TY - THES A1 - Agnetta, Luca T1 - Novel Photoswitchable and Dualsteric Ligands Acting on Muscarinic Acetylcholine Receptors for Receptor Function Investigation T1 - Neue lichtschaltbare und dualstere Liganden für die muskarinischen Acetylcholin Rezeptoren zur Untersuchung der Rezeptorfunktion N2 - G protein-coupled receptor research looks out for new technologies to elucidate the complex processes of receptor activation, function and downstream signaling with spatiotemporal resolution, preferably in living cells and organisms. A thriving approach consists in making use of the unsurpassed properties of light, including its high precision in space and time, noninvasiveness and high degree of orthogonality regarding biological processes. This is realized by the incorporation of molecular photoswitches, which are able to effectively respond to light, such as azobenzene, into the structure of a ligand of a given receptor. The muscarinic acetylcholine receptors belong to class A GPCRs and have received special attention in this regard due to their role as a prototypic pharmacological system and their therapeutic potential. They mediate the excitatory and inhibitory effects of the neurotransmitter acetylcholine and thus regulate diverse important biological processes, especially many neurological functions in our brain. In this work, the application of photopharmacological tool compounds to muscarinic receptors is presented, consisting of pharmacophores extended with azobenzene as light-responsive motif. Making use of the dualsteric concept, such photochromic ligands can be designed to bind concomitantly to the orthosteric and allosteric binding site of the receptor, which is demonstrated for BQCAAI (M1) and PAI (M2) and may lead to subtype- and functionalselective photoswitchable ligands, suitable for further ex vivo and in vivo studies. Moreover, photoswitchable ligands based on the synthetic agonist iperoxo were investigated extensively with regard to their photochemical behavior and pharmacological profile, outlining the advantages and challenges of using red-shifted molecular photoswitches, such as tetraortho- fluoro azobenzene. For the first time on a GPCR it was examined, which impact the different substitution pattern has on both the binding and the activity on the M1 receptor. Results show that substituted azobenzenes in photopharmacological compounds (F4-photoiperoxo and F4-iper-azo-iper) not just represent analogs with other photophysical properties but can exhibit a considerably different biological profile that has to be investigated carefully. The achievements gained in this study can give important new insights into the binding mode and time course of activation processes, enabling precise spatial and temporal resolution of the complex signaling pathway of muscarinic receptors. Due to their role as exemplary model system, these findings may be useful for the investigation into other therapeutically relevant GPCRs. N2 - Die Forschung an G-Protein-gekoppelten Rezeptoren verlangt nach neuen Technologien zur Aufklärung der komplexen Prozesse der Rezeptoraktivierung, -funktion und ihrer nachgeschalteten Signalwege mit räumlicher und zeitlicher Auflösung, vorzugsweise in lebenden Zellen und Organismen. Ein erfolgreicher Ansatz besteht darin, die unübertroffenen Eigenschaften des Lichts zu nutzen, welche die hohe Präzision in Raum und Zeit, die Nicht- Invasivität und die hohe Orthogonalität in Bezug auf biologische Prozesse einschließt. Dies wird durch den Einbau von molekularen Photoschaltern, wie z. B. Azobenzolen, in die Struktur eines Liganden eines bestimmten Rezeptors realisiert, welche effektiv auf Licht reagieren. Die muskarinischen Acetylcholin Rezeptoren gehören zur Klasse A der GPCRs und haben aufgrund ihrer Rolle als prototypisches pharmakologisches System und ihres therapeutischen Potenzials diesbezüglich besondere Beachtung gefunden. Sie vermitteln die stimulierenden und hemmenden Wirkungen des Neurotransmitters Acetylcholin und regulieren somit verschiedene wichtige biologische Prozesse, insbesondere viele neurologische Funktionen in unserem Gehirn. In dieser Arbeit wird die Anwendung photopharmakologischer „Tool“-Verbindungen auf die muskarinischen Rezeptoren vorgestellt, die aus Pharmakophoren bestehen, welche mit Azobenzol als lichtempfindlichem Motiv modifiziert wurden. Mit Hilfe des Konzepts der Dualsterie können solche photochromen Liganden so gestaltet werden, dass sie gleichzeitig an die orthosterische und allosterische Bindungsstelle des Rezeptors binden, was für BQCAAI (M1) und PAI (M2) gezeigt wurde und zu subtypen- und funktionsselektiven photoschaltbaren Liganden führen kann, die für weitere Ex- und