Alzheimer’s disease is a complex network of several pathological hallmarks. These characteristics always occur concomitantly and cannot be taken as distinct features of the disease. While there are hypotheses trying to explain the origin and progression of the illness, none of them is able to pinpoint a definitive cause. This fact challenges researchers not to focus on one individual hallmark but, bearing in mind the big picture, target two or more indications at once. This work, therefore, addresses two of the major characteristics of AD: the cholinergic hypothesis and neurotoxic oxidative stress. The former was achieved by targeting the postsynaptic muscarinic M1 acetylcholine receptor to further investigate its pharmacology, and the latter with the synthesis of neuroprotective natural antioxidant hybrids.
The first aim was the design and synthesis of dualsteric agonists of the muscarinic M1 acetylcholine receptor. Activation of this receptor was previously shown to improve AD pathologies like the formation of Aβ and NFTs and protect against oxidative stress and caspase activation. Selectively targeting the M1 receptor is difficult as subtypes M1 – M5 of the muscarinic AChRs largely share the same orthosteric binding pocket. Orthosteric ligands are thus unsuitable for selective activation of one specific subtype. Secondary, allosteric binding sites are more diverse between subtypes. Allosteric ligands are, however, in most cases dependent on an orthosteric ligand to cause downstream signals. Dualsteric ligands thus utilize the characteristics of both orthosteric and allosteric ligands in form of a message-address concept. Bridged by an alkylene-linker, the allosteric part ensures selectivity, whereas the orthosteric moiety initiates receptor activation. Two sets of compounds were synthesised in this sense. In both cases, the orthosteric ligand carbachol is connected to an allosteric ligand via linkers of different chain length. The first set utilizes the selective allosteric M1 agonist TBPB, the second set employs the selective M1 positive allosteric modulator BQCA. Six compounds were obtained in twelve-step syntheses each. For each one, a reference compound lacking the carbachol moiety was synthesised. The dualsteric ligands 1a-c and 2a c were tested in the IP1 assay. The assay revealed that the TBPB-dualsterics 1 are not able to activate the receptor, whereas the respective TBPB-alkyl reference compounds 27 gave signals depending on the length of the alkylene-linker, suggesting allosteric partial agonism of alkyl compounds 27 and no dualsteric binding of the putatively dualsteric compounds 1. The dualsteric BQCA molecules 2, however, activated the receptor as expected. Efficacy of the C5 linked compound 2b was the highest, yet C3 and C8 compounds (2a and 2c) also showed partial agonism. In this case, the reference compounds 31 showed no receptor activation, implying the intended dualsteric binding mode of the BQCA-carbachol compounds 2. Further investigations will be conducted by the working group of Dr. Christian Tränkle at the Department of Pharmacology at the University of Bonn to confirm binding modes and determine affinities as well as selectivity of the synthesised dualsteric compounds.
The second project dealt with the design, synthesis and biological evaluation of neuroprotective esters of the flavonolignan silibinin. While silibinin is already a potent antioxidant, it has been observed that the 7-OH group has a pro-oxidative character, making this position attractive for functionalisation. In order to obtain more potent antioxidants, the pro-oxidative position was esterified with other antioxidant moieties like ferulic acid 35 and derivatives thereof. Seventeen esters of silibinin 32, including pure diastereomers of 7 O feruloylsilibinin (43a and 43b) and a cinnamic acid ester of 2,3-dehydrosilibinin 46, were synthesised by regioselective esterification using acyl chlorides under basic conditions. The physicochemical antioxidant properties were assessed in the FRAP assay. This assay revealed no improvement of the antioxidant properties except for 7-O-dihydrosinapinoylsilibinin 39b. These results, however, do not correlate with the neuroprotective properties determined in the HT-22 hippocampal neuronal cell model. The assay showed overadditive neuroprotective effects of the esters exceeding those of its components and equimolar mixtures with the most potent compounds being 7-O-cinnamoylsilibinin 37a, 7-O-feruloylsilibinin 