New molecular systems for biomedical imaging and biological receptors modulation

Abstract

Aquesta tesi explora el disseny, síntesi i caracterització de nous sistemes moleculars per a la imatge biomèdica i la modulació de receptors biològics, amb l’objectiu de crear eines i teràpies innovadores en els camps de la medicina i la biotecnologia. Està dividida en dues parts principals: sistemes per a la imatge biomèdica i modulació de receptors cannabinoides. La Part I es centra en la síntesi de compostos que aprofiten les propietats úniques de l’estructura de ciclobutà per millorar el seu rendiment i funcionalitat. Al capítol I, γ,γ-Peptidomimètics híbrids com a pèptids penetrants en mitocòndries. La mitocòndria és un orgànul clau implicat en malalties com la diabetis, el càncer i els trastorns cardiovasculars, fet que la converteix en objectiu terapèutic crucial. Es van dissenyar peptidomimètics que imiten l’activitat natural dels pèptids, millorant la seva estabilitat i biodisponibilitat, utilitzant un aminoàcid γ-ciclobutànic i una cis- o trans-γ-amino-L-prolina per formar un pèptid híbrid tetradecamèric. Aquests compostos es van combinar amb compostos fluorescents com la carboxifluoresceïna i el SNARF-1 per avaluar la seva capacitat de penetrar en les mitocòndries, monitoritzar el pH mitocondrial i rastrejar-ne la dinàmica. En el capítol II d’aqueta part, nous lligands bifuncionals per a imatge PET amb 64Cu i 68Ga van ser preparats. La tomografia per emissió de positrons (PET) és una tècnica d’imatge quantitativa i altament sensible que s’utilitza cada cop més en el diagnòstic mèdic. Tot i que el 18F és l’isòtop estàndard, les seves limitacions de producció i la seva curta vida mitjana requereixen alternatives com el 64Cu i el 68Ga, que ofereixen vides mitjanes més llargues i un sistema de producció més accessible. Es van dissenyar lligands bifuncionals basats en ciclobutà per quelatar eficientment aquests radiometalls, demostrant el seu potencial com a agents de contrast per a PET. La Part II es centra en la síntesi de derivats de cannabidivarin (CBDV) per interactuar amb el receptor cannabinoide 2 (CB2R) com a moduladors al·lostèrics positius (PAMs), millorant la especificitat i reduint els efectes secundaris associats a l’activació del receptor cannabinoide 1 (CB1R). En el capítol III, lligands bitòpics dirigits als llocs d'unió al·lostèrics i metastables del CB2R van ser dissenyats. El CB2R és un objectiu terapèutic prometedor gràcies a la seva expressió selectiva en cèl·lules immunitàries i la seva presència limitada al sistema nerviós central, fet que permet tractaments antiinflamatoris i per al dolor neuropàtic sense efectes psicoactius. Els lligands bitòpics, que s’uneixen simultàniament a llocs ortostèrics i al·lostèrics, milloren l’afinitat i la selectivitat. El descobriment de llocs d’unió anomentats metaestables al CB2R va proporcionar informació clau sobre com aquests lligands indueixen canvis conformacionals per modular la resposta del receptor. Es van dissenyar i sintetitzar diversos lligands bitòpics per aconseguir una modulació al·lostèrica positiva millorada mitjançant la interacció amb els llocs d’unió allostèric i metaestable. Al capítol IV, lligands que contenen halògens i tioèters dirigits al lloc d'unió al·lostèric del CB2R van ser obtinguts. Els residus clau, coneguts com a “interruptors d’activació” (Phe1173.36 i Trp2586.48), són essencials per a l’activació del CB2R. A diferència del CB1R, l’activació del CB2R està principalment impulsada per la interacció amb el residu Trp2586.48. Els lligands dissenyats per interactuar selectivament amb aquest residu van demostrar una alta especificitat per al CB2R, minimitzant els efectes secundaris relacionats amb el CB1R. Basant-se en aquest coneixement, es van sintetitzar diversos lligands que contenen halògens i tioèters dirigits al lloc d’unió al·lostèric del CB2R. Aquests lligands al·lostèrics aprofiten les funcionalitats d’halògens i tioèters per millorar les propietats d’unió i actuar com a PAMs efectius.

