Rational design and synthesis of new nucleoside analogues bearing a cyclohexane core

Abstract

L’ús d’anàlegs de nucleòsids en teràpia antivírica s’ha convertit en una opció important durant les tres últimes dècades. En els últims anys, l’atenció s’ha centrat en els carbanucleòsids, que són més resistents als processos hidrolítics i tenen una millor absorció i penetració a través de la membrana cel·lular com a resultat de la seva major lipofília. Els anàlegs de nucleòsids amb estructura ciclohexènica són una classe prometedora de compostos antiviral, en què la substitució de l’àtom d’oxigen de l’anell de furanosa per un doble enllaç indueix una flexibilitat anul·lar similar a la dels nucleòsids naturals. Recentment, s’ha descrit que ambdós enantiòmers de ciclohexenil G (DCG i LCG) presenten una potent i selectiva activitat contra el virus de l’herpes. D’altra banda, les tècniques de modelatge molecular han estat una de les pedres angulars en el disseny i optimització de compostos terapèutics. Concretament, les tècniques d'acoblament molecular (docking), que s'utilitzen per predir l'afinitat d'unió d'una molècula orgànica a una macromolècula, han demostrat ser una eina de molta utilitat. En el camp d’anàlegs de nucleòsids, aquestes tècniques permeten simular tant el seu procés d'activació, així com la posterior interacció amb la seva diana, la polimerasa viral corresponent. Aquesta tesi es centra en el disseny racional i la síntesi d'una sèrie de nucleòsids carbocíclics de sis baules basats en l'esquelet de D- i L-Ciclohexenil G com a agents contra el virus de l’herpes. En particular, s'ha dut a terme un estudi de modelatge molecular de tot el procés d'activació d’una sèrie de nucleòsids ciclohexànics i biciclo[4.1.0]heptànics per mitjà de càlculs de docking. Com a resultat d’aquest estudi computacional, vam decidir desenvolupar un nova estratègia sintètica cap a la síntesi estereoselectiva d'anàlegs de nucleòsids amb estructura biciclo[4.1.0]heptànica. En concret, s’han sintetitzat quatre nous nucleòsids amb estructura biciclo[4.1.0]heptànica que contenen diferents bases púriques i pirimidíniques, a partir de la 1,4-ciclohexandiona comercial en 14-16 etapes i rendiments globals d’entre el 2% i el 10%. A més a més, s’ha descrit un nou procediment per la síntesi de (2R,3R,8R)-2,3-difenil-1,4-dioxaespiro[4.5]deca-6-en-8-ol, que és un intermedi de la síntesis d’aquests anàlegs de nucleòsids, juntament amb la síntesi enantioselectiva d’ambdós enantiòmers de la (4R)-hidroxi-2-ciclohexenona i els seus derivats sililats. Aquests procediments competeixen positivament amb les metodologies publicades. L'activitat biològica dels compostos sintetitzats contra diversos virus ha estat avaluada. Per desgràcia, no mostren activitat antivírica significativa. Per tal de racionalitzar aquesta manca d'activitat, la interacció dels fàrmacs candidats amb la seva diana ha estat avaluada. Com que no hi ha estructures cristal·logràfiques del procés de replicació, s’ha generat un model en 3D per mitjà del modelatge d’homologia. Aquesta metodologia permet la predicció d’estructures en 3D de macromolècules basades en estructures conegudes de proteines homólogues (plantilles). Els càlculs han revelat que l’activitat antivírica d’aquests compostos està restringida per la seva incorporació al DNA del virus.

The application of nucleoside analogues in antiviral therapy has evolved into an important option over the last three decades. In recent years, attention has been focused on carbanucleosides, which are more resistant to hydrolytic processes and have better absorption and penetration through the cell membrane as a result of their higher lipophilicity. Cyclohexenyl nucleosides are a promising class of antiviral compounds, wherein replacement of the oxygen atom of the furanose ring by a double bond induces annular flexibility, similar to that of regular nucleosides. Recently, it has been described that both enantiomers of cyclohexenyl G (DCG and LCG) display potent and selective anti-herpes virus activity. On the other hand, molecular modelling techniques have been one of the cornerstones in the design and optimization of novel therapeutic agents. Specifically, molecular docking techniques, which are used to predict the binding affinity of an organic molecule to a macromolecule, have become a useful tool. In the field of nucleoside analogues, docking techniques may be applied to simulate both their activation process as well as their interaction with their target, the corresponding viral polymerase. The present thesis is focused on the rational design and synthesis of a series of six-membered carbocyclic nucleosides based on the skeleton of D- and L-Cyclohexenyl G as anti-herpes virus agents. In particular, a molecular modelling study on the whole activation process of a set of cyclohexene and bicyclo[4.1.0]heptane c nucleosides has been carried out by means of protein-ligand docking calculations. As a result of the computational study, we decided to develop a new synthetic strategy towards the stereoselective synthesis of nucleoside analogues with a bicyclo[4.1.0]heptane structure. Specifically, it has been synthesised four novel bicyclo[4.1.0]heptane nucleosides bearing different purine and pyrimidine bases, starting from 1,4-cyclohexanedione in 14-16 steps and overall yields between 2% and 10%. In addition, it has been described a new procedure to synthesise (2R,3R,8R)-2,3-diphenyl-1,4-dioxaspiro[4.5]decan-6-ene-8-ol, which is an intermediate for the synthesis of these nucleoside analogues, along with the enantioselective synthesis of both enantiomers of (4R)-hydroxy-2-cyclohexenone and their O-silyl derivatives. These procedures compete positively with the published methodologies. The biological activity of the synthesised analogues against several viruses has been evaluated, although none of them displayed significant activity. In order to rationalise this lack of activity, the interaction of the drug candidates with their target has been evaluated. As there is no crystallographic structure of the replication process, a 3D model has been generated by means of a homology modelling like approach. This methodology allows the prediction of 3D structures of macromolecules based on known structures of homologous proteins (templates). The theoretical calculations have revealed that the antiviral activity of these candidates is restricted by their incorporation into the viral DNA.