Development of Novel Quinolone Amides Against the African Sleeping Sickness - A Fluorine Walk

• Main Author: Berninger, Michael
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2019
• Subjects: Trypanosomiase; Gyrasehemmer; Fluorverbindungen; ddc:547
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/17642; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-176428; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-176428; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/17642/Berninger_Michael_Fluorine_Walk.pdf

In recent years the transmission of the Human African Trypanosomiasis could be significantly reduced. The reported cases in 2016 reached a historic low level of 2184 cases and these achievements can be ascribed to intense control and surveillance programmes.118 However, most of the reported cases (>1000 in 2015) occurred in the Democratic Republic of the Congo and thus, need to be treated adequately. In particular, when the parasites have traversed the blood-brain barrier (BBB), treatment proved to be even more difficult. In addition, the number of cases always came in waves due to many reasons, e.g., development of resistances. Thus, it can be expected from experiences of the past that the number of cases will increase again. Hence, novel chemical entities are desperately needed in order to overcome the drawbacks which are associated with the current treatment options. Our drug discovery approach included an initial drug repurposing strategy combined with a phenotypic screening. S. Niedermeier found novel active compounds derived from commercial fluoroquinolones. The most promising hit compound was further developed by G. Hiltensperger resulting in the lead quinolone amide GHQ168 (IC50 = 0.047 µM). This doctoral thesis is about new insights into the SAR of the quinolone amides and the enhancement of the lead compound. Special consideration was given to the fluorine atom in the quinolone amides and how certain fluorine substitution patterns influence the antitrypanosomal activity, physicochemical properties and pharmacokinetics (i.e. ‘fluorine walk’). Moreover, the ability of the compound class crossing the BBB should be investigated. This feature is inevitable necessary in order to potentially treat African sleeping sickness stage II. The Gould-Jacobs protocol was predominantly used for the synthesis of the quinolone core. Since former SAR studies mainly concentrated on the variation in positions 1, 3 and 7, quinolone scaffolds (2a-i) with diverse substitution patterns regarding positions 5, 6, 7 and 8 were synthesised in this thesis. The resulting quinolone amides were evaluated for their antitrypanosomal activity. Voluminous residues in position C-5 resulted in diminished activities (compounds 13, 16 and 18) and solely small-sized moieties were tolerated. In particular the fluorine atom in position 5 revealed beneficial trypanocidal effects as shown for compounds 6 (IC50 = 0.05 µM), 8 (IC50 = 0.04 µM), and 24 (IC50 = 0.02 µM). Furthermore, having fluorine only in position 5 of the quinolone core could considerably reduce the cytotoxic effects (CC50 >100 µM, SI = >2000 for 6). Hence, the 5-fluoro-substituted quinolone amides were considered superior to GHQ168. Regarding the C-6 position all other moieties (e.g., H in 9, OCH3 in 10, CF3 in 12) except of a fluorine atom decreased the activity against Trypanosoma brucei brucei. A double fluorination in C-6 and C-8 was not beneficial (IC50 = 0.06 µM for 7) and a single fluorine atom in C-8 even showed a negative effect (IC50 = 0.79 µM for 5). The logP value is considered a surrogate parameter for lipophlicity and thus, affecting permeability and solubility processes. In particular the fluorine atom influences the lipophilicity due to versatile effects: Lipophilicity is increased by additional fluorine atoms on aromatic rings (7, 23) and reduced by fluorine atoms at an alkyl chain (49), respectively. Additionally, the 5-fluoro-substituted quinolone amides (6, 8, and 24) could prove the contrary effect of decreasing lipophilicity when the aromatic fluorine substituent is in vicinity to a carbonyl group. For the most promising drug candidates 6, 23, and 24 the respective metabolites and the