38a and the acetonide-protected caffeic acid ester 40a. These potent Michael system bearing compounds may be considered as “PAINS”, but the assays used to assess antioxidant and neuroprotective activities were carefully chosen to avoid false positive readouts. The most potent compounds 37a and 38a, as well as the diastereomers 43a and 43b, were further studied in assays related to AD. In vitro ischemia, inhibition of microglial activation, PC12 cell differentiation and inhibition of Aβ42 and τ protein aggregation assays showed similar results in terms of overadditive effects of the synthesised esters. Moreover, the diastereomers 43a and 43b showed differences in their activities against oxytosis (glutamate-induced apoptosis), inhibition of Aβ42 and τ protein aggregation, and PC12 cell differentiation. The stereospecific effect or mode of action against Aβ42 and τ protein aggregation is more pronounced than that of silybin A (32a) and silybin B (32b) reported in literature and needs to be elucidated in future work. Stability measurements in cell culture medium revealed that the esters do not only get hydrolysed but are partially oxidised to their respective 2,3-dehydrosilibinin esters. Because dehydrosilibinin 45 itself is described as a more potent antioxidant than silibinin 32, 7 O cinnamoyl-2,3-dehydrosilibinin 46 was expected to be even more potent than its un-oxidised counterpart 37a in terms of neuroprotection. The oxytosis assay, however, showed that the neurotoxicity of 46 is much more pronounced, especially at higher concentrations, reducing its neuroprotective potential. Dehydrosilibinin esters are therefore inferior to the silibinin esters for application as neuroprotectants, because of the difficulty of their synthesis and their increased neurotoxicity. A synergistic effect of both species (silibinin and the oxidised form) might, however, be possible or even necessary for the pronounced neuroprotective effects of silibinin esters. As the dehydro-species show distinct neuroprotective properties at low concentrations, their continuous formation over time might make an essential contribution to the overall neuroprotection of the synthesised esters. Due to solubility issues for some of the ester compounds, 7-O-cinnamoylsilibinin 37a was converted into a highly soluble hemisuccinate. The vastly improved solubility of 7 O cinnamoyl-23-O-succinylsilibinin 48 was confirmed in shake-flask experiments. Contrary to expectation, stability examinations showed that the succinyl compound 48 is not cleaved to form 7-O-cinnamoylsilibinin 37a. Neuroprotection assays confirmed that 48 is not a prodrug of the corresponding ester. It was determined that the main site of hydrolysis is the 7-position, cleaving 37 to silibinin 32 and cinnamic acid thus reducing the compound’s neuroprotective effects. Nevertheless, the compound still showed neuroprotection at a concentration of 25 µM. The improved solubility might be more beneficial than the higher neuroprotection of the poorly soluble parent compound 37a in vivo. 7 O Cinnamoylsilibinin 37a was further investigated to reduce Aβ25 35 induced learning impairment in mice. While tendencies of improved short-term and long-term memory in the animals were observed, the effects are not yet statistically significant in both Y-maze and passive avoidance tests. A greater number of test subjects is necessary to ensure correctness of the preliminary results presented in this work. However, an effect of ester 37a is observable in vivo, showing blood-brain barrier penetration. The esters synthesised are a novel approach for the treatment of AD as they show strong neuroprotective effects and their hydrolysis products or metabolites are only non-toxic natural products. / Mehrere Hypothesen versuchen die Ursprünge und den Fortschritt der Alzheimer’schen Krankheit zu erklären. Eine definitive Ursache konnte allerdings bisher nicht festgestellt werden, da die Merkmale der Krankheit grundsätzlich nebeneinander auftreten. Wissenschaftler müssen also auf der Suche nach Therapien die verschiedenen pathologischen Vorgänge gleichzeitig behandeln. In dieser Arbeit wurden daher zwei der prominenteren Anzeichen der Alzheimer’schen Krankheit bearbeitet. Zum einen wurde die cholinerge Hypothese, mit Adressierung des postsynaptischen muskarinischen M1 Acetylcholinrezeptors, thematisiert. Und zum anderen wurde neurotoxischer oxidativer Stress, mit der Entwicklung von neuroprotektiven natürlichen Antioxidantien, behandelt.
