical proof was completed which allowed direct comparison of alkylation products to auxiliary-based Mannich addition products that could be characterized by X-ray diffraction. The absolute stereochemistry of the sequence was thereby unambiguously assigned and strongly supported the conclusion that our group had successfully synthesized (R)-puraquinonic acid. / Le modulateur sélectif des récepteurs des œstrogènes (SERM) tamoxifène est le traitement principal pour le cancer du sein, mais souffre d'un taux élevé de résistance acquise et augmente le risque de developer un cancer de l'endomètre. Par conséquence, de nouvelles molécules antiestrogénique avec la capacité de surmonter la résistance aux antioestrogènes et de limiter les effets secondaires indésirables sont nécessaires. Les inhibiteurs d'histones déacétylase (HDACi) ont récemment emergés comme des agents possédant une activité antiproliférative contre les cellules du sein cancéreuse. La thérapie combinatoire des SERMs et HDACi démontre non seulement une cytotoxicité améliorée, mais aussi la capacité de restaurer la sensibilité envers tamoxifène dans les lignées cellulaires de cancer résistantes aux antioestrogènes. Ce projet décrit une nouvelle stratégie pour combattre la résistance antioestrogène en combinant l'activité des SERMs et des HDACi par la fusion des pharmacophores pour produire des ligands bifonctionnels.Les recherches précédentes par le laboratoire du Dr. Gleason ont indiqué que la fonctionnalité HDACi - sous la forme d'acides hydroxamiques - peut être intégrée dans la chaîne polaire des SERMs tout en conservant une antiestrogenicité modérée. Basé sur ces résultats préliminaires, une série de nouvelles molécules hybrides a été conçue avec des groupes se liant au zinc incorporés soit dans la chaîne latérale ou dans la structure centrale triphényléthylène du métabolite actif de tamoxifène, 4-hydroxytamoxifène (4 -OHT). Ces molécules ont été étudiés in silico à l'aide de FITTED, un programme de modélisation moléculaire. Douze molécules hybrides ont été synthétisées par des reactions de Suzuki et des réactions de McMurry. La majorité des synthèses ont pu être accomplies d'une manière diastéréosélective et la purification par CLHP a fourni les produits finaux sous forme d'isomère pure ou dans de bons excès diastéréoisomèriques.Les molecules bifonctionnelles ont été évaluées pour l'inhibition des HDACs et l'antagonisme envers le recepteur d'oestrogens (ER) en collaboration avec le laboratoire du Dr. Mader à l'Université de Montréal. Les hybrides possédant une acide hydroxamique sur la chaîne laterale ont démontré une bonne affinité pour ER de l'ordre nanomolaire. De plus, les ligands chimériques à longue chaîne possédant un amide ont démontré une inhibition importante envers HDAC 6 à une concentration micromolaire. Cependant, ces hybrides ont également démontré une activité agoniste substantielle de ER, qui limité leur efficacité comme antioestrogènes. Par contre, un hybride contenant un acide hydroxamique dans la structure centrale aromatique de 4-OHT a agi comme une antagoniste à des concentrations micromolaires, sans comportement oestrogénique. Les molécules ciblant SERM/HDACi offrent donc des résultats initiaux encourageants et des leçons importantes pour la création de nouveaux ligands bifonctionnels.Un bref projet contribuant à la synthèse totale de l'acide (R)-puraquinonique est aussi décrit. La synthèse énantiosélective de ce produit naturel a été accompli par le groupe Gleason avec l'aide d'une séquence d'alkylation utilisant un auxiliaire chirale bicyclique pour établir l'unique stéréocentre de la molécule. Toutefois, le pouvoir rotatoire spécifique du produit final était l'inverse de ce qui était attendu, et en contradiction avec la stéréochimie précédente de la séquence d'alkylation. Pour prouver la stéréochimie de notre processus d'alkylation, une voie de synthèse convergente a été accomplie qui a permis une comparaison directe des produits d'alkylation avec des produits d'addition de Mannich dont on était capable de caractériser par diffraction aux rayons X. La stéréochimie absolue de la séquence a été ainsi assignée sans ambiguïté et procure une confirmation que notre groupe avait réussi à synthétiser l'acide (R)-puraquinonique.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.123082 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Williams, Benjamin |
| Contributors | James L Gleason (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Science (Department of Chemistry) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically submitted theses |
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