metabolic turnover were investigated by C. Erk. In comparison to GHQ168 the hydroxylation of the benzylamide was prevented by the para-fluorine atom. Hence, half-life was extended for compound 23 (t1/2 = 6.4 h) and N-desalkylation was the predominant pathway. Moreover, the respective fluorine substitution pattern of the quinolone core affected the metabolism of compound 6. The 5-fluoro-substituted quinolone amide was less prone for biotransformation (t1/2 = 7.2 h) and half-life could even be further prolonged for compound 24 (t1/2 = 7.7 h). Due to the most appropriate safety profile of compound 6, this particular drug candidate was considered for in vivo study. Its poor solubility made a direct intraperitoneal administration unfeasible. Thus, an amorphous solid dispersion of 6 was generated using the spray-drying method according to the previous protocol. Unfortunately, the required solubility for the predicted in vivo study was not achieved. Furthermore, the compound class of the quinolone amide was evaluated for its ability for brain penetration. The methanesulfonyl precursor 48 was synthesised and subsequently radiofluorinated in the group of Prof. Dr. Samnick (Department of Nuclear Medicine, University Hospital of Würzburg). The labelled compound [18F]49 was administered to mice, and its distribution throughout the body was analysed using positron emission tomography and autoradiography, respectively. The autoradiography of the murine brains revealed medium to high concentrations of [18F]49. Therefore, the quinolone amides are generally suitable for treating Human African Trypanosomiasis stage II. A scaffold hopping approach was performed starting from the quinolone amides and concluding with the compound class of pyrazoloquinolin-3-ones. The intramolecular hydrogen bond between the sec. amide and the C-4 carbonyl moiety was replaced by a covalent bond. The two compound classes were comparable regarding the antitrypanosomal activity to some degree (IC50 = 7.9 µM (EK02) vs. 6.37 µM (53a)). However, a final evaluation of 59 was not possible due to poor solubility. === Die Verbreitung der Afrikanischen Schlafkrankheit konnte in den vergangenen Jahren deutlich verringert werden. Die dokumentierten Fallzahlen aus 2016 erreichten ein historisch niedriges Niveau, was auf eine engmaschige Kontrolle und Überwachung zurückzuführen ist. Dennoch gibt es nach wie vor zahlreiche Krankheitsfälle (>1000 Fälle im Jahr 2015 für die Demokratische Republik Kongo), die entsprechend behandelt werden müssen. Die Therapie wird insbesondere dann erschwert, wenn die Parasiten die Blut-Hirn-Schranke überwunden haben. Außerdem treten die Krankheitsfälle aus mehreren Gründen, wie beispielsweise durch Resistenzentwicklung immer wieder schubweise auf. Die Erfahrungen aus der Vergangenheit zeigen, dass die Fallzahlen jederzeit wieder ansteigen können. Deshalb sind neue Arzneistoffe dringend notwendig, um die Nachteile der aktuellen Behandlungmöglichkeiten umgehen zu können. Unsere Suche nach neuen Wirkstoffen beinhaltete eine anfängliche Umwidmung eines zugelassenen Arzneistoffes in Verbindung mit einem Phänotyp-basierten Screening. S. Niedermeier entdeckte neue aktive Verbindungen, die sich von handelsüblichen Fluorchinolonen ableiteteten. Die vielversprechenste Substanz wurde von G. Hiltensperger zum Chinolonamid GHQ168 (IC50 = 0.047 µM) weiter optimiert. Diese Arbeit befasst sich mit neuen Erkenntnissen zur Struktur-Wirkungs Beziehung der Chinolonamiden und mit der Verbesserung der Leitsubstanz. Besondere Berücksichtigung fanden dabei die Fluor-Substitutionen an den Chinolonamiden. Es sollte untersucht werden, inwiefern gewisse Fluorsubstitutionsmuster die antitrypanosomale Wirkung, physiko-chemische Eigenschaften und Pharmakokinetik beeinflussen („Fluor Walk“). Außerdem sollte ermittelt werden, ob diese Substanzklasse die Blut-Hirn-Schranke überwinden kann. Dieses Merkmal muss unabdingbar vorhanden sein, um die Afrikanische Schlafkrankheit in Stufe II potentiell behandeln zu können. Das Gould-Jacobs-Verfahren wurde hauptsächlich für die Synthese des Chinolongrundgerüstes angewandt. Da sich die vorausgegangene Analyse der Struktur-Wirkungs Beziehungen vornehmlich auf das Variieren der Substitutenten