Das erste Projekt beschäftigte sich mit dem Design und der Synthese von dualsterischen Agonisten des muskarinischen M1 Acetylcholinrezeptors. In der Literatur wurde gezeigt, dass die Aktivierung dieses Rezeptors eine Verbesserung des Krankheitsverlaufs nach sich ziehen kann. Es wurde unter anderem demonstriert, dass Verminderungen der Aggregation von Aβ und τ Proteinen, wie auch von oxidativem Stress, eintreten. Die selektive Aktivierung des M1 Rezeptors gestaltet sich jedoch als sehr schwierig, da sich die fünf Subtypen M1 – M5 der muskarinischen Acetylcholinrezeptoren nur geringfügig in ihrer Substratbindestelle unterscheiden. Die Anwendung von rein orthosterischen Liganden ist daher ungenügend. Sekundäre bzw. allosterische Bindestellen, unterscheiden sich zwischen den Subtypen stärker. Allosterische Liganden sind allerdings oft von der Anwesenheit eines orthosterischen Agonisten abhängig, um den Rezeptor zu aktivieren. Die Einbeziehung beider Bindestellen gleichzeitig erlaubt jedoch die Anwendung eines Signal-Adresse-Konzepts, bei welchem ein orthosterischer Ligand (Signal) mit einem allosterischen Liganden (Adresse) über einen Linker verknüpft wird. Auf diese Weise wurden zwei Sätze dualsterischer Verbindungen hergestellt. Der orthosterische Ligand Carbachol wurde jeweils über unterschiedlich lange Alkyllinker mit einem allosterischen Liganden verbunden. Als allosterische Liganden, selektiv für den M1-Rezeptor, wurden zum einen TBPB, ein allosterischer Agonist, und zum anderen BQCA, ein positiver allosterischer Modulator, gewählt. Sechs Verbindungen wurden in Synthesen mit jeweils zwölf Schritten hergestellt. Außerdem wurden für jede der dualsterischen Verbindungen Referenzsubstanzen, ohne die Carbachol-Einheit, synthetisiert. Die dualsterischen Liganden 1a-c und 2a-c wurden im IP1 Assay getestet und es zeigte sich, dass die TBPB-Verbindungen 1 nicht in der Lage waren den Rezeptor zu aktivieren. Im Gegensatz dazu, konnten die entsprechenden Referenzverbindungen 27, abhängig von der Kettenlänge, Rezeptorantworten auslösen. Dieser Befund zeigt allosteren Agonismus der Referenzen 27 und lässt Grund zur Annahme, dass die Verbindungen 1 keinen dualsterischen Bindemodus eingehen. Die BQCA-Substanzen 2, auf der anderen Seite, aktivierten den Rezeptor wie erwartet. Die Verbindung mit dem C5-Linker 2b löste das stärkste Signal aus, aber auch die C3- und C8-Verbindungen (2a und 2c) zeigten Partialagonismus. In diesem Fall aktivierten die Referenzsubstanzen 31 den Rezeptor nicht, was auf einen dualsterischen Bindemodus der Zielstrukturen 2 schließen lässt. Weitere Untersuchungen dieser Verbindungen werden in der Arbeitsgruppe von Dr. Christian Tränkle am Institut für Pharmakologie und Toxikologie der Universität Bonn durchgeführt und sollen näheren Aufschluss über Bindemodi, Affinitäten und Selektivität geben.
Das zweite Projekt beschäftigte sich mit dem Design, der Synthese und biologischen Evaluierung von neuroprotektiven Estern des Flavonolignans Silibinin 32. Obwohl Silibinin 32 selbst ein starkes Antioxidans ist, wurde festgestellt, dass seine 7-OH Gruppe pro-oxidativen Charakter besitzt. Diese Position ist somit ein attraktives Ziel für Funktionalisierungen zur Verstärkung der antioxidativen Eigenschaften. Um Substanzen mit verbesserten antioxidativen Effekten herzustellen, wurde diese Gruppe mit anderen Antioxidantien, wie etwa Ferulasäure 35 und strukturell ähnlichen Derivaten, verestert. Dabei konnten siebzehn Ester, inklusive den reinen Diastereomeren von 7-O-Feruloylsilibinin (43a und 43b) und einem Zimtsäureester von 2,3-Dehydrosilibinin 46, durch regioselektive Veresterung mit den entsprechenden Säurechloriden im basischen Milieu hergestellt werden. Die physikochemischen antioxidativen Eigenschaften wurden mit Hilfe des FRAP-Assays bestimmt. Hier trat im Allgemeinen keine Verbesserung der Eigenschaften auf. Nur 7 O Dihydrosinapinoylsilibinin 39b zeigte gesteigertes antioxidatives Verhalten. Diese Ergebnisse stimmten jedoch nicht mit den neuroprotektiven Eigenschaften, die in einem Zellmodel mit HT-22 hippocampalen neuronalen Zellen (Oxytose Assay) getestet wurden, überein. Dieser Assay konnte beweisen, dass