Esta tesis explora el diseño, síntesis y caracterización de nuevos sistemas moleculares para la imagen biomédica y la modulación de receptores biológicos, con el objetivo de crear herramientas y terapias innovadoras en los campos de la medicina y la biotecnología. Se divide en dos partes principales: sistemas para la imagen biomédica y la modulación de receptores cannabinoides. La Parte I se centra en la síntesis de compuestos que aprovechan las propiedades únicas de la estructura de ciclobutano para mejorar su rendimiento y funcionalidad. En el capítulo I se prepararon y estudiaron γ,γ-peptidomiméticos híbridos como péptidos penetrantes en mitocondrias. La mitocondria es un orgánulo clave implicado en enfermedades como la diabetes, el cáncer y los trastornos cardiovasculares, lo que la convierte en objetivo terapéutico crítico. Se diseñaron peptidomiméticos que imitan la actividad de los péptidos naturales, mejorando su estabilidad y biodisponibilidad, utilizando un aminoácido γ ciclobutánico y una cis- o trans-γ-amino-L-prolina para formar un péptido híbrido tetradecamérico. Estos compuestos se combinaron con moléculas fluorescentes como la carboxifluoresceína y el SNARF-1 para evaluar su capacidad de penetrar en las mitocondrias, monitorear el pH mitocondrial y rastrear su dinámica. En el capítulo II de esta parte, nuevos ligandos bifuncionales para imagen PET con 64Cu y 68Ga fueron preparados. La tomografía por emisión de positrones (PET) es una técnica de imagen cuantitativa y altamente sensible que se utiliza cada vez más en el diagnóstico médico. Aunque el 18F es el isótopo estándar, sus limitaciones de producción y corta vida media requieren alternativas como el 64Cu y el 68Ga, que ofrecen vidas medias más largas y un sistema de producción más accesible. Se diseñaron ligandos bifuncionales basados en ciclobutano para quelatar eficientemente estos radiometales, mostrando su potencial como agentes de contraste para PET. La Parte II se centra en la síntesis de derivados de cannabidivarina (CBDV) para interactuar con el receptor cannabinoide 2 (CB2R) como moduladores alostéricos positivos (PAMs), mejorando la especificidad y reduciendo los efectos secundarios asociados con la activación del receptor cannabinoide 1 (CB1R). En el capítulo III, ligandos bitópicos dirigidos a los sitios de unión alostéricos y metastables de CB2R fueron diseñados. El CB2R es un objetivo terapéutico prometedor debido a su expresión selectiva en células inmunes y su presencia limitada en el sistema nervioso central, lo que permite tratamientos antiinflamatorios y para el dolor neuropático sin efectos psicoactivos. Los ligandos bitópicos, que se unen simultáneamente a sitios ortostéricos y alostéricos, mejoran la afinidad y la selectividad. El descubrimiento de lugares de unión llamados metastables en el CB2R proporcionó información clave sobre cómo estos ligandos inducen cambios conformacionales para modular la respuesta del receptor. Con el objectivo de interactuar con el lugar de unión alostérico y metaestable, varios ligandos bitópicos fueron diseñados y sintetizados para lograr una modulación alostérica positiva mejorada. En el capítulo IV, ligandos que contienen halógenos o tioéteres dirigidos al sitio de unión alostérico de CB2R fueron preparados. Los residuos clave, conocidos como "interruptores de activación" (Phe1173.36 y Trp2586.48), son esenciales para la activación de CB2R. A diferencia del CB1R, la activación del CB2R está principalmente impulsada por la interacción con el residuo Trp2586.48. Los ligandos diseñados para interactuar selectivamente con este residuo demostraron una alta especificidad para el CB2R, minimizando los efectos secundarios relacionados con el CB1R. Basándose en este conocimiento, se sintetizaron diversos ligandos que contienen halógenos y tioéteres dirigidos al sitio de unión alostérico del CB2R. Estos ligandos alostéricos aprovechan las funcionalidades de halógenos y tioéteres para mejorar las propiedades de unión y actuar como PAMs efectivos.

This thesis explores the design, synthesis, and characterisation of novel molecular systems for biomedical imaging and biological receptor modulation, with the aim of creating innovative tools and therapies in medicine and biotechnology. It is divided into two main parts: systems for biomedical imaging and cannabinoid receptor modulation. Part I focuses on synthesising compounds that leverage the unique properties of the cyclobutane structure to enhance their performance and functionality. In chapter one, hybrid γ,γ-peptidomimetics were prepared and studied as mitochondria penetrating peptides. Mitochondria are key organelles implicated in diseases like diabetes, cancer, and cardiovascular disorders, making them critical therapeutic targets. Peptidomimetics, which mimic natural peptide activity while improving stability and bioavailability, were designed using a γ-cyclobutane amino acid and cis- and trans-γ-amino-L-proline to form a tetradecamer hybrid peptide. These were coupled with carboxyfluorescein and SNARF-1 probes to evaluate their ability to penetrate mitochondria, monitor mitochondrial pH, and track mitochondrial dynamics. In the second chapter of this part, novel bifunctional ligands for PET imaging with 64Cu and 68Ga were prepared. PET is a sensitive and quantitative imaging technique increasingly used in medical diagnostics. While 18F is the standard isotope, its short half-life and production limitations necessitate alternatives like 64Cu and 68Ga, which offer longer half-lives and easier production. Cyclobutane-based bifunctional ligands were designed to efficiently chelate these radiometals, demonstrating potential as PET contrast agents. Part II focuses on synthesising cannabidivarin (CBDV) derivatives to interact with cannabinoid receptor 2 (CB2R) as positive allosteric modulators (PAMs), enhancing specificity and reducing side effects linked to cannabinoid receptor 1 (CB1R) activation. In chapter III, bitopic ligands targeting allosteric and metastable CB2R binding sites were designed. CB2R is a promising therapeutic target due to its selective expression in immune cells and limited presence in the central nervous system, enabling non-psychoactive anti-inflammatory and neuropathic pain treatments. Bitopic ligands, which simultaneously bind orthosteric and allosteric sites, enhance affinity and selectivity. The discovery of metastable CB2R binding pockets provided insights into how these ligands induce conformational changes to modulate receptor responses. By targeting both the allosteric and vestibule binding sites, several bitopic ligands were designed and synthesised to achieve enhanced positive allosteric modulation. In chapter IV, halogen- and thioether-containing ligands targeting the allosteric CB2R binding site were prepared. Key residues, known as toggle switches (Phe1173.36 and Trp2586.48), are critical for CB2R activation. Unlike CB1R, CB2R activation is primarily driven by interaction with the Trp2586.48 residue. Ligands designed to selectively interact with this residue demonstrated high specificity for CB2R, minimising CB1R-related side effects. Based on this knowledge, various halogen- and thioether-containing ligands targeting the allosteric CB2R binding site are synthesised. These allosteric ligands exploit halogen and thioether functionalities to enhance binding properties and act as effective PAMs.