Ines Schmidt

• Jährlich fordern Erkrankungen wie Malaria, Leishmaniose oder die Afrikanische Schlafkrankheit mehrere Millionen Todesopfer. Der Ursprung dieser Krankheiten liegt im tropischen Lebensraum der Vektoren, deren Ausbreitung durch hohe Bevölkerungsdichte, mangelnde hygienische Verhältnisse und Armut zusätzlich begünstigt werden. Die Resistenzbildung der Erreger auf bisherige Wirkstoffe und die hohen Kosten der Behandlungen stellen eine weitere Herausforderung dar. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die gefundene Aktivität der Tacrin-Derivate gegenJährlich fordern Erkrankungen wie Malaria, Leishmaniose oder die Afrikanische Schlafkrankheit mehrere Millionen Todesopfer. Der Ursprung dieser Krankheiten liegt im tropischen Lebensraum der Vektoren, deren Ausbreitung durch hohe Bevölkerungsdichte, mangelnde hygienische Verhältnisse und Armut zusätzlich begünstigt werden. Die Resistenzbildung der Erreger auf bisherige Wirkstoffe und die hohen Kosten der Behandlungen stellen eine weitere Herausforderung dar. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die gefundene Aktivität der Tacrin-Derivate gegen Protozoen zu verbessern und die Wirkmechanismen zu untersuchen. Zuerst wurde eine Substanzbibliothek aus monomeren und dimeren Tacrin-Derivaten aufgebaut. Die Synthese der Monomeren erfolgte durch die Kondensation von 2-Amino-benzonitrilen und Cyclohexanonen nach Niementowski. Zur Dimerisierung wurden die entsprechenden 9-Chlor-1,2,3,4-tetrahydroacridine mit Diaminoalkanen umgesetzt, da die Reaktion der synthetisierten Monomeren mit Dihalogenalkanen zu Nebenreaktionen führte. Um eine aussagekräftige Substanzbibliothek aufzubauen, wurden sowohl Substituenten im aromatischen Bereich (R1) und im gesättigten Bereich (R2) eingeführt, aber auch die Länge der Zwischenkette variiert (n). Alle Zielverbindungen wurden im Sonderforschungsbereich 630 („Erkennung, Gewinnung und funktionale Analyse von Wirkstoffen gegen Infektions-krankheiten“) auf ihre antiprotozoale Aktivität gegenüber Plasmodium falciparum, Leishmania major und Trypanosoma brucei brucei, und auf zytotoxische Eigenschaften gegen die murine Makrophagen-Zelllinie J774.1 getestet. Auffallend war, dass die dimeren Verbindungen um jeweils etwa eine Zehnerpotenz wirksamer sind als die Monomeren. Bemerkenswert ist, dass aus den Ergebnissen der monomeren Verbindungen noch Struktur-Wirkungsbeziehungen abgeleitet werden konnten, während der Substitution bei dimeren Verbindungen eine untergeordnete Rolle zukam und die Aktivität hauptsächlich durch die Kettenlänge verändert werden konnte. Aus der folgenden Übersicht wird deutlich, dass Tacrin-Derivate generell schlechter wirksam sind als die dimeren Verbindungen mit Hexylkette, und diese wiederum geringere Aktivitäten als die Verbindungen mit Nonylkette zeigen. Im Folgenden werden die Einzelprojekte vorgestellt: 1.) Plasmodium falciparum Aus den Ergebnissen der In-vitro-Experimente der Monomeren lässt sich ableiten, dass Substituenten mit einem +M-Effekt im aromatischen Bereich und ein mittelkettiger Alkylsubstituent in Position 2 am effektivsten sind. Für dimere Verbindungen mit einer Hexylkette wurde eine verbesserte In-vitro-Aktivität gegenüber den Monomeren gefunden, die im nanomolaren Bereich liegt und mit der Wirksamkeit von Chloroquin vergleichbar ist. Mit den aktivsten Substanzen wurden anschließend die Wirkmechanismen von bekannten, strukturell verwandten Substanzen überprüft. Dabei konnte die Inhibition der β-Hämatin-Bildung (Chloroquin) sowie die Inhibition der plasmodialen Disulfid-Reduktasen (Mepacrin) ausgeschlossen werden. Erste Screening-Untersuchungen an Falcipain-2 ließen diese Cystein-Protease als mögliches Target vermuten. Die Bestimmung der IC50-Werte, die im Einklang mit den Ergebnissen aus den In-vitro-Experimenten standen, bestätigte diese Vermutung. Die Verbindung H8 zeigte mit einem IC50-Wert von 5.2 µM eine sehr gute Hemmwirkung an Falcipain-2. Auch im Vollzellassay zeigte sich diese Verbindung mit einem IC50-Wert von 20 nM (Selektivitätsindex 1250) als potenter Wirkstoff gegen Plasmodien. Mit dieser Verbindung konnte eine Leitstruktur für weitere Optimierung gefunden werden. 