Synthesis of fluorinated analogs of KRN7000

Abstract

El KRN7000 (α-GalCer) és un glicoesfingolipid sintètic que exhibeix una potent activitat antitumoral estimulant una forta resposta immune. El mecanisme bioquímic del KRN7000 per a aquest efecte terapèutic passa per la formació d'un complex ternari entre la proteïna CD1d, el mateix KRN7000 i el receptor TCR de les cèl•lules NKT. Després d'aquesta complexació, s'alliberen diferents tipus de citoquines donant lloc a diferents respostes biològiques. Es creu que tant la potència com la naturalesa del resultat biològic final depenen de la força de les interaccions entre els components del complex ternari. En aquest sentit, recentment s'ha demostrat que les cadenes perfluorades produeixen interaccions més fortes amb les proteïnes que els seus homòlegs hidrogenats, degut a la seva major hidrofòbia. En aquest context, la recerca descrita en aquesta tesi pretén investigar la síntesi d'anàlegs del KRN7000 en els quals les cadenes lipídiques hidrocarbonades es reemplacen per cadenes polifluorades per determinar el resultat biològic d'aquesta modificació estructural. Per assolir tal propòsit, s'han estudiat diferents mètodes de fluoroalquilació donant lloc a la preparació d'una bateria d'anàlegs del KRN7000 que difereixen tant en la posició de les cadenes fluorades com del grau de fluoració del compost. A més, durant el desenvolupament d'aquesta tesi, va sorgir un objectiu addicional: la síntesi d'anàlegs del KRN7000 restringits conformacionalment. En aquesta tesi també es presenta l'avaluació biològica preliminar dels anàlegs sintetitzats que evidencien l'alt impacte de la substitució H / F en l'activitat del compost. A més, també s'han dut a terme estudis de dinàmiques moleculars, que proporcionen informació útil per entendre, a nivell molecular, el comportament de les cadenes fluorades en el sistema biològic.

El KRN7000 (α-GalCer) es un glicoesfingolipido sintético que exhibe una potente actividad antitumoral estimulando una fuerte respuesta inmune. El mecanismo bioquímico del KRN7000 para este efecto terapéutico pasa por la formación de un complejo ternario entre la proteína CD1d, el mismo KRN7000 y el receptor TCR de las células NKT. Después de esta interacción, se liberan diferentes tipos de citoquinas dando lugar a diferentes respuestas biológicas. Se cree que tanto la potencia como la naturaleza del resultado biológico final dependen de la fuerza de las interacciones entre los componentes del complejo ternario. En este sentido, recientemente se ha demostrado que las cadenas perfluoradas producen interacciones más fuertes con las proteínas que sus homólogos hidrogenados, debido a su mayor hidrofobia. En este contexto, la investigación descrita en esta tesis pretende investigar la síntesis de análogos del KRN7000 en los que las cadenas lipídicas hidrocarbonadas se reemplazan por cadenas polifluoradas para determinar el resultado biológico de esta modificación estructural. Para alcanzar tal propósito, se han estudiado diferentes métodos de fluoroalquilación dando lugar a la preparación de una batería de análogos del KRN7000 que difieren tanto en la posición de las cadenas fluoradas como en el grado de fluoración del compuesto. Además, durante el desarrollo de esta tesis, surgió un objetivo adicional: la síntesis de análogos del KRN7000 restringidos conformacionalmente. En esta tesis también se presenta la evaluación biológica preliminar de los análogos sintetizados que evidencian el alto impacto de la sustitución H/F en la actividad del compuesto. Además, también se han llevado a cabo estudios de dinámicas moleculares, que proporcionan información útil para entender, a nivel molecular, el comportamiento de las cadenas fluoradas en el sistema biológico.

KRN7000 (α-GalCer) is a synthetic glycosphingolipid which exhibits potent anti-tumor activity by stimulating a strong immune response. The KRN7000 biochemical mechanism for such therapeutical effect goes through the formation of a ternary complex between CD1d protein, KRN7000 and TCR receptor of NKTcells. Upon complexation, different types of cytokines are released promoting different biological responses. It is believed that both the potency and the nature of the final biological outcome depend on the strength of the interactions between the components of the ternary complex. In this sense, it has been recently demonstrated that perfluorinated chains produce stronger interactions with proteins than its hydrocarbon counterparts, due to their higher hydrophobicity. Within this context, the research described in this thesis aims to investigate the synthesis of KRN7000 analogues in which lipid hydrocarbon chains are replaced by fluoroalkyl ones in order to determine the biological outcome of such structural modification. For this purpose, different fluoroalkylation methods have been tested leading to the successful preparation of a battery of KRN7000 analogues differing on both the position of fluoroalkyl chains and the compound fluorination degree. In addition, during the development of this thesis, an additional objective aroused: the synthesis of coformationally restricted KRN7000 analogues. Preliminar biological evaluation of the synthesized analogues is also presented herein evidencing the high impact of H/F replacement on the compound activity. In addition, molecular dynamic studies have been performed, providing useful information for the understanding, at a molecular level, of the behaviour of the fluoroalkyl chains in the biological system.