die dargestellten Ester ihre einzelnen Komponenten, und eine Mischung dieser, hinsichtlich ihrer Eigenschaften übertreffen und überadditive neuroprotekive Effekte besitzen. Die wirksamsten Verbindungen waren 7 O Cinnamoylsilibinin 37a, 7-O-Feruloylsilibinin 38a und der Acetonid-geschützte Kaffesäureester 40a. Diese Substanzen besitzen alle ein Michael-System und könnten deshalb als sogenannte „PAINS“ angesehen werden. Allerdings wurden die verwendeten Assays sorgfältig ausgewählt, um falsch-positive Ergebnisse zu vermeiden. Die wirksamsten Substanzen, inklusive der beiden Diastereomeren 43a und 43b, wurden in weiteren, für die Alzheimer’sche Krankheit relevanten, Experimenten untersucht. Ein in vitro Ischämie Modell, die Inhibition von Mikroglia Aktivierung, die Aktivierung von PC12 Zell-Differenzierung und die Inhibition von Aβ und τ Protein Aggregation bestätigen die überadditiven Effekte der Ester. Die einzelnen Diastereomere 43a und 43b zeigten unterschiedlich stark ausgeprägte Effekte gegenüber Oxytose, Inhibition von Aβ und τ Protein Aggregation und PC12 Zell-Differenzierung. Dieser stereospezifische Effekt oder Wirkmechanismus war auffallender als die in der Literatur beschriebenen Effekte der Diastereomere Silybin A (32a) und Silybin B (32b) und muss in Zukunft näher untersucht werden. Stabilitätsuntersuchungen in Zellkulturmedium zeigten, dass die Ester nicht einfach nur hydrolysiert, sondern teilweise zu den entsprechenden Dehydrosilibininestern oxidiert werden. Da Dehydrosilibinin 45 selbst als stärkeres Antioxidans als Silibinin 32 beschrieben wird, wurde erwartet, dass der Zimtsäure-Dehydrosilibininester 46 höhere Wirksamkeit als der Silibininester 37a zeigt. Der Neuroprotektions-Assay bewies jedoch, dass 46 ausgeprägtere Neurotoxizität besitzt und seine potentielle Neuroprotektion dadurch verschlechtert wird. Dehydrosilibininester sind den Silibininestern daher bei dieser Anwendung unterlegen, auch weil ihre Synthese deutlich aufwendiger ist. Ein synergistischer Effekt beider Spezies (Silibinin und Dehydrosilibinin) könnte allerdings möglich und vielleicht sogar nötig sein. Die kontinuierliche Generierung der Dehydrosilibininester mit der Zeit könnte ein wichtiger Faktor für die neuroprotektiven Eigenschaften der Silibininester sein, da die neuroprotektiven Effekte der Dehydro-silibininester bei niedrigen Konzentrationen sehr ausgeprägt sind. Aufgrund der problematischen Löslichkeit der hergestellten Substanzen, wurde die Löslichkeit der Ester verbessert, indem 7 O-Cinnamoylsilibinin 37a, als Modell, mit gut löslichen Hemisuccinaten verbunden wurde. Die stark verbesserte Löslichkeit von 7 O Cinnamoyl-23-O-succinylsilibinin 48 wurde in shake-flask Experimenten bewiesen. Stabilitätsuntersuchungen und der Neuroprotektions-Assay zeigten allerdings, dass die Succinylverbindung 48 hauptsächlich an Position 7, und damit in Zimtsäure und 23 O Succinylsilibinin 50, gespalten wurde. Hemisuccinat 48 zeigte Neuroprotektion nur bei einer Konzentration von 25 µM und ist somit kein Pro-Drug von 7 O Cinnamoylsilibinin 37a. Die erhöhte Löslichkeit könnte jedoch in vivo nutzbringender sein als die gesteigerte Neuroprotektion des schlechter löslichen Derivats 37a. 7-O-Cinnamoylsilibinin 37a wurde außerdem darauf getestet Aβ25 35 induzierte Gedächtnisbeeinträchtigungen in Mäusen zu verbessern. Obwohl Tendenzen zu verbessertem Kurzzeit- und Langzeitgedächtnis erkenntlich wurden, konnten noch keine statistisch signifikanten Verbesserungen sowohl im Y-maze Test als auch im passive avoidance Test gezeigt werden. Mehr Testsubjekte sind nötig, um die Ergebnisse zu überprüfen. Dennoch sind Effekte in vivo zu beobachten, die Blut-Hirn-Schranken Penetration zeigen. Die dargestellten Ester sind somit ein neuer Ansatz für die Behandlung der Alzheimer’schen Krankheit, da sie ausgeprägte neuroprotektive Effekte zeigen und ihre Spaltprodukte und Metaboliten ausschließlich nicht-toxische Naturstoffe sind.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:17359 |
| Date | January 2018 |
| Creators | Schramm, Simon |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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