Novel amidine-class beta-site amyloid precursor protein cleaving enzyme 1 (bace1) inhibitors for the treatment of alzheimer's disease

Resumen

El Alzheimer es una enfermedad neurodegenerativa caracterizada clínicamente por un progresivo declive cognitivo. En la actualidad, es considerada como el tipo de demencia más común entre los ancianos, llegando a afectar a más de 25 millones de personas en todo el mundo. Debido a que la edad es el principal factor de riesgo, la prevalencia de esta enfermedad se espera que aumente significativamente en las próximas décadas. Sin embargo, hasta la fecha, no hay tratamientos capaces de curar o alterar la progresión de la enfermedad. La patología del Alzheimer está asociada a dos tipos de depósitos proteicos insolubles: las placas extracelulares de péptido β-amiloide (Aβ) y los ovillos intraneuronales de proteína tau hiperfosforilada. Después de comprobar que la escisión de la proteína precursora del amiloide (APP) mediada por la enzima β-secretasa (BACE1) es el paso limitante en la producción de los péptidos Aβ, esta enzima se ha convertido en la diana terapéutica de elección para el tratamiento del Alzheimer. Sin embargo, después de más de 15 años de investigación, BACE1 ha demostrado ser una diana excepcionalmente difícil para la que encontrar inhibidores que combinen óptimas propiedades drug-like y una adecuada farmacocinética sigue siendo un reto. Recientemente se ha descubierto que, de entre todas las clases de inhibidores de BACE1 no-peptidomiméticos, los heterociclos de amidina o guanidina establecen una red óptima de enlaces de hidrógeno con los aspartatos catalíticos de la enzima. En el primer capítulo de este proyecto llevado a cabo entre los laboratorios de Janssen (Pharmaceutical Companies of Johnson & Johnson) y la Universidad CEU San Pablo, se presenta la síntesis y evaluación biológica de series de acilguanidinas cíclicas de 5 a 8 miembros para estudiar la relación que existe entre el tamaño del esqueleto central y la actividad como inhibidores de BACE1. En este caso se observó que se mantenía siempre el mismo orden: los ciclos de 6 eran los más potentes (llegando a IC50 de 1.09 nM en el ensayo enzimático y 0.29 nM en el celular), seguido de los anillos de 7, de 5 y finalmente los de 8. Además, se aprovecharon los cálculos de Free Energy Pertubation (FEP+) para predecir con precisión las afinidades entre la proteína y los distintos ligandos, permitiéndonos así la racionalización de los datos experimentales. Asimismo, consideramos que era una oportunidad extremadamente interesante para investigar el impacto que el tamaño del esqueleto central tiene con respecto a la selectividad frente a BACE2 (la enzima homóloga más cercana a BACE1), ya que hoy en día éste es uno de los mayores retos a la hora de diseñar nuevos inhibidores de BACE1. Los datos sugieren que cuanto mayor es la longitud del grupo unido a la posición 5 de la piridina o pirazina, mayor selectividad se consigue debido a cambios inducidos en el loop 10s de la enzima, llegando a alcanzarse hasta 87 veces más de selectividad por BACE1 que por BACE2. Estos datos experimentales se están comprobando actualmente mediante dinámicas moleculares y cálculos de FEP. Además, otra propiedad que se debe monitorizar a la hora de diseñar inhibidores de BACE1 es la basicidad de la función amidina, ya que el control de este parámetro es crítico no sólo para conseguir una interacción adecuada con los aspartatos catalíticos sino también para mejorar la penetración central. El pKa de la amidina puede modularse mediante la introducción de grupos electroatractores en el esqueleto central, que también ejercen un marcado efecto sobre las propiedades fisicoquímicas de las moléculas. En el segundo capítulo de esta tesis, se expone el diseño, la síntesis y la evaluación biológica de series de (±)-(2S,3R)-3-(trifluorometil)-3,4-dihidropirrol-5-aminas como potentes inhibidores de BACE1. Estos compuestos se pudieron sintetizar gracias a la optimización de unas novedosas condiciones de reacción para llevar a cabo una reacción tandem de adición de Michael y posterior ciclación.1 Además, se sintetizó también una nueva familia de (±)-(3S,3’R)-3’-(trifluorometil)espiro[2H-benzofuran-3,2’-3’,4’-dihidropirrol]-5’-aminas. Se utilizaron estudios de docking y FEP para optimizar la estructura de estos espirociclos y mejorar significantemente su potencia. Por último, se propuso una tercera línea de investigación en la que continuamos con el interés de Janssen por las pirazolopiperacinas. La mayoría de los compuestos de esta clase contienen un nitrógeno en alguna de las posiciones puente, habiéndose explorado muy poco los cabezas de serie que tienen átomos de carbono en dichas posiciones. Por ello, nos embarcamos en el diseño y síntesis de nuevas series de derivados de 3-metil-4,5-dihidropirazolo[3,4-c]piridin-7-amina, además de la exploración de sutiles modificaciones en el anillo de pirazol para generar relaciones de estructura-actividad. En estas series se obtuvieron compuestos con potencias de hasta IC50 de 3 nM en el ensayo enzimático y 132 veces más selectivos por BACE1 que por BACE2. En conclusión, en esta tesis se describe la síntesis de ocho nuevas series de inhibidores de BACE1 de tipo amidínico, centrando nuestros esfuerzos en el diseño y optimización de las nuevas moléculas para guiar futuras síntesis hacia compuestos más potentes y selectivos.