Addressing Alzheimer's disease through innovative mechanisms

Abstract

[eng] Alzheimer’s disease (AD) remains a major unmet medical need, with no effective disease- modifying treatments available despite decades of research and a growing socioeconomic burden associated with its increasing prevalence. This Thesis addresses AD by exploring innovative therapeutic strategies, including new combinations of biological targets as well as underexplored targets. Firstly, a new family of dual soluble epoxide hydrolase (sEH) and acetylcholinesterase inhibitors was developed. This target combination should lead to increased cognition and memory, as well as synergistic effects against the characteristic neuroinflammation of AD brains. A potent second-generation lead compound was identified, which overcame the metabolic and pharmacokinetic limitations of the first-generation lead and showed favourable physicochemical properties and in vitro pharmacokinetic and safety profile. Furthermore, it demonstrated efficacy in a mouse model of AD with enhancement of cognition and memory and reduction of several disease biomarkers, emerging as a promising drug candidate. Secondly, a novel family of small-molecule dual inhibitors of sEH and glutaminyl cyclase endowed with a high degree of structural diversity was developed, aiming to obtain disease-modifying effects by targeting neuroinflammation and beta-amyloid peptide pathologies, which are key hallmarks of AD pathological network. Its in vitro profiling led to the identification of a lead compound, which showed inhibitory activity in the nanomolar range for both targets, as well as good aqueous solubility, brain permeability, metabolic stability and an adequate safety profile. The selected compound also exhibited favourable biodistribution and safety profiles in mice, with demonstrated brain exposure and a relatively high maximum tolerated dose, as well as promising effects in a first proof of concept in a mouse model of AD (hQC x hAPP mice). The lead compound is currently undergoing additional in vivo efficacy studies in two different AD mouse models (5xFAD and SAMP8) with an adjusted dose aiming to prove its efficacy. Thirdly, the underexplored phosphatase domain of sEH, which has been related with cholesterol metabolism and might play a role in AD, has been also investigated, by the development of brain permeable compounds that selectively inhibit the phosphatase activity of the enzyme, without altering the hydrolase activity. Thus, the use of these novel compounds in additional studies will enable further exploration of the implication of this target in AD pathogenesis. Finally, the amyloidogenic Tar DNA-binding Protein 43 (TDP-43) has been addressed, due to its implication in over half of AD cases and considering the lack of drugs that directly target the protein, with two approaches: 1) a fast and unexpensive in vitro assay has been set up to facilitate the identification of TDP-43 aggregation inhibitors; 2) biophysical methods, namely surface plasmon resonance and differential scanning fluorimetry, have allowed the identification of a promising protein ligand, that will be used as the starting point for the design and optimisation of proteolysis targeting chimeras aiming to degrade TDP-43.

[cat] La malaltia d’Alzheimer continua sent una gran necessitat mèdica no coberta, ja que no existeixen tractaments modificadors de la malaltia efectius, i la seva prevalença creixent comporta una càrrega socioeconòmica cada cop més elevada. Aquesta tesi aborda la malaltia d’Alzheimer explorant estratègies terapèutiques innovadores, incloent-hi noves combinacions de dianes biològiques, així com dianes poc estudiades. En primer lloc, s’ha desenvolupat una nova família d’inhibidors duals de la hidrolasa d’epòxids soluble (sEH) i l’acetilcolinesterasa. Aquesta combinació de dianes hauria de millorar la cognició i la memòria, a més de produir efectes sinèrgics contra la neuroinflamació característica dels cervells amb Alzheimer. S’ha identificat un lead de segona generació potent, que ha superat les limitacions metabòliques i farmacocinètiques del lead de primera generació i ha mostrat propietats fisicoquímiques favorables, així com un perfil farmacocinètic i de seguretat in vitro adequat. A més, ha demostrat eficàcia en un model de ratolí de la malaltia, amb una millora de la cognició i la memòria, i una reducció de diversos biomarcadors de la malaltia, emergint com un candidat a fàrmac prometedor. En segon lloc, s’ha desenvolupat una nova família d’inhibidors duals de sEH i glutaminil ciclasa de molècula petita, amb un alt grau de diversitat estructural, amb l’objectiu d’obtenir efectes modificadors de la malaltia dirigint-se a la neuroinflamació i a les patologies del pèptid beta-amiloide, que són trets clau de la xarxa patològica de l’Alzheimer. El seu perfil in vitro ha permès identificar un lead, que ha mostrat activitat inhibidora en el rang nanomolar per a ambdues dianes, així com bona solubilitat aquosa, permeabilitat cerebral, estabilitat metabòlica i un perfil de seguretat adequat. El compost seleccionat també ha demostrat perfils favorables de biodistribució i seguretat en ratolins, amb exposició cerebral demostrada i una dosi màxima tolerada relativament alta, així com efectes prometedors en una primera prova de concepte en un model de ratolí de la malaltia (ratolins hQC x hAPP). Actualment, el lead està sent sotmès a estudis addicionals d’eficàcia in vivo en dos models murins d’Alzheimer diferents (5xFAD i SAMP8) amb una dosi ajustada per provar la seva eficàcia. En tercer lloc, també s’ha investigat el domini fosfatasa poc estudiat de sEH, que s’ha relacionat amb el metabolisme del colesterol i podria jugar un paper en la malaltia, mitjançant el desenvolupament de compostos permeables al cervell que inhibeixen selectivament l’activitat fosfatasa de l’enzim, sense alterar- ne l’activitat hidrolasa. Així, l’ús d’aquests compostos innovadors en estudis addicionals permetrà explorar més a fons la implicació d’aquesta diana en la patogènesi de l’Alzheimer. Finalment, s’ha abordat la proteïna amiloidogènica Tar DNA-binding Protein 43 (TDP-43), a causa de la seva implicació en més de la meitat dels casos d’Alzheimer i considerant la manca de fàrmacs que es dirigeixin directament a aquesta proteïna, amb dues aproximacions: 1) s’ha establert un assaig in vitro ràpid i econòmic per facilitar la identificació d’inhibidors de l’agregació de TDP-43; 2) mitjançant mètodes biofísics s’ha identificat un lligand prometedor per a la proteïna, que es farà servir com a punt de partida per al disseny i optimització de compostos dirigits a la proteòlisi amb l’objectiu de degradar la proteïna i reduir-ne els seus nivells.