@phdthesis{Wehle2016,
  author    = {Wehle, Sarah},
  title     = {In silico Studien zu Bis-Tacrinen, Chinazolinen und Chinazolinonen sowie Synthese von Chinazoliniumverbindungen als Inhibitoren von Cholinesterasen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-139955},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2016},
  abstract  = {Die Alzheimer'sche Erkrankung wird derzeit durch die Gabe von Acetylcholinesterase- Inhibitoren (AChEI) symptomatisch behandelt. Durch die AChE-Hemmung steht mehr Acetylcholin (ACh) f{\"u}r die Neurotransmission zur Verf{\"u}gung. Bei Progression der Erkran-kung nimmt der Anteil an AChE drastisch ab, so dass die Enzymisoform Butyrylcholin- esterase (BChE) die Hydrolyse des Neurotransmitters ACh {\"u}bernimmt. In sp{\"a}ten Phasen der Alzheimer'schen Erkrankung ist daher der Einsatz selektiver BChE-Hemmer erfolgsver- sprechend. Inhibitoren k{\"o}nnen verschiedene Bindestellen in der Cholinesterase-Bindetasche adressie-ren und dadurch in dieser stabilisiert werden. Zu den Bindestellen z{\"a}hlen die katalytisch aktive Stelle (CAS) am Ende eines 20 {\AA} langen Bindetaschentunnels, die Oxyanion-Vertie-fung, die Cholinbindestelle, sowie die periphere anionische Bindestelle (PAS), welche am Bindetascheneingang lokalisiert ist. In der vorliegenden Arbeit wurden durch in silico Dockingstudien gezielt Protein-Ligand- Interaktionen untersucht, um Strukturmerkmale hochaffiner Inhibitoren von Cholinesterasen zu identifizieren. Damit soll die zuk{\"u}nftige Entwicklung von Cholinesteraseinhibitoren hinsichtlich der Affinit{\"a}t zum Enzym verbessert werden. Ferner dienten synthetische Untersuchungen eines Naturstoffes dazu, Chinazoliniumverbindungen als Leitstruktur f{\"u}r die Inhibition der Cholinesterasen zu etablieren. F{\"u}r hochaffine tri- und tetrazyklische aminsubstituierte AChE-selektive Chinazolin- und Chinazolinoninhibitoren sollte die bevorzugte Orientierung der Liganden in der Bindetasche ermittelt werden. Hierf{\"u}r ist die Lokalisation des Aminsubstituenten in der CAS (invertierter Bindemodus) oder die dortige Bindung des Chinazolin-/Chinazolinonger{\"u}stes (klassischer Bindemodus) denkbar. Anhand eines pr{\"a}ferierten einheitlichen Bindemodus sollten die Struktur-Aktivit{\"a}ts-Beziehungen erkl{\"a}rt werden. Dockingstudien zeigten die klare Pr{\"a}ferenz f{\"u}r den invertierten Bindemodus, bei dem der Aminsubstituent in der N{\"a}he der CAS platziert wird. Ein strukturelles Merkmal f{\"u}r hochaffine Inhibitoren ist ein unter Assaybedingungen protoniertes Amin, welches eine Kation-π-Wechselwirkung zu dem Indolringsystem des Tryptophans der Cholinbindestelle eingehen kann. F{\"u}r das Ligandengrundger{\"u}st wurde lediglich f{\"u}r tetrazyklische Verbindungen eine π-π-Interaktion mit der peripheren Bindestelle (PAS) am Bindetascheneingang identifiziert. Der Datensatz umfasste auch chirale Chinazolinon- und Chinazolinderivate mit hydrierter C=N-Doppelbindung, die eine schw{\"a}chere Affinit{\"a}t zu AChE zeigten. Diese ist vermutlich auf das nicht-planare Ligandengrundger{\"u}st zur{\"u}ckzuf{\"u}hren, da vor allem f{\"u}r tetrazyklische chi-rale Verbindungen die Stabilisierung des Ligandengrundger{\"u}stes durch π-π-Interaktionen am Bindetascheneingang aufgrund der Sterik entweder gar nicht, oder nur f{\"u}r ein Enantio-mer m{\"o}glich ist. Aufgrund der nanomolaren Affinit{\"a}t der achiralen Chinazolin- und Chinazolinonverbindungen wurden weitere gerichtete Wechselwirkungen in der Bindetasche erwartet. Derartige Wechselwirkungen konnten in Form von