Photoactivatable Kinase Inhibitors

Horbert, Rebecca

Photochemistry and kinase inhibitor research have both independently been of major scientific interest in the last decades. The objective of this study was therefore to combine both research fields by the development of photoactivatable kinase inhibitors. Herein, the fascinating possibilities of photochemistry were applied on a unique group of pharmacological agents. This study reports on photoactivatable prodrugs of VEGFR inhibitors and the approved BRAF inhibitor vemurafenib. The latter shows impressive outcomes in the personalized treatment of malignant melanoma, but side effects and drug resistance limit therapeutic results. In order to conquer these limitations and to create powerful biological tools for kinase and cancer research, so-called caged prodrugs were developed. Photoremovable protecting groups (PPGs) were thus implemented at crucial pharmacophoric functionalities of the inhibitors in order to diminish their biological effects. This approach provides control over the activation of molecules triggered by ultraviolet light. First, the hinge binder moiety of vemurafenib, a 7-azaindole, was investigated concerning its properties as a leaving group in the photolysis reaction. Several PPGs were then examined with regard to chemical accessibility and release characteristics. Next, photoactivatable prodrugs of vemurafenib and VEGFR inhibitors, a diarylmaleimide and a carbazole, were designed and synthesized. Their photochemical features were subsequently investigated. In vitro evaluation proved the loss-of-function of the prodrugs and the light-dependent recovery of efficacy in kinase and cellular assays. The approved VEGFR inhibitor axitinib was furthermore investigated as a photoswitchable kinase inhibitor. Based on molecular modeling, the (Z)-isomer should be significantly less active toward the targets of (E)-axitinib. It was therefore explored if the inhibitory effect of axitinib could be turned on and off triggered by irradiation. The switching properties of the photoinduced E-Z isomerization were thus examined. Interestingly, the formation of a (Z)-axitinib tautomer was observed. In vitro analyses demonstrated the decreased efficacy of the (Z)-isomer at an enzymatic level. These results, however, did not translate into cell proliferation assays leaving the paradoxically more active (Z)-isomer for future investigation. In conclusion, the first photoactivatable vemurafenib and VEGFR inhibitor prodrugs have been synthesized and characterized in the course of this study. A decreased potency of the (Z)-stereoisomer of axitinib has been demonstrated in enzymatic assays. The applicability of axitinib as a photoswitch remains to be confirmed in further biological assays.

Photochemie und die Entwicklung von Kinaseinhibitoren stehen seit Jahrzehnten unabhängig voneinander im Fokus der Wissenschaft. Das Ziel dieser Arbeit war daher, beide Forschungsgebiete durch die Entwicklung photoaktivierbarer Kinaseinhibitoren miteinander zu verknüpfen. Die faszinierenden Möglichkeiten der Photochemie wurden dabei auf eine einzigartige Gruppe pharmakologischer Substanzen angewendet. Diese Arbeit berichtet über photoaktivierbare Prodrugs von VEGFR-Inhibitoren sowie des zugelassenen BRAF-Inhibitors Vemurafenib. Dieser zeigt beeindruckende Erfolge in der personalisierten Behandlung des malignen Melanoms, jedoch limitiert durch Nebenwirkungen und Resistenzen. Um diesen Limitierungen zu begegnen und um leistungsfähige Werkzeuge für die Kinase- und Krebsforschung bereitzustellen, wurden sogenannte caged prodrugs entwickelt. Dazu wurden photoabspaltbare Schutzgruppen (PPGs) an zentralen pharmakophoren Gruppen der Inhibitoren angebracht, um diese biologisch zu inaktivieren. Dies erlaubt die Kontrolle über die Aktivierung von Molekülen durch ultraviolettes Licht. Zunächst wurde der hinge-binder des Vemurafenibs, das 7-Azaindol, hinsichtlich seiner Eigenschaft als Abgangsgruppe in der Photolyse-Reaktion näher untersucht. Verschiedene PPGs wurden bezüglich chemischer Zugänglichkeit und Freisetzung gegenübergestellt. Anschließend wurden caged prodrugs des Vemurafenibs sowie Inhibitoren aus der Klasse der Diarylmaleimide bzw. Carbazole designt und synthetisiert. Ihre photochemischen Eigenschaften wurden untersucht. In vitro-Experimente bestätigten den Wirkungsverlust der Prodrugs sowie die lichtabhängige Wiederherstellung der Wirkung in Kinase- und Zellassays. Ferner wurde der zugelassene VEGFR-Inhibitor Axitinib als photoschaltbarer Kinaseinhibitor untersucht. Molecular modeling legte nahe, dass das (Z)-Stereoisomer schwächer wirksam sei als das (E)-Isomer. Daher wurde untersucht, ob die Wirkung von Axitinib durch Bestrahlung reversibel geschaltet werden kann. Interessanterweise konnte dabei die Bildung eines Tautomers des (Z)-Isomers beobachtet werden. In vitro-Studien zeigten eine Verringerung des hemmenden Effekts des (Z)-Isomers auf enzymatischer Ebene. Diese Ergebnisse übertrugen sich allerdings nicht auf Zell-Proliferations-Assays. Die hierin paradoxerweise gesteigerte Wirkung des (Z)-Isomers sollte daher noch eingehender untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die ersten photoaktivierbaren Vemurafenib- und VEGFR-Inhibitor-Prodrugs synthetisiert und charakterisiert. Die verringerte Wirkung des Axitinib-(Z)-Stereoisomers wurde in enzymatischen Assays nachgewiesen. Die Anwendbarkeit als Photoschalter muss jedoch noch in weiteren biologischen Testsystemen bestätigt werden.

Zitieren

Zitierform:

Horbert, Rebecca: Photoactivatable Kinase Inhibitors. 2015.

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Keine CC Lizenz (es gilt das deutsche Urheberrecht)

Export