Disseny, síntesi i avaluació biològica de nous inhibidors potencials de CXCR4

Abstract

El receptor de quimiocina CXCR4 ha resultat ser una diana terapèutica de principal importància des del descobriment de la seva funció en l’etapa d’unió del virus del VIH amb la cèl·lula hoste en el seu cicle de replicació i el seu paper en una gran varietat de processos tumorals en la seva expansió en l’organisme mitjançant metàstasi. Des del descobriment, l’any 1990, del biciclam AMD3100 (Plerixafor, EC50= 0.002 µM), la primera molècula petita inhibidora de CXCR4, s’han dedicat grans esforços en trobar-ne anàlegs més potents, selectius i menys tòxics. El Grup d’Enginyeria Molecular (GEM) d’IQS ha treballat prèviament amb anàlegs d’AMD3100 dissenyant i sintetitzant diverses quimioteques de tetraamines potencialment inhibidores de CXCR4. D’elles n’han sorgit diversos compostos amb resultats anti-VIH prometedors. En el present treball s’ha optat per realitzar diverses modificacions en aquests caps de sèrie del grup amb l’objectiu d’ampliar l’espai químic al seu voltant i millorar aquests resultats. En primer lloc, es dissenyen i es sintetitzen dues noves famílies que contenen dos espaiadors diferents als utilitzats fins al moment. Un primer espaiador fenílic, com el que conté l’AMD3100 però no simètric, amb una cadena d’una sola baula i una de dues baules metilèniques entre l’anell fenílic i el primer nitrogen de banda i banda de l’anell. El segon és un espaiador simètric amb un anell naftalènic central. En segon lloc, s’amplia la diversitat molecular en dissenyar noves tetraamines amb l’espaiador p-fenilbismetilènic que implementen nous substituents en busca d’una millora en la capacitat d’inhibició de CXCR4. En aquesta cerca, es dissenya una nova ruta sintètica que permet incloure la funcionalitat èster en l’anell heterocíclic dels extrems de la tetraamina, no accessible amb les metodologies usades fins al moment. Finalment, es realitzen assaigs d’inhibició del receptor CXCR4, proliferació cel·lular i anti-VIH així com estudis computacionals per estudiar el mode d’acció d’algun d’aquests compostos front el receptor CXCR4 i com actuen en diverses malalties amb les que està relacionat, tals com la infecció del VIH, el càncer de pàncrees o la leucèmia.

El receptor de quimosina CXCR4 ha resultado ser una diana terapéutica de principal importancia desde el descubrimiento de su función en la etapa de unión del virus del VIH con la célula huésped durante el ciclo de replicación y su papel en una gran variedad de procesos tumorales en su expansión en el organismo a través de la metástasis. Desde el descubrimiento, el año 1990, del biciclo AMD3100 (Plerixafor, EC50= 0.002 µM), la primera molécula pequeña inhibidora de CXCR4, se han dedicado grandes esfuerzos en hallar análogos más potentes, selectivos y menos tóxicos. El Grup d’Enginyeria Molecular (GEM) de IQS ha trabajado previamente con análogos de AMD3100 diseñando y sintetizando diversas quimiotecas de tetraaminas potencialmente inhibidoras de CXCR4. De ellas han surgido diversos compuestos con resultados anti-VIH prometedores. En el presente trabajo se ha optado por realizar diversas modificaciones en estos cabezas de serie del grupo con el objetivo de ampliar el espacio químico a su alrededor y mejorar estos resultados. En primer lugar, se diseñan y se sintetizan dos nuevas familias que contienen dos espaciadores diferentes a los utilizados hasta el momento. Un primer espaciador fenílico, como el que contiene AMD3100 pero no simétrico, con una cadena de un solo eslabón y una de dos eslabones metilénicos entre el anillo fenílico y el primer nitrógeno a cada lado del anillo. El segundo es un espaciador simétrico con un anillo naftalénico central. En segundo lugar, se amplía la diversidad molecular en diseñar nuevas tetraaminas con el espaciador p-fenilbismetilénico que implementan nuevos sustituyentes en busca de una mejora en la capacidad de inhibición de CXCR4. En esta búsqueda, se diseña una nueva ruta sintética que permita incluir la funcionalidad éster en el anillo heterocíclico de los extremos de la tetraamina, no accesible con las metodologías usadas hasta el momento. Finalmente, se realizan ensayos de inhibición del receptor CXCR4, proliferación celular y anti VIH a la vez que estudios computacionales para estudiar el modo de acción de alguno de estos compuestos frente el receptor CXCR4 y cómo actúan en diversas enfermedades con las que está relacionado, tales como la infección del VIH, el cáncer de páncreas o la leucemia.

The chemokine receptor CXCR4, has proved to be a therapeutic target of major importance since the discovery of its role in the binding and fusion steps of the HIV virus with the host cell during the replication cycle and its role in a variety of tumor processes in its expansion in the organism through the metastasis. Since the discovery, in 1990, of the bicyclic system AMD3100 (Plerixafor, EC50 = 0.002 µM), the first small molecule inhibitor of CXCR4, great efforts have been devoted to find analogues more potent, selective and less toxic. The Grup d'Enginyeria Molecular (GEM) of IQS has previously worked with AMD3100 analogues designing and synthesizing various libraries of tetramines as potential CXCR4 inhibitors. Among them various compounds with promising anti-HIV results have emerged. In the present work, we carried out various modifications of these structures with the objective of expanding the chemical space around them and improve these results. First, we designed and synthetized two new families of compounds containing different cores to those previously. The first core presents a central phenyl ring, the same included in AMD3100 but not symmetrical, with a methylene and two methylene carbons between the phenyl ring and the first nitrogen of the substituents on each side. The second is a symmetrical core with a central naphthalene ring. Secondly, the molecular diversity was increased by designing new tetramines with a p-xylene core implementing new substituents to improve the inhibition CXCR4. In this search, a new synthetic route was designed, which allowed to introduce the ester in the heterocyclic ring present in the ends of the tetramine, functionality not accessible with the methodologies used so far. Finally, inhibition assays of the CXCR4 receptor, cell proliferation assays and anti HIV tests were carried out together with computational studies to cast light on the mode of action of these compounds against the CXCR4 receptor and how they act in various related diseases such as HIV infection, pancreatic cancer or leukemia.