In-Vivo-Studien geeignet sind. Darüber hinaus wurden photoschaltbare Liganden auf Basis des synthetischen Agonisten Iperoxo hinsichtlich ihres photochemischen Verhaltens und ihres pharmakologischen Profils ausführlich untersucht, um die Vorteile und Herausforderungen der Verwendung rotverschobener molekularer Photoschalter wie tetra-ortho-Fluor-azobenzol zu erläutern. Es wurde erstmals an einem GPCR untersucht, welche Auswirkungen das unterschiedliche Substitutionsmuster sowohl auf die Bindung, als auch auf die Aktivität am M1-Rezeptor hat. Diese Ergebnisse zeigen, dass substituierte Azobenzole in photopharmakologischen Verbindungen (F4-Photoiperoxo und F4-Iper-azo-iper) nicht nur Analoga mit anderen photophysikalischen Eigenschaften darstellen, sondern auch ein deutlich unterschiedliches biologisches Profil aufweisen können, das sorgfältig untersucht werden muss. Die in dieser Studie erzielten Ergebnisse geben neue und wichtige Einblicke in den Bindungsmodus und den zeitlichen Verlauf von Aktivierungsprozessen und ermöglichen eine präzise räumliche und zeitliche Auflösung der komplexen Signalwege von muskarinischen Rezeptoren. Aufgrund ihrer Rolle als exemplarisches Modellsystem können diese Befunde für die Untersuchung anderer therapeutisch relevanter GPCRs sehr nützlich sein. KW - Muscarinrezeptor KW - G-Protein gekoppelte Rezeptor KW - G Protein-coupled receptor Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-187170 ER - TY - THES A1 - Riad, Noura T1 - The Development of Dualsteric Ligands for the Elucidation of Mode of Activation of Muscarinic Receptors and their Selective Signaling T1 - Entwicklung dualsterischer Liganden zur Aufklärung des Aktivierungsmechanismus und der Selektivität von Muskarinrezeptoren N2 - GPCRs, particularly muscarinic receptors (mAChRs), are significant therapeutic targets in many physiological conditions. The significance of dualsteric hybrids selectively targeting mAChR subtypes is their great advantage in avoiding undesired side effects. This is attained by exploitation of the high affinity of ligand-binding to the orthosteric site and the structural diversity of the allosteric site to target an individual mAChR subtype, as well as offering signal bias to avoiding undesired transduction pathways. Furthermore, dualsteric targeting of mAChR subtypes helps in the elucidation of the physiological role of each individual mAChR subtype. The first project was the attempt of synthesis of the M2-preferring ligand AFDX-384. AFDX-384 is known to preferentially bind to the M2 receptor subtype as an orthosteric antagonist, with partial interaction with residues in the allosteric site. This project aimed to re-trace the synthesis route of AFDX-384, to open the door to its upscaling and the future synthesis of AFDX-type dualsteric ligands. The multi-step synthesis of AFDX-384 is achieved through the synthesis of its 2 precursors, the chloro acyl derivative VIII and the piperidinyl derivative IV. Upscaled synthesis of the piperidinyl derivative IV was attained. Synthesis of the chloro acyl compound VIII was attempted. Several trials to synthesize the benzopyridodiazepine nucleus as well as its chloro-acylation resulted in the production of the novel crystal structures V and VI. X-ray crystallography was also done for crystallized molecules of the closed-ring benzopyridodiazepine VII that was previously synthesized. Chloro-acylation reactions of compound VII using phosgene seem to be attainable when done using reflux overnight. However, the use of methanol to aid in elution during silica gel column chromatography converted the expected product to the carbamate analogue IX. Hence, further attempts in purification should refrain from the use of methanol. The use of triphosgene instead of phosgene demonstrates a cleaner route for further upscaled synthesis. The second project was the synthesis of dualsteric ligands involving variable orthosteric and allosteric moieties. Four different types of hybrids have been created over multiple steps. Dualsteric ligands have been synthesized using either a phthalimido- or 1,8-naphthalimidopropylamino moiety as the allosteric-binding group, coupled to either N-desmethyl pirenzepine or N-desmethyl clozapine using variable chain lengths. Furthermore, the synthesis of the dualsteric ligands involving N-desmethyl clozapine linked to either the super-agonist iperoxo or acetylcholine, and being connected using variable alkane chain lengths. Several reaction conditions have been investigated throughout the analysis of the optimal condition to conduct the critical final step of synthesis of these dualsteric hybrids, which involves the linking of the two segments of the hybrid together. The