New organic compounds with targeted biological activity

PrashantKumar Khirsariya, M.Sc.

Doctoral thesis

Abstract:

Moje doktorská disertační práce sestává ze dvou částí. První část práce popisuje naše úsilí vyvinout flexibilní diastereoselektivní syntézu karbocyklických C-nukleosidů. Karbocyklické C-nukleosidy jsou poměrně vzácné, většina dosud publikovaných syntéz vedla k pouze jedné cílové sloučenině a neumožňovala flexibilní manipulaci substituentů na cyklopentanovém skeletu. Nejprve jsme připravili vhodně chráněné cyklopentanony, které jsme syntetizovali racemické (v šesti krocích) nebo opticky čisté (v deseti krocích) z levného norbornadienu. Výběr vhodných chránících skupin se ukázal být klíčový pro úspěšnou syntézu vhodných cyklopentanonových intermediátů a jejich následnou konverzi na cílové sloučeniny. Naše metoda umožňuje flexibilní manipulaci jednotlivých pozic cyklopentanového kruhu, zejména vysoce diastereoselektivní zavedení karbo- a heterocyklických substituentů do pozice 1′, orthogonální funkcionalizaci pozice 5′ a efektivní inverzi stereochemie na pozici 2′. Použití a případná omezení této metody jsou demonstrovány v rámci přípravy tří podtříd vybraných karbocyklických C-nukleosidů. Připravili jsme více než 40 cílových sloučenin, včetně karbocyklického analogu tubercidinu, furanfurinu a thiophenfurinu. Nově připravený karbocyklický C-analog tubercidinu byl testován v buněčných esejích v liniích MCF7 (nádor prsu) a HFF1 (lidské fibroblasty). Tato sloučenina se ukázala být sice méně účinná než tubercidin, ale více selektivně cytotoxická vůči nádorovým buňkám. Nedávno jsme také připravili karbocyklické C-analogy tubercidinu se složitějšími substituenty na pozici 5′; tyto syntézy sestávají z 18-20 lineárních syntetických kroků. Některé z těchto sloučenin vykázaly slibnou inhibiční aktivitu vůči některým lidským methyltransferázám. Druhá část disertační práce popisuje syntézu a testování nových inhibitorů kinázy CHK1. CHK1 hraje zásadní roli v údržbě stability genomu, což představuje atraktivní příležitost ke zvýšení selektivity, efektivity a snížení toxicity některých chemoterapeutik. Některé z nedávno objevených inhibitorů CHK1 se v současnosti nacházejí v klinickém testování, v kombinaci s DNA antimetabolity. Nejprve jsme připravili sloučeninu MU380, netriviální analog klinicky profilované sloučeniny SCH900776. MU380 obsahuje vysoce neobvyklý N-trifluoromethylpyrazolový motiv. Ukázalo se, že MU380 je selektivní a účinný inhibitor CHK1, jenž senzitizuje celou řadu nádorových linií vůči hydroxymočovině a gemcitabinu, a to až desetinásobně. MU380 vykázal také výrazně efektivnější inhibici v buňkách a, na rozdíl od SCH900776, nepodléhá N-dealkylaci in vivo na výrazně méně selektivní metabolit MU379, který jsme rovněž připravili v opticky čisté formě. Ve srovnání s klinicky testovanou sloučeninou SCH900776 způsobil derivát MU380 vyšší rozsah akumulace poškození DNA v nádorových buňkách a následné buněčné smrti. MU380 byl také účinnější v myších vůči nádorům ustavených z buněčné linie A2780. Za zmínku stojí také fakt, že všechny nově připravené analogy sloučeniny MU380, které obsahovaly symetrické isostery piperidinu, byly výrazně méně účinné v buněčné eseji. Vyvinuli jsme také enantioselektivní syntézu MU380, která umožnila přípravu gramových množství sloučeniny pro několik aktuálně realizovaných in vivo studií. MU380 představuje nový vysoce účinný, selektivní “state-of-the-art” inhibitor kinázy CHK1 a vykazuje zvýšenou metabolickou robustnost vůči oxidativní N-dealkylaci.

Abstract:

My Ph.D. dissertation is divided into two parts. First part deals with our efforts to develop diastereoselective flexible synthesis of carbocyclic C-nucleosides. Carbocyclic C-nucleosides are quite rare, most published syntheses only produced single target compounds and did not allow flexible manipulation of substituents around the cyclopentane core. We first synthesized properly protected cyclopentanones, which can be prepared racemic (in six steps) or optically pure (in ten steps) from inexpensive norbornadiene. The choice of proper protecting groups proved to be crucial for successful synthesis of suitable cyclopentanone intermediates and their subsequent conversion into the desired target compounds. Our methodology enables flexible manipulation of individual positions around the cyclopentane ring, namely highly diastereoselective installation of carbo- and heterocyclic substituents at position 1′ of the cyclopentane scaffold, orthogonal functionalization of position 5′, and efficient inversion of stereochemistry at position 2′. The scope and limitations of the methodology is demonstrated by the synthesis of three sub-classes of selected carbocyclic C-nucleosides. We prepared more than 40 target compounds including direct carbocyclic C-analogs of tubercidin, furanfurin and thiophenfurin. Newly prepared carbocyclic C-analog of tubercidin, profiled in MCF7 (breast cancer) and HFF1 (human foreskin fibroblasts) cell cultures, is less potent than tubercidin itself, but more selectively toxic towards the tumorigenic cells. In addition, we recently prepared elaborated C-5′ modified carbocyclic C-tubercidin analogs in 18 – 20 linear synthetic steps. Some of the compounds showed promising selective activity against certain human methyl transferases. Second part of the dissertation deals with the synthesis and profiling of novel inhibitors of CHK1 kinase. CHK1’s pivotal role in maintaining genomic stability offers attractive opportunity for increasing the selectivity, effectivity, and reduced toxicity of chemotherapy. Some recently identified CHK1 inhibitors entered clinical trials in combination with DNA antimetabolites. We first synthesized MU380, a nontrivial analog of the clinically profiled compound SCH900776 possessing the highly unusual N-trifluoromethylpyrazole motif. MU380 was found to be a selective and potent inhibitor of CHK1 which sensitizes a variety of tumor cell lines to hydroxyurea or gemcitabine up to 10 times. MU380 shows extended inhibitory effects in cells, and unlike SCH900776, does not undergo in vivo N-dealkylation to the significantly less selective metabolite MU379, which we also prepared in the optically pure form. Compared to the clinical compound SCH900776, our inhibitor MU380 in combination with gemcitabine causes higher accumulation of DNA damage in tumor cells and subsequent enhanced cell death, and is more efficacious in the A2780 xenograft mouse model. Of note, all newly synthesized additional analogs of MU380 with symmetrical isosteres of piperidine were found to be significantl less active then MU380 in the cell. Finally, we developed an enantioselective synthesis of MU380 to produce gram amounts of the compound for ongoing in vivo studies. Overall, MU380 represents a novel state-of-the-art CHK1 inhibitor with high potency, selectivity and improved metabolic robustness to oxidative N-dealkylation.

Keywords

chemická biologie, nízkomolekulární sondy, nukleosidy, nukleosidové analogy, tubercidin, diastereoselektivní organická syntéza, CHK1 inhibitor, proteinové kinázy, syntetická lethalita, biologická aktivita, chemical biology, small-molecule probes, nucleosides, nucleoside analogs, diastereoselective organic synthesis, protein kinases, synthetic lethality, biological activity

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 10. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 8. 2. 2019
• Supervisor: doc. Mgr. Kamil Paruch, Ph.D.
• Reader: prof. RNDr. Milan Pour, Ph.D., prof. Dr. Oliver Reiser

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry (4-years) / Organic Chemistry