2.) Leishmania major Für die monomeren Verbindungen zeichnet sich ab, dass Substituenten mit einem positiven mesomeren Effekt im aromatischen Bereich eine Aktivitätssteigerung in vitro herbeiführen, die nochmals durch Vergrößerung der Substituenten in Position 2 erhöht werden kann. Die beste Aktivität wurde bei Verbindung A16 mit einem IC50-Wert von 5.7 µM gefunden, die meisten monomeren Verbindungen liegen jedoch im zweistelligen mikromolaren Bereich. Bei Betrachtung der IC50-Werte der dimeren Verbindungen fällt auf, dass die Aktivität auch hier weniger durch die Substituenten als durch die Kettenlänge gesteuert wird. Die Verbindungen mit einer Hexylkette liegen teilweise im einstelligen, teilweise im zweistelligen mikromolaren Bereich. Die entsprechenden dimeren Verbindungen mit einer Zwischenkette von neun Methyleneinheiten liegen alle im Bereich von 2 - 10 µM, wobei sich aus den Substitutionsmustern kein eindeutiger Trend abzeichnet. Obwohl dies auf unspezifische Wirkmechanismen hindeutet, wurde aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit zu dimeren Acridinderivaten die Hemmwirkung gegen die Leishmania infantum Trypanothion-Reduktase untersucht und zeigte eine Hemmung dieser Reduktase. Durch weitere kinetische Untersuchungen der potentesten Verbindung C8 konnte diese als parabolisch-kompetitiver Inhibitor klassifiziert werden. 3.) Trypanosoma brucei brucei und Trypanosoma cruzi Für die Hemmung des Wachstums der Trypanosomen wurden in der Reihe der monomeren Verbindungen ein Propylsubstituent in Position 2 und ein Chlorsubstituent in Position 7 als geeignetes Substitutionsmuster identifiziert. Die IC50-Werte der dimeren Verbindungen liegen im submikromoalren Bereich. Aber auch hier ist der Trend zu erkennen, dass die Substanzen mit der längeren Zwischenkette von neun Methyleneinheiten geringfügig aktiver sind als diejenigen mit einem Spacer von sechs Methyleneinheiten. Die potentesten Verbindungen sind allerdings die unsubstituierte Verbindung C8 und C9 mit IC50-Werten von 130 nM bzw. 120 nM. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass auch hier die Substitution des Grundgerüsts weniger auf die Aktivität auswirkt als die Verlängerung des Linkers. Des Weiteren wurden die Hemmeigenschaften der dimeren Tacrinverbindungen an der trypanosomalen Cystein-Protease Rhodesain untersucht und die Aktivität durch niedrige mikromolare IC50-Werte bestätigt. Weitere Untersuchungsergebnisse bezüglich des Hemmmechanismus liegen zu diesem Zeitpunkt nicht vor. Des Weiteren konnte Verbindung C8 als äußert potenter, kompetitiver Inhibitor der Tryanothion-Reduktase identifiziert werden. Bemerkenswert dabei ist, dass das humane Analogon zur Trypanothion-Reduktase, die Glutathion-Reduktase, nicht gehemmt wird.…
• Diseases like malaria, leishmaniasis or African trypanosomiasis are responsible for millions of deaths annually. However, the origin of this diseases is found in the vector´s tropical habitat, which expands due to high population density, poor hygienic conditions and poverty. Increasing drug resistance and high medical expenses are additional challenges. Aim of this project was to increase the activity of tacrine derivatives against protozoa and to examine the mode of action. First, a compound library of monomeric and dimeric tacrineDiseases like malaria, leishmaniasis or African trypanosomiasis are responsible for millions of deaths annually. However, the origin of this diseases is found in the vector´s tropical habitat, which expands due to high population density, poor hygienic conditions and poverty. Increasing drug resistance and high medical expenses are additional challenges. Aim of this project was to increase the activity of tacrine derivatives against protozoa and to examine the mode of action. First, a compound library of monomeric and dimeric tacrine derivatives has been synthesized. Synthesis of monomeric congeners was achieved by condensation of 2-aminobenzonitriles and cyclohexanones according to Niementowski. The dimerisation reaction started off from 9-chloro-1,2,3,4-tetrahydroacridines. These intermediates were coupled with various diaminoalkanes as