Nous ciclitols com a inhibidors de la glucocerebrosidasa. Aplicació al disseny de xaperones farmacològiques per al tractament de la malaltia de Gaucher

Abstract

Els malalts de Gaucher manquen de l’activitat normal de l’enzim lisosomal Glucocerebrosidasa (GCase), una β–glucosidasa que hidrolitza l’enllaç glicosídic entre la glucosa i la ceramida, i són incapaços de metabolitzar la Glucosilceramida, que s’acumula a l’interior dels lisosomes dels macròfags impedint que aquests funcionin correctament. La presència de mutacions en el gen precursor de la GCase provoca un plegament incorrecte de la proteïna en el recicle endoplasmàtic i impedeixen el seu transport al lisosoma on hidrolitza el substrat i, per tant, aquest últim s’acumula en els lisosomes. Per altra banda, la proteïna es degradada en el mateix reticle endoplasmàtic o en l’aparell de Golgi pels proteasomes. Els tractaments actuals per a aquesta malaltia es basen en la inhibició de la producció de substrat utilitzant inhibidors de l’enzim implicat en la seva biosíntesi o en l’augment de l’enzim mitjançant reemplaçament enzimàtic. Durant els últims anys s’han desenvolupat diverses estratègies terapèutiques per a la malaltia de Gaucher. Entre elles, una que ha despertat un gran interès consisteix en el disseny de xaperones farmacològiques, que són inhibidors competitius de l’enzim que, a concentracions subinhibitòries, s’uneixen a l’enzim mutant per a formar un complex que l’estabilitza, facilita el seu correcte plegament i posterior transport al lisosoma, resultant en un augment de l’activitat enzimàtica i una reducció del substrat acumulat.

A partir de treballs previs en el nostre grup d’investigació en els que s’han obtingut una sèrie d’aminociclitols que es comporten com a inhibidors selectius de la GCase recombinant (imiglucerasa), en aquesta tesi s’ha treballat en el disseny i síntesi de nous potencials inhibidors de la GCase que actuïn com a xaperones farmacològiques, especialment sobre variants neuronopàtiques. Per aquestes raons, els objectius i l’estructuració del treball van ser els següents: 1) Síntesi dels epòxids ciclofelitol i (1R,6S)-epi-ciclofelitol i avaluació com a inhibidors irreversibles de la imiglucerasa i la β–glucosidasa d’Streptomyces sp. wt. 2) Síntesi d’una família d’aminociclitols C7N, relacionats estructuralment amb la Glucosilceramida, el substrat natural de la GCase. 3) Síntesi de noves sèries d’amino- i diaminociclitols, realitzant modificacions en la configuració d’alguns centres de l’anell de ciclitol i en la naturalesa dels substituents. 3) Disseny i síntesi d’una nova família de ciclitols amb estructura bicíclica formats per un anell polihidroxilat de 6 baules fusionat amb una isourea o una guanidina cíclica de 5 baules. Es va estudiar la importància que té la configuració dels centres en l’activitat inhibidora de la GCase.

S’han fet una sèrie d’estudis biològics amb tots els productes sintetitzats. Alguns dels productes van presentar una elevada potència inhibidora de la GCase, tant d’aquest enzim en fibroblasts wild-type com de la imiglucerasa, amb valors de la Ki de l’ordre nanomolar i no van presentar una inhibició destacable sobre altres glicosidases. Després de comprovar que els compostos, que havien resultat ser potents inhibidors de la imiglucerasa, estabilitzen l’activitat d’aquest enzim en condicions de desnaturalització tèrmica, es va estudiar el potencial d’aquests compostos com a xaperones farmacològiques de la GCase amb la col•laboració del Dr. Terry D. Butters. Quan es van tractar els limfoblasts de malalts de Gaucher de les variants N370S o L444P amb alguns dels compostos a concentracions subinhibitòries, es van obtenir augments de l’activitat de la GCase en les cèl•lules tractades respecte a les cèl•lules no tractades. Les concentracions efectives dels compostos en aquest augment són de l’ordre micromolar, nanomolar o fins i tot subnanomolar. Dels resultats obtinguts es pot deduir que, a més de l’alta afinitat per la GCase, alguns compostos presenten la permeabilitat cel•lular, distribució subcel•lular i metabolisme cel•lular adequats per actuar com a xaperones farmacològiques a concentracions molt baixes, de l’ordre nanomolar o inferior.

Gaucher disease (GD) is the most prevalent lysosomal storage disorder caused by a deficiency in the activity of β–glucocerebrosidase (GCase), the lysosomal enzyme responsible for glucosylceramide metabolism into glucose and ceramide. GCase deficiency results in the accumulation of undegraded substrate in the lysosomes of macrophages causing severe symptoms. Approved treatments for GD include enzyme replacement therapy and pharmacological GCase substrate reduction, which are of limited efficacy for disease variants affecting the central nervous system. Recently, a third promising therapeutic option, the pharmacological chaperone therapy, has emerged. This therapy is based on the use of reversible competitive GCase inhibitors that are capable of enhancing its residual hydrolytic activity at sub-inhibitory concentrations by stabilizing the functional form of the misfolded protein and preventing its premature degradation in the endoplasmic reticulum. This improves enzyme trafficking to the lysosome and enhances its hydrolytic activity.

The objectives of this thesis were: 1) The synthesis of (i) epoxides cyclophellitol and (1R,6S)- epicyclophellitol, (ii) C7N aminocyclitols derivatives, (iii) new amino- and diaminocyclitol derivatives, and (iv) polyhydroxylated bicyclic isoureas and guanidines. 2) Evaluation of these compounds as inhibitors of recombinant GCase and other glycosidases. Study the effect of the active compounds on the stabilization of recombinant GCase activity against thermal denaturation, to assess the potential of these compounds as pharmacological chaperones (PC). 3) Evaluation of selected compounds as inhibitors of GCase in wild-type human fibroblasts and exploration of the therapeutical potential as PC in human lymphoblasts derived from Gaucher patients homozygous for N370S or L444P variants.

When assayed for effects on GCase activity, some of the compounds displayed selective inhibition of GCase with low micromolar to nanomolar IC50’s in isolated enzyme experiments. Interestingly, the active compounds also behaved as GCase inhibitors in wild-type human fibroblasts at nanomolar concentrations. The potential of these compounds as PC was determined by analyzing their capacity for increasing GCase activity in GD lymphoblasts derived from N370S and L444P variants. Some of the compounds are able to increase the GCase activity at low micromolar to subnanomolar concentrations. These results describe a promising series of potent GCase ligands having the cellular properties required for PC.