Synthesis of Tetrahydrocarbazoles: In search of new anti-TB chemotherapy

Henri-Philippe Mattelaer
Synthesis of tetrahydrocarbazoles        In search of new anti-TB chemotherapyDe epidemie raast verderTuberculose (tbc) is terug van nooit weggeweest; in 1993 werd het door de World Health Organisation uitgeroepen tot een globaal noodgeval. Het is nog steeds de op één na dodelijkste infectieziekte (na AIDS), waarbij vooral de jonge laag van de maatschappij getroffen wordt. De bacterie in kwestie, Mycobacterium tuberculosis, is moeilijk uit te roeien wegens het enorme reservoir van mensen met een volhardende, latente tbc infectie (ongeveer 1/3 van de wereldbevolking).

Synthesis of Tetrahydrocarbazoles: In search of new anti-TB chemotherapy

Synthesis of tetrahydrocarbazoles

        In search of new anti-TB chemotherapy

De epidemie raast verder

Tuberculose (tbc) is terug van nooit weggeweest; in 1993 werd het door de World Health Organisation uitgeroepen tot een globaal noodgeval. Het is nog steeds de op één na dodelijkste infectieziekte (na AIDS), waarbij vooral de jonge laag van de maatschappij getroffen wordt. De bacterie in kwestie, Mycobacterium tuberculosis, is moeilijk uit te roeien wegens het enorme reservoir van mensen met een volhardende, latente tbc infectie (ongeveer 1/3 van de wereldbevolking). Factoren zoals migratie en sociale ongelijkheid maken het er niet makkelijker op. Deze ziekte is voor meer dan 40 jaar aan onze aandacht ontsnapt door onze eigen hoogmoed. Intensief onderzoek leidde tot efficiënte therapieën die het voorkomen van tbc drastisch verlaagde in de ontwikkelde landen, maar dit weerhield M. tuberculosis niet van hard toe te slaan in de ontwikkelingslanden door het gebrek aan gezondheidszorg, ondervoeding en de recente HIV pandemie.

De familie van Mycobacteriaceae, waartoe M. tuberculosis behoort, is een verzameling bacillen gekenmerkt door een zeer hoge inherente resistentie (tegen oa. geneesmiddelen) en persistentie. Om tuberculose te behandelen is dus momenteel een zware, lange therapie (tot 2 jaar lang naargelang de complicaties) nodig. Deze kent veel nevenwerkingen door de lange duur en het aantal geneesmiddelen dat men moet nemen (in sommige gevallen zelfs 4 of meer!!). Deze nachtmerrie op het vlak van therapietrouw achtervolgt ons nu met de opkomst van resistente stammen van tbc, waarvoor we onze toevlucht moeten nemen tot steeds gevaarlijkere producten.

Niet veel nieuws onder de zon! Of toch wel?

Het huidig ontwikkelingsvooruitzicht voor nieuwe antimycobacteriële middelen is bijzonder mager. Zo worden oude geneesmiddelen (bv. fluorochinolonen) met gekende activiteit nu getest voor tuberculose als nieuwe indicatie. Verder worden nieuwe stoffen ontwikkeld vanuit bestaande medicaties (bv. metronidazole, linezolid) in de hoop ze voorbij de weinig permeabele celwand van M.tuberculosis te krijgen.

Maar de ontdekking van een nieuwe manier om de synthese van thymidine - één van de vier DNA bouwstenen - te inhiberen, biedt ons nieuwe aangrijpingspunten voor de ontwikkeling van nieuwe antibiotica. Centraal hier is het flavine afhankelijk thymidylaat synthase (FDTS). Dit enzyme is aanwezig in verscheidene organismen inclusief enkele menselijke ziekteverwekkers zoals S. typhi, B. anthracis en M. tuberculosis. Daarbovenop werd er aangetoond dat FDTS noodzakelijk is voor optimale groei zelfs in micro-organismen die zowel FDTS als het klassieke, oa bij de mens voorkomende, thymidylate synthase (classical TS) gebruiken. De eerste vergelijkende structurele studies gaven voldoende aanwijzingen over de structurele en mechanische verschillen, om FDTS te poneren als veelbelovend nieuw en selectief doelwit.