tacrines used as starting material led to undesirable byproducts. To derive structure-activity-relationship (SAR), variations at the aromatic moiety (R1) and at the saturated ring were performed (R2), additionally the linker length was modified (n). The compounds were evaluated for their antiprotozoic activity towards Plasmodium falciparum, Leishmania major and Trypanosoma brucei brucei, and their toxicity against J774.1 macrophages within the frame of the SFB 630 („Recognition, Preparation and Functional Analysis of Agents against Infectious Diseases“). Conspicuously, the activity of dimeric derivatives was found to be one order of magnitude higher than for monomeric compounds. The analysis of the structure-activity-relationship revealed that the substitution pattern of dimeric compounds seemed to play a negligible role for the activity compared to the length of the linker. The following overview illustrates the lower activity of tacrine monomers compared to dimers with six-membered and nine-membered linkers. The single projects will be discussed below: 1) Plasmodium falciparum The in vitro results indicate that substituents of the monomers with a positive mesomeric effect in the aromatic moiety and a propyl group in position 2 are most effective. For dimers, a tether length of nine methylene units resulted in enhanced in vitro activity in nanomolar range of concentration and similar to chloroquine. The most active compounds were evaluated for the mode of action of structural related compounds such as chloroquine and mepacrine. The inhibition of β-hemozoin-building (chloroquine) and inhibition of plasmodial disulfide-reductase (mepacrin) could be excluded. Results from first screenings of falcipain-2 inhibition suggest this cysteine protease as possible target. Determination of IC50-values, consistent with in vitro results, confirmed this theory. Compound H8 was proven to act as potent inhibitor of falcipain-2 with an IC50-value of 5.2 µM. Additionally, this compound is very active in vitro, which was affirmed by an IC50-value of 20 nM (selectivity index 1250). Hence, H8 could be identified as new lead structure for further optimization. 2) Leishmania major Monomeric compounds bearing substituents with a positive mesomeric effect at the aromatic moiety show higher activity than unsubstituted tacrine. The activity could be further increased by additional alkyl group of medium length in position 2, similar to antiplasmodial activity of tacrine derivatives. The most active compound A16 shows an IC50-value of 5.7 µM, whereas the majority of tacrines have IC50-values in the double-digit micromolar range. Regarding the dimeric compounds, activity is mainly controlled by the length of the tether, the substituents seem to have a minor influence on activity. Hexyl-linked dimers show low micromolar IC50-values partly below 10 µM. However, all dimers with a linker of nine methylene units show higher activity (2 - 10 µM) independent of the tacrine substitution pattern. Inhibition of Leishmania infantum trypanothione reductase was evaluated because of the structural similarity to acridines and confirmed. Further kinetic experiments with the most active compound C8 suggested a parabolic-competitive manner of inhibition. 3) Trypanosoma brucei brucei and Trypanosoma cruzi Regarding monomeric compounds, again a propyl substituent in position 2 and chlorine substitution in position 7 was identified to give optimal inhibition of trypanosomal growth. IC50-values of the dimers were in the submicromolar range of concentration. Compounds with a nine-membered linker are slightly more active than compounds with a six-membered linker. Unsubstituted compounds C8 and C9 are most active (IC50 = 130 nM and 120 nM, respectively) denoting that substitution pattern is less important than tether length for activity. Furthermore, inhibition of trypanosomal cysteine protease rhodesain was evaluated and proven by low micromolar IC50-values. To date, the mode of inhibition is not known. However, C8 acts as very potent, competitive inhibitor of trypanothione reductase, whereas its human analog, glutathione reductase, is not affected.…