Development of radiolabelled butyrylcholinestase inhibitors as neurologigal biomarkers for molecular imaging by positron emission tomography
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts gelang es, ausgehend von Alkaloiden als Leitstrukturen, hochselektive und -aktive Inhibitoren der humanen Butyrylcholinesterase zu entwickeln, wobei auch computerchemische (Molecular Docking) und enzymkinetische Methoden zum Tragen kamen. Dabei wurden eine Reihe von organisch-synthetischen Arbeiten publiziert, welche die Synthese und die Stabilitäten neuer heterozyklischer Strukturen beschrieben. Zum einen gelang es aufbauend auf reversiblen BChE-Inhibitoren, die von einem slowenischen Partnerlabor beschrieben worden waren, F-(„kalte“) und 18F-markierte („heiße“) Analoga zu entwickeln, welche dann in vitro, ex vivo und in vivo untersucht werden konnten. Basierend auf pseudoirreversiblen BChE-Inhibitoren, die im Rahmen dieses Projektes entwickelt wurden, gelang es ebenso, F-(„kalte“) und 18F-markierte („heiße“) Analoga dieser Inhibitoren zu entwickeln, die noch selektiver und aktiver am Enzym wirkten unddieses irreversibel hemmen. Zudem wirken diese Inhibitoren so, dass der 18F-markierte Rest direkt auf das Enzym übertragen wird und dieses quasi direkt markiert. Hierbei war es nicht nur möglich, gezielt die Wirkdauer am Enzym auf viele Stunden zu verlängern und damit für die Radiotracerentwicklung nutzbar zu machen, sondern es konnten für beide Klassen von BChE-Radiotracern Radiomarkierungsmethoden entwickelt werden, die den effektiven Einsatz im Kleintier-PET ermöglichten. Beide Klassen von BChE-PET-Tracern zeigten ex vivo spezifisch Bindung an relevante Hirnareale, wie den Cortex, und im gesunden Tier zwar schnellen, aber sehr geringen Uptake in das Gehirn. Dafür konnte spezifische Aufnahme in Herz und Lunge beobachtet werden, die gut mit den Ergebnissen aus „Omics“-Technologien korrelieren. Hinsichtlich des möglichen Einsatzes als Alzheimer-Demenz(AD)-Diagnostikum stehen noch Untersuchungen an genetischen AD-Mausmodellen aus, die erhaltenen Ergebnisse lassen aber auch die Möglichkeit des Einsatzes bei Lungenkrebs möglich erscheinen. Im Laufe der Arbeiten ließ sich zusätzlich validieren, dass die BChE ein valides Target der AD darstellt. Die Inhibitoren waren nicht nur neuroprotektiv in Zellmodellen, sondern Ihre chronische Gabe in einem AD-Mausmodell, bei welchem durch Applikation von Amyloid-beta Neuroinflammation und nachfolgend Einschränkungen der Gedächtnisleistung ausgelöst werden, führte zu signifikanten Verbesserung der Leistung des Kurz- und des Langzeitgedächtnisses und das Ausmaß dieser Wirkung in vivo korreliert sowohl mit der Stärke der Inhibition als auch mit der Inhibitionsdauer. Die neuroprotektiven Eigenschaften der BChE-Inhibitoren konnten im Zuge dieses Projektes zudem mit anderen Mechanismen der Neuroprotektion, etwa Aktivierung des Cannabinoidrezeptors 2 effektiv in Hybridmolekülen kombiniert werden. Es konnte also BChE als mögliches Target für PET-Diagnostika identifiziert und mit zwei verschiedenen Tracern zugänglich gemacht werden, ebenso wurde BChE als therapeutisches Target für AD validiert. Entsprechende Arbeiten wurden patentiert und publiziert.
Publications
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„A simple heterocyclic fusion reaction and its application for expeditious syntheses of rutaecarpine and its analogs” Tetrahedron Lett. 2014, 55(26), 3607-3609
G. Huang, D. Roos, P. Stadtmüller, M. Decker
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„Identification of a neuroprotective and selective butyrylcholinesterase inhibitor derived from the natural alkaloid evodiamine” Eur. J. Med. Chem. 2014, 81, 15-21
G. Huang, B. Kling, F. H. Darras, J. Heilmann, M. Decker
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„A novel way to directly radiolabel human butyrylcholinesterase for PET through irreversible transfer of the radiolabeled moiety” ChemMedChem 2016, 11(14), 1540-1550
E. Sawatzky, E. Al-Momani, R. Kobayashi, S. Samnick, T. Higuchi, M. Decker
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„Discovery of highly selective and nanomolar carbamate-based butyrylcholinesterase inhibitors by rational investigation into their inhibition mode” J. Med. Chem. 2016, 59(5), 2067-2082
E. Sawatzky, S. Wehle, B. Kling, J. Wendrich, G. Bringmann, C. Sotriffer, J. Heilmann, M. Decker
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„Experimental and theoretical investigation into the stability of cyclic aminals” J. Org. Chem. 2016, 12, 2280-2292
E. Sawatzky, A. Drakopoulos, M. Rölz, C. Sotriffer, B. Engels, M. Decker Beilstein
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„Structure-activity relationships and computational investigations into the development of potent and balanced dual-acting butyrylcholinesterase inhibitors and human cannabinoid receptor 2 agonists with pro-cognitive activity in vivo” J. Med. Chem. 2018, 61(4), 1646-1663
D. Dolles, M. Hoffmann, S. Gunesch, M. Oliviero, J. Möller, G. Santoni, A. Chatonnet, M. J. Lohse, H.-J. Wittmann, A. Strasser, M. Nabissi, T. Maurice, M. Decker
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„Dual-acting cholinesterase-human cannabinoid receptor 2 ligands show pronounced neuroprotection in vitro, and overadditive and disease-modifying neuroprotective effects in vivo” J. Med. Chem. 2019, 62(20), 9078-9102
M. Scheiner, D. Dolles, S. Gunesch, M. Hoffmann, M. Nabissi, M. Oliviero, M. Naldi, M. Bartolini, S. Petralla, E. Poeta, B. Monti, C. Falkeis, M. Vieth, H. Hübner, P. Gmeiner, R. Maitra, T. Maurice, M. Decker
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„Tunable duration of action of highly selective BChE inhibitors by chemical modification of transferable carbamate moieties lead to pronounced neuroprotective effect in an Alzheimer´s disease mouse model” J. Med. Chem. 2019, 62(20), 9116-9140
M. Hoffmann, C. Stiller, E. Endres, M. Scheiner, S. Gunesch, C. Sotriffer, T. Maurice, M. Decker
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„Compound inhibiting butyrylcholinesterase” WO 2020/148153 (23.07.2020)
M. Decker, M. Hoffmann
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„Cannabinoid receptor subtype 2 stimulator inhibiting acetylcholinesterase and butyrylcholinesterase“ EP 2021/189653.9 (03.02.2021)
M. Scheiner, D. Dolles, M. Decker