optimal method, which produced the least side products and highest yield, was to connect the two intermediates of the compound in absence of base, catalyst or microwaves while stirring at 35 °C for several days using acetonitrile as solvent (silica gel TLC monitoring, 0.2 M aqueous KNO3/MeOH 2:3). The ideal purification methods for the final compounds were found to be either crystallization from the reaction medium or using C18 reverse phase silica gel flash chromatography (using H2O/MeOH solvent system). All the hybrids will be subjected to pharmacological testing using the appropriate FRET assays. N2 - G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs), besonders die Familie der muscarinischen Rezeptoren, stellen wichtige therapeutische Zielstrukturen für die Behandlung einer Vielzahl an Erkrankungen dar. Die Besonderheit dualsterischer Hybridliganden, die selektiv an den muskarinischen Acetylcholinrezeptor (mAChR) binden liegt darin begründet, dass so ungewünschte Nebenwirkungen vermieden werden können. Dies wird durch die Ausnutzung der hohen Bindungsaffinität an die orthostere Stelle sowie die strukturelle Vielfältigkeit der allosteren Bindestelle erreicht, wodurch bestimmte mAChR-Subtypen adressiert und eine funktionelle Selektivität erreicht werden kann, die unerwünschte Signaltransduktionswege umgeht. Desweiteren kann die dualstere Adressierung der mAChR-Subtypen dazu beitragen, die physiologische Funktion eines jeden Rezeptors zu bestimmen und aufzuklären. Das Ziel des ersten Teilprojektes war die Synthese des bevorzugt an M2 bindenden Liganden AFDX-384. Von diesem ist bekannt, als orthosterer Agonist bevorzugt an den M2-Rezeptorsubtyp zu binden und zum Teil Interaktionen in der allosteren Bindestelle einzugehen. Hierbei sollte die Darstellungsroute von AFDX-384 nachvollzogen werden, um eine Synthese in größerem Maßstab zu entwickeln und die Herstellung weiterer dualsterer Liganden vom AFDX-Typ zu ermöglichen. Die mehrstufige Synthese von AFDX-384 geht von zwei Vorstufen aus, dem Chloracyl VIII sowie dem Piperidinylderivat IV. Zunächst wurde das Upscaling der Synthese von IV erreicht und die Darstellung von VIII versucht. Mehrere Versuche, den Benzopyridodiazepin-Kern sowie das entsprechende chloracetylierte Derivat zu erhalten, führten zur Bildung der neuen Strukturen V und VI. Das zuvor synthetisierte, ringgeschlossene Benzopyridodiazepin VII wurde mittels Röntgenkristallstrukturanalyse charakterisiert. Die Chloracylierung von VII schien mittels Phosgens und unter Rückfluss über Nacht möglich zu sein. Allerdings wurde das Reaktionsprodukt durch den Einfluss von Methanol, das während der chromatographischen Reinigung als Fließmittel verwendet wurde, in das Carbamat-Analogon IX überführt. Daher sollten künftige Reinigungsschritte ohne die Zuhilfenahme von Methanol erfolgen. Durch den Einsatz von Triphosgen anstelle von Phosgen wird eine eindeutigere, direktere Syntheseroute zum weiteren Upscaling erreicht. Im Rahmen des zweiten Teilprojektes wurden dualstere Liganden hergestellt, die variable orthostere und allostere Molekülteile besitzen. Durch mehrstufige Syntheseverfahren konnten vier verschiedene Typen von Hybriden hergestellt werden. Dualstere Liganden wurden dadurch erhalten, dass entweder Phthalimido- oder 1,8- Naphthalimidopropylamino-Gruppen als allostere Bindegruppe durch einen flexiblen und verschieden langen Linker mit N-Demethylpirenzepin oder N-Demethylclozapin verknüpft wurden. Außerdem wurden dualstere Liganden hergestellt, in denen N-Demethylclozapin durch einen variablen Linker entweder an den Superagonisten Iperoxo oder an Acetylcholin geknüpft ist. Der kritischste Schritt der Synthese ist die Verknüpfung der beiden Linkersegmente am Ende des Herstellungsweges. Hierfür wurden mehrere Reaktionsbedingungen untersucht, um die Kopplung optimal zu ermöglichen. Die beste Methode, bei der die wenigsten Nebenprodukte und die größten Ausbeuten erzielt wurden besteht darin, die beiden letzten Zwischenstufen in Abwesenheit einer Base, Katalysatoren oder Mikrowellenstrahlung in Acetonitril zu lösen und bei 35 °C mehrere Tage zu rühren (Reaktionskontrolle: Dünnschichtchromatographie an Kieselgel, Fließmittel: 0,2 M wässrige KNO3/MeOH 2:3). Als bestes Reinigungsverfahren stellten sich entweder die Kristallisation aus dem Reaktionsmedium oder die Verwendung einer Flash-Chromatographie-Apparatur an C18-Kieselgel dar (Eluent: H2O/MeOH). Alle synthetisierten Hybridmoleküle werden noch einer pharmakologischen Charakterisierung unter Anwendung geeigneter FRET-Testsysteme unterzogen. KW - muscarinic receptors KW - dualsteric KW - Muscarinrezeptor KW - Ligand Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-179282 ER -