Het is daarom dat het labo van Medicinale Chemie zich inzet in een multidisciplinair onderzoek naar de ontwikkeling van antibiotica gebaseerd op de inhibitie van FDTS. Moleculen met geringe activiteit, ontdekt door het testen van grote verzamelingen van molecuulbibliotheken, worden ingezet voor verdere opheldering van de structuur en het werkingsmechanisme van FDTS. Dit laat toe de gevonden moleculaire structuren gericht aan te passen aan de noden van nieuwe antibiotica zoals hoge activiteit en selectiviteit.

Fragment based drug discovery

Screening van nieuwe moleculen gebeurt tegenwoordig steeds met kleinere fragmenten. Zo blijft er meer ruimte over voor optimalisatie aangezien de grootste hindernissen van de huidige geneesmiddelenontwikkeling niet liggen in het vinden van actieve, maar wel in het vinden van moleculen met de nodige biologische beschikbaarheid, zodat er voldoende geneesmiddel wordt opgenomen door het lichaam en men een voldoende hoge concentratie krijgt waar de tbc infectie plaatsvindt. Dit heeft als gevolg dat er meer producten gevonden worden maar met geringe activiteit. Verdere ontwikkeling gebeurt dan door fragmenten aan elkaar te linken of uit te bouwen.

Aan de wieg van een nieuw antibioticum

Na het testen van verscheidene commercieel beschikbare producten, kwam een veel belovende reeks van tetrahydrocarbazolen naar voren (Tabel 1). Deze verbindingen zijn al reeds goed gekend en vormen al de basis van verscheidene andere geneesmiddelen. Het doel van deze thesis was het uitbreiden van de bibliotheek met analoge verbindingen gebruik makend van een in de vergetelheid geraakte synthese methode (Bischler Indole synthese). Hoewel deze reactie lage opbrengsten geeft, komt deze toch terug op de voorgrond door zijn relatieve eenvoud in gebruik zowel qua geïnvesteerde moeite als qua benodigde materialen. Dit laatste element krijgt steeds meer belangstelling in de zoektocht naar ‘green chemistry’. Het groeiend milieubewustzijn van de publieke opinie dwingt de hedendaagse scheikundige zijn creativiteit te richten naar het verminderd gebruik van zware metalen en moleculen afkomstig van olie-producten als reagentia. Alhoewel ik moet toegeven dat naast het milieubewuste, een stijgende olieprijs er ook iets mee te maken heeft.

Het gebruik van verschillende methodes om dezelfde reactie uit te voeren heeft interessante informatie opgeleverd over de reactie zelf. Deze werd toegepast om de opbrengst te verhogen gaande van aanvaardbaar tot zelfs zeer hoog. Na de op puntstelling, werden een twintigtal analoge verbindingen gesynthetiseerd, gekarakteriseerd en getest voor hun potentieel als inhibitor voor FDTS. Het beschikken van een reeks verbindingen die weinig verschillen qua bouw maar met significante activiteitsverschillen stelt ons in staat om conclusies te trekken en van daaruit de verdere ontwikkeling van deze moleculaire kern te sturen. Verscheidene voorstellen om dit aangrijpingspunt verder te ontwikkelen werden voorgesteld in de afsluitende literatuurstudie (het tweede gedeelte van deze masterthesis). Zo zullen de ontwikkelde syntheseprotocols kunnen gebruikt worden voor de synthese van intermediairen, ideaal om te linken aan andere nog te ontdekken actieve fragmenten.

Conclusie

De strijd tussen gastheer en pathogeen is één van lange adem en wij zijn, verblind door hoogmoed, in snelheid genomen door het aanpassingsvermogen van tbc. Maar er is verandering op komst vanuit zowel ngo’s als TBAlliance.org als de academische wereld. Zo draagt deze thesis zijn steentje bij in het moeizame onderzoek naar antibiotica en, specifiek, in het onderzoek naar nieuwe middelen tegen tuberculose.

Bibliografie

Deel 1: Onderzoeksproject

1.         Koul, A., Arnoult, E., Lounis, N., Guillemont, J. & Andries, K. The challenge of new drug discovery for tuberculosis. Nature 469, 483-490 (2011).

