Eva Kugelmann

• Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Suche nach neuen Leitstrukturen im Bereich der 4-Chinolone mit dem Verfahren der Random Chemistry. Die zugrunde liegende Idee hinter diesem Verfahren besteht darin, neue, potentiell wirksamere Strukturen durch die zufällige Erzeugung einer Substanzbibliothek zu erhalten. Die Substanzbibliothek entsteht dabei durch die Kombination bzw. Reaktion einer mäßig aktiven Ausgangsverbindung mit einem Initiator, der eine Zufallsreaktion in Gang setzt. Vorangegangene Untersuchungen dazu belegten, dass bei derDie vorliegende Arbeit befasst sich mit der Suche nach neuen Leitstrukturen im Bereich der 4-Chinolone mit dem Verfahren der Random Chemistry. Die zugrunde liegende Idee hinter diesem Verfahren besteht darin, neue, potentiell wirksamere Strukturen durch die zufällige Erzeugung einer Substanzbibliothek zu erhalten. Die Substanzbibliothek entsteht dabei durch die Kombination bzw. Reaktion einer mäßig aktiven Ausgangsverbindung mit einem Initiator, der eine Zufallsreaktion in Gang setzt. Vorangegangene Untersuchungen dazu belegten, dass bei der Nutzung von γ-Strahlen als auslösende Spezies vornehmlich durch Radiolyse des Lösungsmittels erzeugte Radikale für die Bildung neuartiger Substanzen verantwortlich waren. Diese als Initiator dienenden Radikale können auch mit herkömmlichen Radikalstartern wie dem Fentons Reagenz erzeugt werden. Fentons Reagenz erweist sich dabei als deutlich kostengünstigere und einfacher zu handhabende Alternative, die ohne jeglichen technischen Aufwand genutzt werden kann. Durch die Reaktion von Wasserstoffperoxid und Eisen(II)-Ionen entstehen Hydroxylradikale, die als hochreaktive Spezies durch die Addition an Doppelbindungen oder durch die Abstraktion von Wasserstoffradikalen und die dadurch ausgelösten Sekundärreaktionen eine Vielzahl neuer Verbindungen erzeugen. Zur Leitstruktursuche wurden als Ausgangssubstanzen zum einen ein Vertreter der 6-Fluor-7-(piperazin-1-yl)-chinolone (1) und zum anderen das 4-Chinolon-Grundgerüst (2) gewählt, um sowohl den Einfluss möglicher Strukturvariationen am Chinolongrundkörper als auch an möglichen Substituenten zu ermitteln. Aus den nach der Umsetzung mit Fentons Reagenz entstandenen Substanzbibliotheken konnten zunächst Fraktionen erhalten werden, die bei der Testung gegen Trypanosoma brucei brucei Aktivitäten mit geringeren IC50-Werten als die Ausgangschinolone zeigten. Die Strukturen der mittels HPLC isolierten Reinsubstanzen wurden aufgeklärt und ihre biologische Wirkung ermittelt. Auf diese Weise konnten ein Chinolonderivat mit N-(2-Aminoethyl)formamid-Rest in Position 7 (Frk1-2c) sowie ein Derivat mit (2-((Methyl-amino)methoxy)ethyl)amino-Rest in Position 7 und einer Hydroxylgruppe in Position 6 (Frk1-1c) identifiziert werden, die eine antitrypanosomale Aktivität mit einem IC50-Wert von 20.69 μM bzw. 17.29 μM aufweisen. Neusynthetisierte Chinolone mit einem amidofunktionalisiertem Piperazinring in Position 7 zeigten eine noch bessere Aktivität gegen Trypanosoma brucei brucei, welche durch Amidierung der Carbonsäure in 3-Stellung noch weiter gesteigert werden konnte. Die Suche nach neuen Leitstrukturen mit Hilfe von Fentons Reagenz offenbarte, dass ein Großteil der in den Substanzbibliotheken gebildeten neuen Strukturen literaturbekannten Metaboliten der Fluorchinolone ähnelt. Da annähernd 50% der möglichen Wirkstoffkandidaten an einer zu geringen Bioverfügbarkeit oder aufgrund ihrer toxischen Metabolite scheitern, ist es sinnvoll bereits in einem möglichst frühen Forschungsstadium auch Parameter wie Resorption, Distribution, Metabolismus, Elimination und Toxikologie (ADMET-Parameter) einer Substanz zu berücksichtigen bzw. zu ermitteln. Deshalb wurde in einem weiteren Teil dieser Arbeit untersucht, ob Fentons Reagenz zur Erzeugung des metabolischen Profils neuer biologisch aktiver Substanzen dienen kann, um damit frühzeitig auch auf mögliche Toxizitäten der Metabolite einer Substanz schließen zu können. Dazu wurden die drei bekannten Antiinfektiva, Cinoxacin, Ciprofloxacin und Linezolid mit Fentons Reagenz umgesetzt und die entstandenen Substanzbibliotheken nach literaturbekannten Metaboliten der jeweiligen Ausgangssubstanz gescreent. Bei einer ausreichenden Löslichkeit der Ausgangssubstanz konnten so vor allem die Metabolite erzeugt werden, die durch Hydroxylierung, Oxidation oder Hydrolyse auch bei der Verstoffwechslung durch Cytochrom-P450 erhalten werden. Da der Nachweis der Bildung literaturbekannter Metabolite durch Fentons Reagenz gelang, ist es nun möglich, einen Teil der potenziellen Metabolite neuer biologisch aktiver Substanzen bereits im Vorfeld, ohne die Nutzung von humanem Lebergewebe zu identifizieren.…