in den Positionen 1, 3 und 7 konzentrierte, wurden in dieser Arbeit Chinolone (2a-i) mit diversen Substitutionsmustern in den Positionen 5, 6, 7 und 8 synthetisiert. Die erhaltenen Chinolonamide wurden auf ihre antitrypanosomale Aktivität untersucht. Voluminöse Reste in der Position C-5 verursachten verringerte Aktivitäten (Verbindungen 13, 16 and 18), d.h. nur kleine Reste waren hinnehmbar. Vor allem ein Fluor-Atom in Position 5 wirkte sich günstig auf die antitrypanosomale Wirkung aus, was mit Verbindungen 6 (IC50 = 0.05 µM), 8 (IC50 = 0.04 µM), und 24 (IC50 = 0.02 µM) gezeigt werden konnte. Des Weiteren reduzierte sich die zytotoxische Wirkung (CC50 >100 µM, SI = >2000 für 6), wenn sich das Fluor-Atom nur in Position 5 des Chinolongrundgerüsts befindet. Deshalb wurden die Chinolonamide mit Fluor in Position 5 gegenüber GHQ168 als überlegen erachtet. In Bezug auf Position 6 zeigen die Reste (z. B. H in 9, OCH3 in 10, CF3 in 12), mit Ausnahme des Fluor-Atoms, eine verringerte Aktivität gegenüber Trypanosoma brucei brucei. Eine zweifache Fluorsubstitution in C-6 und C-8 war nicht vorteilhaft (IC50 = 0.06 µM für 7) und ein einfaches Fluor-Atom in C-8 zeigte einen negativen Effekt (IC50 = 0.79 µM für 5). Der logP Wert wird als Surrogatparameter der Lipophilie betrachtet und wirkt sich somit auf Permeabilität- und Löslichkeitsprozesse aus. Insbesondere das Fluor-Atom beeinflusst die Lipophilie durch vielfältige Effekte: die Lipophilie wird durch zusätzliche Fluor-Atome am Aromaten erhöht (7, 23), beziehungsweise durch Fluor-Atome an einer Alkylkette verringert (49). Zusätzlich konnte für die 5-fluoro-substituierten Chinolonamide (6, 8, 24) der paradoxe Effekt gezeigt werden, dass die Lipophilie verringert wird, sobald ein aromatischer Fluorsubstituent in unmittelbarer Nähe zu einer Carbonylgruppe steht. Für die vielversprechensten Wirkstoffkandidaten 6, 23 und 24 wurden die jeweiligen Metabolite und der metabolische Umsatz von C. Erk untersucht. Im Vergleich zu GHQ168 wurde einer Hydroxylierung des Benzylamid-Restes durch eine para-Fluor-Substitution vorgebeugt. Dadurch wurde die Halbwertszeit der Verbindung 23 verlängert (t1/2 = 6.4 h) und eine N-Desalkylierung war der vorrangige Abbauweg. Außerdem wirkte sich das entsprechende Fluorsubstitutionsmuster auf den Metabolismus von Substanz 6 aus. Das 5-fluoro-substitutierte Chinolonamid war weniger anfällig für Biotransformationen (t1/2 = 7.2 h) und die Halbwertszeit konnte für die Substanz 24 sogar noch weiter verlängert werden (t1/2 = 7.7 h). Aufgrund des geeigneten Sicherheitsprofils der Verbindung 6, wurde für diesen Wirkstoffkandidaten eine In-vivo-Studie in Betracht gezogen. Die schlechte Wasserlöslichkeit machte jedoch eine direkte intraperitoneale Gabe unpraktikabel. Deshalb wurde durch Sprühtrocknung der Verbindung 6, gemäß der früheren Vorgehensweise, eine „amorphous solid dispersion“ erzeugt. Die benötigte Löslichkeit für die vorausberechnete In-vivo-Studie wurde dabei leider nicht erreicht. Darüber hinaus wurde die Substanzklasse der Chinolonamide hinsichtlich ihrer Fähigkeit, ins Gehirn zu gelangen, untersucht. Dazu wurde die Methansulfonyl-Vorstufe 48 in der Gruppe von Prof. Dr. Samnick (Institut für Nuklearmedizin, Universitätsklink Würzburg) synthetisiert und mit [18F]Fluor markiert. Die markierte Verbindung [18F]49 wurde anschließend in Mäuse injiziert und dessen Verteilung im Körper mittels Positronen-Emissions-Tomographie, beziehungsweise mittels Autoradiographie analysiert. Die Autoradiographie der Mäusegehirne zeigte mittlere bis hohe Konzentrationen von [18F]49. Demnach sind die Chinolonamide generell dafür geeignet, die Afrikanische Schlafkrankheit in Stufe II zu behandeln. Ein “Scaffold Hopping”-Ansatz wurde für die Chinolonamide angestrebt und ergab schließlich die Substanzklasse der Pyrazolochinolin-3-one. Die intramolekulare Wasserstoffbrückenbindung zwischen dem sek. Amid und der Carbonylgruppe in C-4 wurde durch eine kovalente Bindung ersetzt. Die beiden Substanzklassen waren im Ansatz, bezogen auf ihre antitrypanosomale Wirkung, miteinander vergleichbar (IC50 = 7.9 µM (EK02) vs. 6.37 µM (53a)). Dennoch konnte eine abschließende Bewertung aufgrund mangelnder Löslichkeit nicht stattfinden.