Photoswitchable ligands targeting beta-adrenoceptors for in vitro, in vivo and structural studies

Abstract

G protein-coupled receptors (GPCRs) are a large family of membrane proteins responsible for signaling transduction processes. Due to their roles in modulating essential physiological functions, GPCRs are classical pharmacological targets and the focus of numerous research lines. Within this superfamily of receptors, beta-adrenoceptors (β-AR) have been widely studied. Their relevant contribution to the modulation of the cardiac output, among other physiological functions, has historically signaled these receptors as therapeutic targets. Many approved drugs modulate the activation of β-AR, which evidences the high potential of these GPCRs in clinical and research applications. On the other hand, photopharmacology has arisen as an innovative approach with therapeutic potential and many research applications. This technique uses synthetic light-regulated molecules to render light-controllable proteins without genetic manipulation.

In this context, the main objective of the present thesis is the development of light-sensitive molecules that allow the modulation of beta-adrenoceptors through light application.

In the first chapter, we report the development of a caged analogue of carvedilol, an approved inhibitor of β-AR. Upon illumination at 405 nm, Caged-Carvedilol photolitically releases the beta-blocker carvedilol. The caged ligand was used to explore light-dependent modulation of beta-adrenoceptors in several physiological systems, including native cardiac tissues and living zebrafish larvae. Overall, this novel caged compound provides an innovative molecular tool to precisely control the activation state of β-AR in space and time. Therefore, C-C could be used in future studies to better understand the complex role of beta-adrenoceptors in physiology.

Caged ligands are valuable molecular tools but present one main limitation, their irreversible nature. Once the bioactive molecule is photolitically released, no compound deactivation is possible. To produce ligands that allow a reversible control of the target receptors with light, a series of azobenzene-based compounds were designed, synthesized, and photochemically characterized in Chapter 2. Additionally, we explored the light-dependent pharmacological properties of Photoazolols 1-3 (PZLs 1-3) in vitro against two different receptor subtypes, β1- AR and β2-AR. The pharmacological results obtained for the first series of photochromic ligands guided the design of two additional azobenzenes to modulate β1-AR selectively. Both ligands, designed with a para-substituted azobenzene (p-AB) scaffold, displayed good light-dependent properties and an excellent β1-AR selectivity profile. Additionally, in vivo assays were performed using zebrafish larvae. These experiments highlighted that light-dependent cardiac modulation was achieved when larvae were treated with p-AB 84 under different illumination conditions.

Importantly, all photochromic ligands described in the second chapter of this thesis display trans→cis isomerization wavelengths within the UV range. This photochemical feature can limit the research applications for the developed photoswitches, considering that highly energetic ultraviolet light can introduce safety issues due to its phototoxicity. It could be especially problematic if the developed compounds were intended for therapeutic

applications. For this reason, we developed red-shifted azobenzenes that enable modulation of β-AR with the application of visible light, reported in Chapter 3. Two series of aminoazobenzenes (aABs) were synthesized, which could be photoisomerized efficiently through the application of visible light. Photopharmacological properties of the red-shifted ligands were evaluated in vitro for both β1-AR and β2-AR subtypes.

Finally, we intended to use the developed azobenzenes to perform structural studies on β-AR. The last chapter of this thesis describes the research conducted during a 6-months stay performed at the Paul Scherrer Institut (Switzerland), where a joint subproject was established with the Standfuss group. This subproject aimed to crystallize both β1-AR and β2-AR, bound to one of the trans-on compounds from our library of photochromic ligands. After crystallization, we intended to perform conventional X-Ray Crystallography experiments with the obtained crystals in the dark and after illumination with the appropriate wavelength to evaluate the light-induced structural changes in our target receptors. Firstly, receptor expression and purification protocols were optimized and established for different constructs of β1-AR and β2- AR. Finally, crystallization trials were set up using purified protein bound to PZL-1, and preliminary crystals were obtained for the ultra-stable (US) construct of β1-AR. However, we did not obtain the diffraction-quality crystals required to perform X-Ray Crystallography experiments.

To sum up, the present thesis reports a variety of novel photopharmacological tools to study beta-adrenoceptors with spatiotemporal precision. We performed in vitro, in vivo, and structural studies using different molecules from the developed library to demonstrate the possibilities offered by the described compounds in therapeutic and research applications.

Els receptors acoblats a proteïnes G (GPCRs) són una gran família de proteïnes de membrana responsables de modular la transducció de senyals a conseqüència de diversos estímuls. A causa del seu paper en la regulació d’importants funcions fisiològiques, els GPCR han estat establerts com a dianes farmacològiques clàssiques i constitueixen la base de nombroses línies de recerca. Dins d'aquesta superfamília de receptors, els receptors beta-adrenèrgics (β-AR) han estat àmpliament estudiats. La seva contribució a la modulació del ritme cardíac o del sistema respiratori, entre d’altres, ha assenyalat aquests receptors com a importants dianes terapèutiques. De fet, en l’actualitat existeixen molts fàrmacs aprovats que modulen l'estat d’activació dels β-AR, cosa que evidencia l'alt potencial d'aquests GPCRs en aplicacions clíniques i de recerca. D'altra banda, la fotofarmacologia constitueix un camp de recerca innovador, amb potencial terapèutic i una enorme varietat de possibles aplicacions en investigació bàsica. Aquesta tècnica, utilitza molècules sintètiques regulades per la llum que donen lloc a proteïnes controlables mitjançant la llum sense necessitat de manipular-les genèticament.