2.         Ducati, R. G., Ruffino-Netto, A., Basso, L. A. & Santos, D. S. The resumption of consumption -- a review on tuberculosis. Mem Inst Oswaldo Cruz 101, 697-714 (2006).

3.         Dye, C. & Williams, B. G. The population dynamics and control of tuberculosis. Science 328, 856-61.

4.         WHO. The Global Plan to Stop TB 2011-2015: Transforming the Fight Towards Elimination of Tuberculosis (World Health Organisation, 2010).

5.         Zumla, A. et al. Viewpoint: Scientific dogmas, paradoxes and mysteries of latent Mycobacterium tuberculosis infection. Trop Med Int Health 16, 79-83.

6.         Chao, M. C. & Rubin, E. J. Letting sleeping dos lie: does dormancy play a role in tuberculosis? Annu Rev Microbiol 64, 293-311.

7.         Cole, S. T. (ed.) Tuberculosis and the tubercle bacillus (ASM press, 2005).

8.         Wayne, L. G. & Sohaskey, C. D. Nonreplicating persistence of mycobacterium tuberculosis. Annu Rev Microbiol 55, 139-63 (2001).

9.         Handbook of anti-tuberculosis agents. Tuberculosis 88, 85-170 (2008).

10.       Beresford, B. & Sadoff, J. C. Update on research and development pipeline: tuberculosis vaccines. Clin Infect Dis 50 Suppl 3, S178-83.

11.       Chambers, H. F. et al. Can penicillins and other beta-lactam antibiotics be used to treat tuberculosis? Antimicrob Agents Chemother 39, 2620-4 (1995).

12.       Hugonnet, J. E., Tremblay, L. W., Boshoff, H. I., Barry, C. E., 3rd & Blanchard, J. S. Meropenem-clavulanate is effective against extensively drug-resistant Mycobacterium tuberculosis. Science 323, 1215-8 (2009).

13.       Payne, D. J., Gwynn, M. N., Holmes, D. J. & Pompliano, D. L. Drugs for bad bugs: confronting the challenges of antibacterial discovery. Nat Rev Drug Discov 6, 29-40 (2007).

14.       Murzin, A. G. Biochemistry. DNA building block reinvented. Science 297, 61-2 (2002).

15.       Myllykallio, H. et al. An alternative flavin-dependent mechanism for thymidylate synthesis. Science 297, 105-7 (2002).

16.       Koehn, E. M. & Kohen, A. Flavin-dependent thymidylate synthase: a novel pathway towards thymine. Arch Biochem Biophys 493, 96-102.

17.       Sassetti, C. M. & Rubin, E. J. Genetic requirements for mycobacterial survival during infection. Proc Natl Acad Sci U S A 100, 12989-94 (2003).

18.       Sassetti, C. M., Boyd, D. H. & Rubin, E. J. Genes required for mycobacterial growth defined by high density mutagenesis. Mol Microbiol 48, 77-84 (2003).

19.       Koehn, E. M. et al. An unusual mechanism of thymidylate biosynthesis in organisms containing the thyX gene. Nature 458, 919-23 (2009).

20.       Hunter, J. H., Gujjar, R., Pang, C. K. & Rathod, P. K. Kinetics and ligand-binding preferences of Mycobacterium tuberculosis thymidylate synthases, ThyA and ThyX. PLoS One 3, e2237 (2008).

21.       Wang, Z. et al. Oxidase activity of a flavin-dependent thymidylate synthase. Febs J 276, 2801-10 (2009).

22.       Sampathkumar, P., Turley, S., Sibley, C. H. & Hol, W. G. NADP+ expels both the co-factor and a substrate analog from the Mycobacterium tuberculosis ThyX active site: opportunities for anti-bacterial drug design. J Mol Biol 360, 1-6 (2006).

23.       Napper, A. D. et al. Discovery of indoles as potent and selective inhibitors of the deacetylase SIRT1. Journal of Medicinal Chemistry 48, 8045-8054 (2005).

24.       Mooradian, A., Dupont, P. E., Hlavec, A. G., Aceto, M. D. & Pearl, J. 3-Aminotetrahydrocarbazoles as a new series of central nervous system agents. J Med Chem 20, 487-92 (1977).

25.       Chang-Fong, J. et al. 1,2,3,4-tetrahydrocarbazoles as 5-HT6 serotonin receptor ligands. Bioorg Med Chem Lett 14, 1961-4 (2004).