• The present work is dealing with the search for new lead structures in the field of 4-quinolones via random chemistry. The underlying concept of this approach was to generate compound libraries by combining an active starting compound with an initiator. Earlier experiments using γ-radiation as initializing species revealed that most of the new generated compounds were products of radical chemistry, built by the radiolysis of the solvent. Thus, the idea arose to replace the gainless γ-irradiation by an alternative radical starter such as FentonsThe present work is dealing with the search for new lead structures in the field of 4-quinolones via random chemistry. The underlying concept of this approach was to generate compound libraries by combining an active starting compound with an initiator. Earlier experiments using γ-radiation as initializing species revealed that most of the new generated compounds were products of radical chemistry, built by the radiolysis of the solvent. Thus, the idea arose to replace the gainless γ-irradiation by an alternative radical starter such as Fentons reagent which is cheaper and easier-to-handle. Comparing the application of Fentons reagent with the results of the γ-irradiation revealed that similar compound libraries could be achieved. The reaction of hydrogen peroxide with ferrous ions forms highly reactive hydroxyl radicals which are themselves able to generate new compounds by the addition to double bonds or the abstraction of hydrogen radicals. Numerous randomized chain reactions take place and create a compound library of great diversity. In order to find new lead structures two different starting quinolones, 1 and 2, were chosen, in order to examin the influence of structural variation both at the quinolone framework and at the substituents, like the piperazine ring in position 7. A subsequent bioassay-guided-HPLC-fractionation as a deconvolution strategy of the gained product library revealed fractions with higher activity against Trypanosoma brucei brucei and therefore lower IC50 values than the starting compounds. The structures of the purified compounds were elucidated and their biological activity examined. Thus, a new quinolone derivative was identified bearing an N-(2-aminoethyl)formamide residue in position 7 (Frk1-2c) as well as a derivative with a (2-((methylamino)methoxy)ethyl)-amino residue in position 7 beside a hydroxyl group in position 6 (Frk1-1c), possessing an antitrypanosomal activity with an IC50 value of 20.69 μM and 17.29 μM, respectively. Newly synthesized quinolones with an amido-functionalized piperazine ring in position 7 showed an even better activity against Trypanosoma brucei brucei, which could be further enhanced by an amidation of the carbocyclic acid in position 3. Within the scope of searching for new lead structures with Fentons reagent in the field of anti-infectives it could be ascertained that a great part of the produced substances resemble known metabolites of fluoroquinolones. This is due to the fact, that the underlying chemistry of Fenton's one-electron oxidation is comparable to that of cytochrome-P450, which is the main metabolism enzyme. As almost 50% of possible drug candidates fail due to their low bioavailability or their toxic metabolites, it is necessary to take parameters like absorption, distribution, metabolism, elimination and toxicology (ADMET parameter) into consideration as early as possible during the search for new drugs. Contemplating this fact, a further aim of this work was to explore, whether the conversion with Fentons reagent may serve as a screening tool for the metabolic profile of new biologically active compounds. For this purpose, three structurally different antibiotics, ciprofloxacin, linezolid and cinoxacin were chosen for treatment with Fentons reagent. Subsequently the generated compound libraries were screened for the occurrence of known metabolites of the starting substances. If an adequate solubility of the starting compounds was guaranteed, especially metabolites could be generated that evolve from hydroxylation, oxidation or hydrolyses by the cytochrome enzyme complex. As the generation of known metabolites with Fentons reagent could be verified, it is now feasible to create and identify possible metabolites of new bioactive compounds without using human liver tissue.…