En aquest context, l'objectiu principal de la present tesi doctoral és el desenvolupament de molècules fotocontrolables que permetin la modulació dels receptors beta-adrenèrgics mitjançant l'aplicació de la llum.

En el primer capítol, es reporta el desenvolupament d'un anàleg “caged” del carvedilol, un inhibidor dels β-AR aprovat per a ús clínic. Es va observar que després d’il·luminar-lo a 405 nm, Caged-Carvedilol (C-C) alliberava fotolíticament la molècula bioactiva carvedilol. Així doncs, el lligand desenvolupat es va utilitzar per explorar la modulació, mitjançant l’aplicació de llum, dels receptors beta-adrenèrgics en una varietat de sistemes fisiològics, inclosos els teixits cardíacs natius i les larves de peix zebra. En vista dels resultats, el nou compost “caged” proporciona una eina molecular innovadora que permet controlar amb precisió l'estat d'activació dels β-AR en l'espai i el temps. Per tant, C-C es podria utilitzar en estudis futurs per a entendre millor el paper complex que desenvolupen els receptors beta-adrenèrgics en fisiologia.

Els lligands “caged” són certament eines moleculars valuoses, però presenten una limitació clara, i és la seva naturalesa irreversible; un cop la molècula bioactiva s'allibera fotolíticament, no és possible desactivar el compost. Per tal de produir lligands que permetin un control reversible dels receptors diana amb la llum, es van dissenyar, sintetitzar i caracteritzar fotoquímicament una sèrie de compostos basats en l’azobenzè (capítol 2). A més, es van explorar les propietats farmacològiques depenents de la llum dels Photoazolols 1-3 ( PZLs 1-3) in vitro contra dos subtipus de receptors beta-adrenèrgics diferents, β1-AR i β2-AR. Els resultats farmacològics obtinguts per a la primera sèrie de lligands fotocròmics van ser imprescindibles per al disseny de dos azobenzens addicionals que permetessin modular β1-AR de forma selectiva. Tots dos lligands, basats en l’estructura d'un azobenzè substituït en la posició para- (p-AB), mostraven bones propietats dependents de la llum i un excel·lent perfil de selectivitat sobre els receptors β1-AR. A més, es van realitzar assaigs in vivo amb larves de peix zebra.

Aquests experiments van destacar que la modulació cardíaca depenent de la llum es podia aconseguir quan les larves eren tractades amb p-AB 84 en diferents condicions d'il·luminació.

És important destacar que tots els lligands fotocròmics descrits al segon capítol d'aquesta tesi mostren longituds d'ona d'isomerització trans→cis dins del rang UV. Aquesta característica fotoquímica pot limitar les aplicacions de recerca de les molècules fotoactivables desenvolupades, tenint en compte que la llum ultraviolada és altament energètica i pot introduir problemes de seguretat a causa de la seva fototoxicitat. Això podria ser especialment problemàtic si els compostos desenvolupats es volguessin utilitzar en aplicacions terapèutiques. Per aquest motiu, vam desenvolupar azobenzens desplaçats al vermell que permetessin la modulació dels receptors β-AR amb l'aplicació de llum visible (capítol 3). Es van sintetitzar dues sèries d'aminoazobenzens (aABs) que es podien fotoisomeritzar de manera eficient mitjançant l’aplicació de llum visible. Les propietats fotofarmacològiques dels lligands desplaçats al vermell es van avaluar in vitro per als dos subtipus de receptor d’interès, β1-AR i β2-AR. Finalment, es van voler utilitzar els azobenzens desenvolupats per realitzar estudis estructurals sobre els β-AR. L'últim capítol d'aquesta tesi descriu la recerca realitzada durant una estada de 6 mesos al Paul Scherrer Institut (Suïssa), on es va establir un subprojecte conjunt amb el grup del Dr. Standfuss. Aquest subprojecte tenia com a objectiu cristal·litzar tant β1-AR com β2-AR, units a un dels compostos trans-on de la nostra biblioteca de lligands fotocròmics. Després de la cristal·lització, es pretenia realitzar experiments cristal·lografia de raigs X convencional utilitzant cristalls mantinguts en condicions de foscor i cristalls il·luminats amb una longitud d'ona adequada. Aquests estudis ens haguessin permès avaluar els canvis estructurals induïts per la llum en els nostres receptors diana. En primer lloc, es van optimitzar i establir protocols d'expressió i purificació del receptor per a diferents plàsmids de β1-AR i β2- AR. Finalment, es van establir probes de cristal·lització utilitzant proteïna purificada unida al compost PZL-1. Es van obtenir cristalls preliminars per la proteïna β1-AR ultraestable (US) unida al lligand fotocròmic. Tanmateix, no vam aconseguir obtenir cristalls amb la qualitat necessària per a realitzar experiments de cristal·lografia de raigs X. En resum, la present tesi informa d'una sèrie de noves eines fotofarmacològiques que permeten estudiar els receptors beta-adrenèrgics amb precisió espacio-temporal. S'han realitzat estudis in vitro, in vivo i estructurals utilitzant diferents molècules de la biblioteca de compostos desenvolupada per tal de demostrar les possibilitats que ofereixen els lligands descrits tant en aplicacions terapèutiques com de recerca.