26.       Trujillo, J. I. et al. Novel tetrahydro-beta-carboline-1-carboxylic acids as inhibitors of mitogen activated protein kinase-activated protein kinase 2 (MK-2). Bioorg Med Chem Lett 17, 4657-63 (2007).

27.       Gribble, G. W. Recent developments in indole ring synthesis-methodology and applications. Journal of the Chemical Society-Perkin Transactions 1, 1045-1075 (2000).

28.       Campaigne, E. & Lake, R. D. Synthesis of Tetrahydrocarbazoles and Carbazoles by the Bischler Reaction. Journal of Organic Chemistry 24, 478-487 (1959).

29.       Robinson, B. The Fisher Indole Synthesis (Wiley-Interscience, New York, 1982).

30.       Liu, H. J. et al. A modified Robinson annulation process to alpha,alpha-disubstituted-beta,gamma-unsaturated cyclohexanone system. Application to the total synthesis of nanaimoal. Tetrahedron 59, 1209-1226 (2003).

31.       Sampathkumar, P. et al. Structure of the Mycobacterium tuberculosis flavin dependent thymidylate synthase (MtbThyX) at 2.0A resolution. J Mol Biol 352, 1091-104 (2005).

32.       Chen, J. & Hu, Y. Z. Microwave-assisted one-pot synthesis of 1,2,3,4-tetrahydrocarbazoles. Synthetic Communications 36, 1485-1494 (2006).

33.       Vara, Y. et al. Regiochemistry of the microwave-assisted reaction between aromatic amines and alpha-bromoketones to yield substituted 1H-indoles. Organic & Biomolecular Chemistry 6, 1763-1772 (2008).

34.       Sridharan, V., Perumal, S., Avendano, C. & Menendez, J. C. Microwave-assisted, solvent-free bischler indole synthesis. Synlett, 91-95 (2006).

35.       Trujillo, J. I. et al. Novel tetrahydro-beta-carboline-1-carboxylic acids as inhibitors of mitogen activated protein kinase-activated protein kinase 2 (MK-2). Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 17, 4657-4663 (2007).

36.       Sanchez-Larios, E., Holmes, J. M., Daschner, C. L. & Gravel, M. NHC-Catalyzed Spiro Bis-Indane Formation via Domino Stetter-Aldol-Michael and Stetter-Aldol-Aldol Reactions. Organic Letters 12, 5772-5775 (2010).

37.       Baldur Föhlisch, R. H., Elisabeth Wolf, John J. Stezowski, Emil Eckle. Synthese von 3-Oxo-8-oxabicyclo[3.2.1]oct-6-en-2-carbonitrilen aus γ-Brom-β-oxonitrillen und Furan via [4+3]-cycloaddition von 1-Cyanallylium-2-olaten. Chem. Ber. 115, 355-380 (1982).

38.       Lomax, M. I. & Greenberg, G. R. A new assay of thymidylate synthetase activity based on the release of tritium from deoxyuridylate-5-3-H. J Biol Chem 242, 109-13 (1967).

Deel 2: Literatuurstudie en onderzoeksvoorstel

1.         Murzin, A. G. Biochemistry. DNA building block reinvented. Science 297, 61-2 (2002).

2.         Myllykallio, H. et al. An alternative flavin-dependent mechanism for thymidylate synthesis. Science 297, 105-7 (2002).

3.         Koehn, E. M. & Kohen, A. Flavin-dependent thymidylate synthase: a novel pathway towards thymine. Arch Biochem Biophys 493, 96-102.

4.         Sassetti, C. M., Boyd, D. H. & Rubin, E. J. Genes required for mycobacterial growth defined by high density mutagenesis. Mol Microbiol 48, 77-84 (2003).

5.         Sassetti, C. M. & Rubin, E. J. Genetic requirements for mycobacterial survival during infection. Proc Natl Acad Sci U S A 100, 12989-94 (2003).

6.         Hunter, J. H., Gujjar, R., Pang, C. K. & Rathod, P. K. Kinetics and ligand-binding preferences of Mycobacterium tuberculosis thymidylate synthases, ThyA and ThyX. PLoS One 3, e2237 (2008).