Wasserstoffbr{\"u}cken durch die Verwendung von sieben ausgew{\"a}hlten strukturellen Wassermolek{\"u}len im Docking identifiziert werden. Durch diese Wassermolek{\"u}le werden Wasserstoffbr{\"u}cken vom Ligandengrundger{\"u}st zum Protein vermittelt. Diese Wechselwirkungen scheinen essentiell f{\"u}r die Stabilisierung hoch-affiner Chinazolin- und Chinazolinoninhibitoren in der AChE-Bindetasche zu sein. Zwei photochrome Bis-Tacrin-Konstitutionsisomere (Ring-ge{\"o}ffnete und Ring-geschlossene Form) inhibieren die AChE und zeigen einen unterschiedlichen Effekt in der Hemmung der Amyloid-β Fibrillenbildung. Die Fibrillenbildung wird durch eine unbesetzte periphere Bindestelle (PAS) am Eingang der AChE-Bindetasche katalysiert, weshalb eine unterschiedliche Interaktion der Liganden mit ebendieser Bindestelle vermutet wird. Dockingstudien lieferten f{\"u}r beide Konstitutionsisomere einen {\"a}hnlichen Bindemodus, der vor dem Hintergrund der {\"a}hnlichen IC50-Werte von 4.3 und 1.8 nM f{\"u}r die Ring-ge{\"o}ffnete und Ring-geschlossene Form plausibel erscheint. Durch die Auswahl einer geeigneten R{\"o}ntgenstruktur wurden Dockingl{\"o}sungen erhalten, bei denen ein Tacrinsubstituent in der PAS bindet und dort π-π-Interaktionen mit einem Tryptophan und einem Tyrosin eingeht. Eine solche Lage des PAS-bindenden Tacrinsubstituenten ist energetisch bevorzugt und dr{\"u}ckt sich durch bessere Scores gegen{\"u}ber Dockingl{\"o}sungen, bei denen dieser auf der Protein-oberfl{\"a}che lokalisiert ist, aus. Der andere Tacrinsubstituent bindet in der CAS wie dies von bereits kristallisierten Tacrinderivaten bekannt ist. Mittels molekulardynamischer Simulati-onen wurde die Stabilit{\"a}t der Protein-Dockingl{\"o}sungs-Komplexe beider Konstitutionsiso-mere verglichen. Dabei wurde die bessere Stabilisierung des CAS-bindenden Tacrinsubsti-tuenten f{\"u}r die Ring-ge{\"o}ffnete Form des Liganden ermittelt. Ferner zeigt sich f{\"u}r die Ring-ge{\"o}ffnete Inhibitorform w{\"a}hrend der Simulation der Einstrom von sechs Wassermolek{\"u}len in einen Hohlraum der PAS. Dies hat zur Folge, dass der PAS-bindende Tacrinsubstituent w{\"a}hrend der H{\"a}lfte der Simulationszeit durch Wasserstoffbr{\"u}cken in der PAS stabilisiert wird. Ein Wasserstoffbr{\"u}ckennetzwerk diesen Ausmaßes kann f{\"u}r die Ring-geschlossene Inhibitorform nicht ermittelt werden. Die bessere Hemmung der Amyloid-β Fibrillenbildung der Ring-ge{\"o}ffneten Inhibitorform wird daher auf die bessere Stabilisierung des Liganden durch Wasserstoffbr{\"u}cken in der AChE-Bindetasche zur{\"u}ckgef{\"u}hrt. F{\"u}r carbamatsubstituierte Tetrahydrochinazolinverbindungen sollten die bevorzugten Interaktionen in der BChE-Bindetasche ermittelt werden. Die Carbamatverbindungen sind pseudo-irreversible Inhibitoren und zeigen eine zeitabh{\"a}ngige Hemmung mit diversen Interaktionszust{\"a}nden zwischen Protein und Ligand. Dar{\"u}ber hinaus stellen Dockingstudien in der BChE bislang eine Herausforderung dar, da es derzeit nur zwei R{\"o}ntgenstrukturen dieses Enzyms mit reversiblen Liganden gibt, weshalb kaum Studien zur Identifikation einer geeigneten Bewertungsfunktion durchgef{\"u}hrt werden k{\"o}nnen. Im Docking wurde sich f{\"u}r die Analyse des reversiblen Anlagerungskomplexes entschieden, da das Docking des tetraedrischen {\"U}bergangszustandes energetisch entartete Dockingl{\"o}sungen lieferte. Eine weitere Herausforderung stellte die Gr{\"o}ße der BChE-Bindetasche dar, die auch im reversiblen Docking entartete Dockingl{\"o}sungen lieferte. Aufgrund einer {\"a}hnlichen {\"U}bertragungsrate aller getesteten Inhibitoren wurde eine konservierte Lage des Carbamates in der Bindetasche angenommen. Deshalb wurde eine repr{\"a}sentative Dockingl{\"o}sung einer Referenzverbindung als Ausgangspose f{\"u}r einen Modelling-Ansatz gew{\"a}hlt, die hinsichtlich der Interaktionen in der Bindetasche ausgew{\"a}hlt wurde. Diese Interaktionen sind: 1) Eine Wasserstoffbr{\"u}ckendistanz zwischen der Carbamat-Carbonylgruppe und der Oxyanion-Vertiefung sowie 2) eine Distanz, die den nucleophilen Angriff des Serins auf den Carbamatkohlenstoff erlaubt. Im Modelling-Ansatz wurde die repr{\"a}sentative Bindepose dazu verwendet die entsprechenden Inhibitoren in der Bindetasche aufzubauen. Die bevorzugte Position der N-Methylgruppe wurde f{\"u}r beide Enantiomere {\"u}ber die berechneten Spannungsenergien der Bindeposen abgesch{\"a}tzt. F{\"u}r die S-Enantiomere ergab sich die pr{\"a}ferierte Bindung mit quasi-„axialer" Methlygruppe und f{\"u}r die R-Enantiomere mit quasi-„{\"a}quatorialer" Stellung dieser. Die Carbamatstrukturen liegen somit mit der Heptylkette in der Acyltasche und die Ligandengrundger{\"u}ste werden in einer Seitentasche der BChE-Bindetasche platziert, in der hydrophobe Wechselwirkungen dominieren. Zus{\"a}tzlich zu den hochaffinen Chinazolinonverbindungen sollten artverwandte Chinazolini-umverbindungen als Leitstruktur f{\"u}r Cholinesteraseinhibitoren untersucht werden. Zun{\"a}chst erfolgten Studien zur chemischen Reaktivit{\"a}t und Stabilit{\"a}t des Naturstoffes Dehydroevodiamin (DHED) sowie seines Benz-Derivates (Benz-DHED). Insbesondere Benz-DHED war unter den bisher verwendeten und in der Literatur beschriebenen Synthesemethoden instabil. Die Untersuchungen erforderten daher zun{\"a}chst die Einf{\"u}hrung einer geeigneten Syntheseroute, in diesem Fall die Oxidation mit KMnO4, einhergehend mit der Verbesserung der Ausbeute und ohne Nebenproduktbildung. F{\"u}r die zuk{\"u}nftige Synthese von Derivaten wurde die Verwendung einer geeigneten Lewis-S{\"a}ure-labilen Schutzgruppe herausgearbeitet. Die untersuchten Chinazoliniumverbindungen zeigen die Eigenschaft, dass sie in Abh{\"a}ngigkeit der Reaktionsbedingungen in zwei Formen (Ring-ge{\"o}ffnet und Ring-geschlossen = Chi-nazoliniumsalz) isoliert werden k{\"o}nnen. Mittels UV/Vis-Untersuchungen wurde das Gleich-gewicht dieser Spezies aufgekl{\"a}rt und in w{\"a}ssrigen alkalischen L{\"o}sungen die Anreicherung einer dritten, bislang nicht in diesem Zusammenhang beschriebenen, Spezies beobachtet. Als biologisch aktive Spezies konnte die Chinazoliniumform identifiziert werden. In Dockingstudien der Chinazoliniumform von Benz-DHED, nach dem f{\"u}r Carbamatverbindungen entwickelten Modelling-Ansatz, konnte auch hierf{\"u}r die Stabilisierung der Docking- l{\"o}sung {\"u}ber eine Wasserstoffbr{\"u}cke in der BChE-Bindetasche zu einem strukturellen Wassermolek{\"u}l identifiziert werden. Dies verdeutlicht erneut, dass die Ber{\"u}cksichtigung von Wassermolek{\"u}len in Dockingstudien dazu dienen kann zus{\"a}tzliche Protein-Ligand-Interaktionen festzustellen. Auf Grundlage der Forschung zu Chinazoliniumverbindungen kann die zuk{\"u}nftige Inhibitorentwicklung von Strukturen basierend auf dieser Substanzklasse erfolgen. Die durchgef{\"u}hrten synthetischen und theoretischen Studien liefern wichtige Beitr{\"a}ge zum Verst{\"a}ndnis der Wechselwirkungen zwischen Inhibitoren und Cholinesterasen, die in der zuk{\"u}nftigen Inhibitorentwicklung Anwendung finden k{\"o}nnen.},
  subject      = {Cholinesteraseinhibitor},
  language  = {de}
}