Entwicklung von neuen Cysteinprotease-Inhibitoren als potentielle neue Wirkstoffe gegen tropische Infektionskrankheiten wie z.B. Malaria und Schlafkrankheit
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass im Rahmen dieses Projektes erfolgreich sowohl neue Inhibitoren für parasitäre Cysteinproteasen identifiziert werden konnten als auch neue methodische Ansätze zur Auffindung von Hemmstoffen entwickelt wurden. Mit den von uns entwickelten N-Guanidinyl-substituierten Pyrrol- und Furanderivate wurde eine neue Substanzklasse als effiziente Inhibitoren für verschiedene Cysteinprotease etabliert. Die besten Vertreter dieser Substanzklasse weisen Aktivitäten im unteren mikromolaren bis hinunter in den nanomolaren Bereich auf. Sie wirken sowohl am isolierten Enzym als auch am Erreger selbst, wobei in den meisten Fällen die relativen Aktivitäten am Enzym und Erreger gut korrelieren, was zumindest nahe legt, dass die entsprechenden Cysteinproteasen auch in vivo die Targets dieser Hemmstoffe sind. Die gefundenen Hemmstoffe wurden detailliert enzym-kinetisch analysiert und durch Vergleich der Hemmdaten konnten interessante Struktur-Aktivitätsbeziehungen abgeleitet werden. Daraus ergaben sich auch Hinweise, wie auch für strukturell sehr ähnliche Proteasen spezifische Hemmstoffe aussehen könnten. Die experimentellen Befunde wurden zudem intensiv durch computer-gestützte Docking-Verfahren begleitet. Diese Expertise wurde im Rahmen dieses Projektes neu bei uns im Arbeitskreis etabliert und wird mittlerweile intensiv auch in anderen biologisch-orientierten Projekten bei uns genutzt. Neben der Entwicklung und Untersuchung von konkreten Hemmstoffen wurden im Rahmen dieser Sachbeihilfe aber auch zwei mehr methodische Projekte erfolgreich umgesetzt. Zum einen konnten wir zeigen, dass das on-bead Screening festphasen-gebundener Substanzbibliotheken auch für die Auffindung von Enzyminhibitoren geeignet ist. Hierfür waren zuvor in der Literatur nur sehr wenige Beispiele bekannt, insbesondere keine, die das Bibliothek-Screening mit anschließenden Testungen an zellulären Systemen zur Validierung der Screening-Daten kombinierten. Zwar ist für jedes Enzym eine sorgfältige Etablierung geeigneter Screening-Bedingungen nötig. Ist dies aber erfolgreich gelungen, stellt das on-bead Screening eine effiziente Methode dar, um in kurzer Zeit eine Vielzahl von Verbindungen (semi)quantitativ zu untersuchen. Zum anderen konnten wir zeigen, dass auch der Einsatz einer dynamisch-kombinatorischen Bibliothek eine geeignete Methode ist, um neue Hemmstoffe zu finden. Das Potenzial dieser Methode ist bisher kaum für die Suche nach Enzyminhibitoren genutzt wurden. Auch hier haben unsere Arbeiten gezeigt, dass die Etablierung und Optimierung des Assays aufwändig ist und für jedes Enzym im Einzelnen erfolgen muss. Mit den richtigen Bedingungen hat man dann aber mit der dynamisch-kombinatorischen Chemie eine interessante und vielversprechende weitere Methode an der Hand, die das Repertoire der bereits gut etablierten Ansätze (wie die klassische Leitstruktur-Optimierung oder das Hochdurchsatz-Screening großer Daten- bzw. Substanzbibliotheken) zur Suche nach neuen Hemmstoffen ergänzt. Wir haben somit im Rahmen dieser Sachbeihilfe wie geplant mehrere komplementäre Ansätze erfolgreich nutzen können, um bis dato nicht bekannte neue Hemmstoffe für Cysteinproteasen, speziell vor allem für die bei tropischen Krankheiten relevanten Enzyme Falcipain und Rhodesain, zu entwickeln. Aus dem Vergleich der Screening-Daten, den enzym-kinetischen Messungen und computer-gestützten Modellierungen konnten umfassende Informationen über Struktur-Aktivitätseigenschaften der neuen Hemmstoffe sowie ihre (potenzielle) Wirkweise abgeleitet werden. Gerade die Kombination der verschiedenen methodischen Ansätze erwies sich dabei als besonders zielführend.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2009) On-bead screening of a combinatorial fumaric acid derived peptide library yields antiplasmodial cysteine protease inhibitors with unusual peptide sequences. J. Med. Chem. 52, 5662–72
U. Machon, C. Büchold, M. Stempka, T. Schirmeister, C. Gelhaus, M. Leippe, J. Gut, P. J. Rosenthal, C. Kisker, M. Leyh, and C. Schmuck
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(2010) Michael acceptor based antiplasmodial and antitrypanosomal cysteine protease inhibitors with unusual amino acids. J. Med. Chem. 53, 1951–63
A. Breuning, B. Degel, F. Schulz, C. Büchold, M. Stempka, U. Machon, S. Heppner, C. Gelhaus, M. Leippe, M. Leyh, C. Kisker, J. Rath, A. Stich, J. Gut, P. J. Rosenthal, C. Schmuck, and T. Schirmeister
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(2011) Development of antitrypanosomal and antiplasmodial nonpeptidic cysteine protease inhibitors based on N-protected-guanidino-furan and -pyrrole building blocks. ChemMedChem 6, 1581–1586
S. Langolf, U. Machon, M. Ehlers, W. Sicking, T. Schirmeister, C. Büchhold, C. Gelhaus, P. J. Rosenthal, and C. Schmuck