7.         Koehn, E. M. et al. An unusual mechanism of thymidylate biosynthesis in organisms containing the thyX gene. Nature 458, 919-23 (2009).

8.         Ducati, R. G., Ruffino-Netto, A., Basso, L. A. & Santos, D. S. The resumption of consumption -- a review on tuberculosis. Mem Inst Oswaldo Cruz 101, 697-714 (2006).

9.         WHO. The Global Plan to Stop TB 2011-2015: Transforming the Fight Towards Elimination of Tuberculosis (World Health Organisation, 2010).

10.       Koul, A., Arnoult, E., Lounis, N., Guillemont, J. & Andries, K. The challenge of new drug discovery for tuberculosis. Nature 469, 483-90 (2011).

11.       Sampathkumar, P. et al. Structure of the Mycobacterium tuberculosis flavin dependent thymidylate synthase (MtbThyX) at 2.0A resolution. J Mol Biol 352, 1091-104 (2005).

12.       Herdewijn, P. et al. Synthesis and Evaluation of 5-Substituted 2 '-deoxyuridine Monophosphate Analogues As Inhibitors of Flavin-Dependent Thymidylate Synthase in Mycobacterium tuberculosis. Journal of Medicinal Chemistry 54, 4847-4862 (2011).

13.       Martin Kögler, R. B., Steven De Jonghe, Jef Rozenski, Kristien Van Belle, Thierry Louat, Piet Herdewijn. Synthesis and evaluation of 6-aza-2'-deoxyuridine monophosphate analogues as inhibitors of thymidylate synthases in Mycobacterium tuberculosis. currently unpublished.

14.       Napper, A. D. et al. Discovery of indoles as potent and selective inhibitors of the deacetylase SIRT1. Journal of Medicinal Chemistry 48, 8045-8054 (2005).

15.       Vara, Y. et al. Regiochemistry of the microwave-assisted reaction between aromatic amines and alpha-bromoketones to yield substituted 1H-indoles. Organic & Biomolecular Chemistry 6, 1763-1772 (2008).

16.       Trujillo, J. I. et al. Novel tetrahydro-beta-carboline-1-carboxylic acids as inhibitors of mitogen activated protein kinase-activated protein kinase 2 (MK-2). Bioorg Med Chem Lett 17, 4657-63 (2007).

17.       Chen, J. & Hu, Y. Z. Microwave-assisted one-pot synthesis of 1,2,3,4-tetrahydrocarbazoles. Synthetic Communications 36, 1485-1494 (2006).

18.       CEM Focused MicrowaveTM Synthesis Sestem, Model Discover. User Manual.

19.       Deppe H., B. A., Metz G., Erb M. (ed. Organisation, W. I. P.) (Santhera Pharmaceuticals (Schweiz) AG (Hammerstrasse 47, 4410 Liestal, CH), 2008).

20.       Caner, H., Groner, E., Levy, L. & Agranat, I. Trends in the development of chiral drugs. Drug Discov Today 9, 105-10 (2004).

21.       Robinson, B. The Fisher Indole Synthesis (Wiley-Interscience, New York, 1982).

22.       Humphrey, G. R. & Kuethe, J. T. Practical methodologies for the synthesis of indoles. Chemical Reviews 106, 2875-2911 (2006).

23.       Gribble, G. W. Recent developments in indole ring synthesis-methodology and applications. Journal of the Chemical Society-Perkin Transactions 1, 1045-1075 (2000).

24.       Fischer, E. & Jourdan, F. Ueber die Hydrazine der Brenztraubensaüre. Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft 16, 2241–2245 (1883).

25.       Stadlbauer, W., Van Dang, H. & Berger, B. S. Synthesis and Reactions of 4-Hydroxy-8,9,10,11-tetrahydropyrido[3,2, 1-jk]carbazol-6-ones. Journal of Heterocyclic Chemistry 47, 807-824 (2010).

26.       Li, L. H. et al. Potent and highly selective DP1 antagonists with 2,3,4,9-tetrahydro-1H-carbazole as pharmacophore. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 20, 7462-7465 (2010).

27.       Gu, W. & Wang, S. F. Synthesis and antimicrobial activities of novel 1H-dibenzo[a,c]carbazoles from dehydroabietic acid. European Journal of Medicinal Chemistry 45, 4692-4696 (2010).

28.       Gudmundsson, K. S. et al. Substituted tetrahydrocarbazoles with potent activity against human papillomaviruses. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 19, 3489-3492 (2009).

29.       Lipinska, T. M. & Czarnocki, S. J. A new approach to difficult Fischer synthesis: The use of zinc chloride catalyst in triethylene glycol under controlled microwave irradiation. Organic Letters 8, 367-370 (2006).

30.       Buchwald, S. L. & Chae, J. Y. Palladium-catalyzed regioselective hydrodebromination of dibromoindoles: Application to the enantioselective synthesis of indolodioxane U86192A. Journal of Organic Chemistry 69, 3336-3339 (2004).

31.       Buchwald, S. L., Wagaw, S. & Yang, B. H. A palladium-catalyzed strategy for the preparation of indoles: A novel entry into the Fischer indole synthesis. Journal of the American Chemical Society 120, 6621-6622 (1998).

32.       Buchwald, S. L., Wagaw, S. & Yang, B. H. A palladium-catalyzed method for the preparation of indoles via the Fischer indole synthesis. Journal of the American Chemical Society 121, 10251-10263 (1999).

33.       Diederich, F. & Lustenberger, P. Towards asymmetric catalysis in the major groove of 1,1 '-binaphthalenes. Helvetica Chimica Acta 83, 2865-2883 (2000).

34.       Yagi, S., Kitayama, H. & Takagishi, T. Synthesis of a novel tweezers-type host aiming at chiral discrimination by circular dichroism spectroscopy. Journal of the Chemical Society-Perkin Transactions 1, 925-932 (2000).

35.       Cacchi, S. & Fabrizi, G. Synthesis and functionalization of Indoles through palladium-catalyzed reactions. Chemical Reviews 105, 2873-2920 (2005).

36.       Bhanage, B. M., Sawant, D. N., Wagh, Y. S., Tambade, P. J. & Bhatte, K. D. Cyanides-Free Cyanation of Aryl Halides using Formamide. Advanced Synthesis & Catalysis 353, 781-787 (2011).

37.       Vilar, R. et al. Rapid carbonylative coupling reactions using palladium(I) dimers: applications to (11)CO-radiolabelling for the synthesis of PET tracers. Organic & Biomolecular Chemistry 9, 3499-3503 (2011).

38.       Lloyd-Williams, P. et al. Arylboronic acids and arylpinacolboronate esters in Suzuki coupling reactions involving indoles. Partner role swapping and heterocycle protection. Journal of Organic Chemistry 69, 6812-6820 (2004).

39.       Sonogashira, K., Tohda, Y. & Hagihara, N. Convenient Synthesis of Acetylenes - Catalytic Substitutions of Acetylenic Hydrogen with Bromoalkenes, Iodoarenes, and Bromopyridines. Tetrahedron Letters, 4467-4470 (1975).

40.       Sakamoto, T., Nagano, T., Kondo, Y. & Yamanaka, H. Palladium-Catalyzed Coupling Reaction of 3-Iodoindoles and 3-Iodobenzo[B]Thiophene with Terminal Acetylenes. Chemical & Pharmaceutical Bulletin 36, 2248-2252 (1988).

41.       de Kloe, G. E., Bailey, D., Leurs, R. & de Esch, I. J. P. Transforming fragments into candidates: small becomes big in medicinal chemistry. Drug Discovery Today 14, 630-646 (2009).

42.       Bembenek, S. D., Tounge, B. A. & Reynolds, C. H. Ligand efficiency and fragment-based drug discovery. Drug Discovery Today 14, 278-283 (2009).

43.       Zhao, H. Y. Scaffold selection and scaffold hopping in lead generation: a medicinal chemistry perspective. Drug Discovery Today 12, 149-155 (2007).

44.       Böhm, H.-J., Flohr, A. & Stahl, M. Scaffold hopping. Drug Discov Today: Technologies 1, 217-224 (2004).

45.       Shishido, Y. et al. Synthesis of benzamide derivatives as TRPV1 antagonists. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 18, 1072-1078 (2008).

 

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in de Geneesmiddelenontwikkeling
Publicatiejaar
2012
Share this on: