TY  - THES
A1  - Kittisak Sripha, 
T1  - NOVEL HETEROCYCLIC RING SYSTEMS DERIVED FROM CARACURINE V AS LIGANDS FOR THE ALLOSTERIC SITE OF MUSCARINIC M 2 RECEPTORS
T1  - Neue heterozyklische Ringsysteme abgeleitet von Caracurine V als Liganden für die allosteriche Bindungstelle der Muscarin-M2-Rezeptoren
N2  - Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Gebiet allosterischer Modulation des muscarinischen M2 Rezeptors. Allosterische Liganden beeinflussen das Bindungsverhalten eines orthosterischen Liganden (Agonisten oder Antagonisten) an die klassische Bindungsstelle des muscarinischen Rezeptors, indem sie seine Affinität entweder erhöhen(positive Kooperativität) oder erniedrigen (negative Kooperativität). Die allosterische Bindungsstelle befindet sich extrazellulär am Eingang der Rezeptor-Bindungstasche. Sie ist weniger konserviert als die orthosterische Bindungsdomäne, die tiefer im Rezeptorkanal zwischen den sieben transmembranalen Domänen lokalisiert ist. Demzufolge ist die Entwicklung subtyp-spezifischer allosterisch wirkenden Liganden leichter als subtypspezifischer Agonisten oder Antagonisten. Die Subtypselektivität kann darüber hinaus über unterschiedliche Kooperativitäten zwischen dem orthosterischen und allosterischen Liganden an verschiedenen muscarinischen Subtypen erreicht werden. Ein am M1-Rezeptor mit Acetylcholin positiv kooperativer allosterer Modulator, der sich an anderen muscarinischen Subtypen neutral kooperativ verhält, könnte z.B. für die Therapie von Morbus Alzheimer eingesetzt werden. Bisquartäre Ammoniumsalze des Strychnos-Alkaloids Caracurin-V gehören zu den potentesten allosterischen M2-Liganden. Die relative Stellung der aromatischen Indolringe und der Abstand zwischen den positiv geladenen Stickstoffatomen (ca. 10) in dem sehr starren Caracurin-V-Ringsystem definieren den Pharmakophor für potente allosterische Modulatoren. Caracurin-V-Salze sind strukturell sehr verwandt mit den starken Muskelrelaxantien Toxiferin-I und Alcuronium und besitzen vermutlich selbst neuromuskulär-blockierende Eigenschaften, was ihre Anwendung in der pharmakologischen Forschung einschränken würde. Reduktion des Caracurin-V-Ringsystems auf die wesentlichen Pharmakophorelemente könnte zu allosterisch wirksamen Verbindungen mit vernachlässigbarer muskelrelaxierender Wirkung führen. Ziel dieser Arbeit war die Synthese und pharmakologische Testung von Derivaten eines neuen, von Caracurin V abgeleiteten, heterocyclischen Ringsystems. Das neue gewünscht 6,7,14,15-Tetrahydro[1,5]diazocino[1,2-a:6,5-a]-diindole-Ringsystem(6) wurde in einer intermolekularen N-Alkylierung von zwei Molekülen Bromethylindol 5 aufgebaut. Die Ausgangsverbindung 5 konnte aus dem Indolylessigsäuremethylester 3 durch Reduktion der Estergruppe zum Alkohol und anschließende Substitution durch Brom dargestellt werden. Der bekannte Ester 3 wurde ausgehend von Tryptamin erhalten. Die dreistufige Synthese umfasste N-Dibenzylierung, Einführung der Malonestergruppe am C-2 von Indol und anschließende Demethoxycarbonylierung. Die Totalsynthese des neuen Pentacyclus ist im Schema 24 dargestellt. Die 3D-Struktur des neuen Ringgerüstes konnte mit Hilfe von NMR-Spektroskopie und semiempirischen Rechnungen (AM1) aufgeklärt werden. Verbindung 6 liegt in Lösung in einer verdrehten Wanne-Konformation mit unsymmetrisch angeordneten Seitenketten vor. Um den Einfluss der Seitenkettenlänge des neuen Ringsystems auf die allosterische Wirksamkeit zu untersuchen, war es geplannt, die Ethylamin-Gruppen durch Methylamin-Einheiten zu ersetzen. Der entsprechende Syntheseplan bestand darin, das unsubstituierte Ringsystem in einer doppelten Mannich-Reaktion zu aminomethylieren. Der Ausgangsstoff für die Dimerisierung, Bromethylindol 32, wurde aus Indol-2-carbonsäure hergestellt. Die Synthese umfasste folgende Reaktionsschritte: Reduktion der Carboxylgruppe und Benzoylierung des resultierenden Alkohols, nucleophile Substitution mit Kaliumcyanid, alkalische Hydrolyse des Cyanids zu Indolacetessigsäure, erneute Reduktion zum Alkohol und abschließende Substitution mit Brom. Da Dimerisierungsversuche von 32 nur zur Bildung des HBr-Eliminierungsproduktes 33 führten, wurde das entsprechende Tosylat als Ausgangsstoff eingesetzt. Überraschenderweise entstand nicht das erwartete Diazocinodiindol-Ringgerüst, sondern ausschließlich ein isomeres, noch nicht bekanntes 6,7,14,15-Tetrahydro-15aH-azocino[1,2-a:6,5-b]diindol-Ringsystem 35. Die Bildung des neuen unsymmetrischen Ringsystems ist auf den ambidenten Charakter des Indolylanions zurückzuführen, das entweder am Sticksoff oder an C3 alkyliert werden kann. Umsetzung von 35 nach Mannich lieferte das bisaminoalkylierte Produkt 37, neben einer kleinen Menge der monoalkylierten Verbindung 36. Die Totalsynthese des zweiten Ringsystems ist im Schema 25 dargestellt. Um potentere Verbindungen zu erhalten, wurden beide Endstufen 6 bzw. 37 mit Methyliodid zu 14 bzw. 38 quaternisiert. 37 wurde zusätzlich mit Allylgruppen zu 39 substituiert. Die pharmakologische Testung von 14, 37, und 38 erfolgte über Radioligandbindungsstudien an Membransuspensionen der Herzventrikel des Hausschweins. Der allostere Effekt der Testverbindungen wurde über die Hemmung der Dissoziation von [3H]-N-Methylscopolamin([3H]-NMS) von den damit gesättigten Rezeptoren gemessen. Die erhaltenen EC50,diss-Werte geben die Konzentration des allosteren Modulators an, bei der die [3H]-NMS-Dissoziation auf die Hälfte des Kontrollwertes reduziert ist. Sie sind ein Maß für die Affinität der Testsubstanzen zur allosterischen Bindungsstelle des M2 Rezeptors. Für die einzige Verbindung mit dem Diazocinodiindole-Ringsystem 14 wurde ein EC50,diss-Wert von 54 nM gemessen. Da 14 über vier Benzylsubstituenten verfügt, kann seine Bindungsaffinität am besten mit der von Dibenzylcaracurinium-Dibromid verglichen werden, die ganz ähnlich ist (69 nM). Aufgrund der Tatsache, dass die Verkleinerung des NSubstituenten am Caracurin-V-Gerüst zur erheblichen Steigerung der allosterischen Potenz führte, ist zu erwarten, dass der Austausch der voluminösen Benzylgruppen von 14 durch z.B. Methyl- oder Allylsubstituenten, eine deutliche Affinitätssteigerung bewirken würde. Damit scheint die allosterische Potenz des neuen Ringsystems mindestens genauso gut zu sein, wie die von Caracurin V. Die beiden Vertreter des Azocinodiindol-Ringsystems, 38 und 39, sind bereits mit den Gruppen substituiert, die die beste allosterische Potenz bei dem Caracurin-V-Ringsystem zeigten (Methyl- und Allyl). Ihre EC50,diss-Werte (35 nM für 38, 48 nM für 39) sprechen jedoch für eine ca. 4-fach schwächere Bindungsaffinität als die der entsprechenden Caracurine, was vermutlich auf einen anderen Abstand zwischen den quartären Stickstoffatomen und eine andere relative Stellung der Indolaromaten in den beiden Ringsystemen zurückzuführen ist. Anders als die entsprechenden Caracurin-V-Salze, sind 38 und 39 negativ kooperativ mit dem Antagonisten [3H]NMS. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass von den beiden neu synthetisierten heterocyclischen Ringsystemen das direkt von Caracurin V abgeleitete Tetrahydro- [1,5]diazocino[1,2-a:6,5-a]diindol eine bessere und vielversprechende Leitstruktur für die Entwicklung neuer potenter allosterischen Liganden des M2-Rezeptors darstellt. Weitere synthetische Arbeiten an dem Ringsystem wie z.B. Variation des Sticksstoffsubstituenten und der Seitenkettenlänge sollten zu einer Steigerung der Bindungsaffinität in den subnanomolaren Bereich führen. Darüber hinaus sind die Ergebnisse der pharmakologischen Testung an dem muskulären Typ des nicotinischen Acetylcholinrezeptors abzuwarten.
N2  - The study deals with the area of the allosteric modulation of the muscarinic M2 receptors. The allosteric modulators have an influence on binding of orthosteric ligands (agonists and antagonists) to the classical orthosteric binding site of the muscarinic M2-receptors. The modulators are able to enhance (positive cooperativity) or decrease (negative cooperativity)the affinity of ligands to the orthosteric binding site. The allosteric binding site is located at the entrance of the receptor binding pocket. It is less conserved than the orthosteric binding site which is located in a narrow cavity created by the seven transmembrane domains. Consequently, development of subtype selective allosteric ligands is easier than subtypeselective muscarinic agonists or antagonists. Furthermore, subtype selectivity can be achieved by differently cooperative interactions between the allosteric and orthosteric ligand at different receptor subtypes. For example, the allosteric modulators that are positively cooperative with ACh at M1 receptors and neutrally cooperative at the other receptor subtypes could be beneficial for treatment of the Alzheimer’s disease. Bisquaternary analogues of the Strychnos alkaloid caracurine V are among the most potent allosteric modulators of muscarinic M2-receptors. The very rigid ring skeleton comprises the pharmacophoric elements of two positively charged nitrogens at an approximate distance of 10 surrounded by two aromatic ring systems in a distinct spatial arrangement. Owing to the close structural relationship of caracurine V salts to the strong muscle relaxants toxiferine and alcuronium, they are likely to exhibit neuromuscular blocking activity, which would limit their usefulness as research tools and make the therapeutical use impossible. Reduction of the caracurine V ring skeletons to structural features responsible for good allosteric potency could possibly lead to compounds with negligible neuromuscular blocking activity and very high affinity to the allosteric binding site at M2 receptor. Thus, the aim of this study was to synthesize and pharmacologically evaluate analogues of a novel heterocyclic ring system, which comprises the pharmacophoric elements mentioned previously. The key step of the synthesis of the desired 6,7,14,15-tetrahydro[1,5]diazocino[1,2-a:6,5-a]-diindole ring system (6) involved the intermolecular double N-alkylation of the bromoethylindole (5), which was prepared from the known indolyl methylacetate (3) by reduction of the ester group to alcohol and subsequent substitution by bromine. 3 could be prepared in three steps involving N,N-dibenzylation of tryptamine followed by introduction of the dimethyl malonate moiety at C-2 of indole ring and a subsequent demethoxycarbonylation. The total synthesis of 6,7,14,15-tetrahydro[1,5]diazocino[1,2-a:6,5-a]diindole ring system (6) is shown in Scheme 24. In order to examine the influence of the length of the side-chain on muscarinic activity,exchange of the ethylamine moieties of 14 by the methylamino groups was planned. This should be accomplished by dimerization of the unsubstituted 2-bromoethylindole (32), and subsequent Mannich aminomethylation of the resulting unsubstituted pentacyclic ring. The total synthesis of the 6,7,14,15-tetrahydro-15aH-azocino[1,2-a:6,5-b]diindole ring system(35) is shown in Scheme 25. 32 was prepared from indole-2-carboxylic acid in six steps involving reduction of the acid to the corresponding alcohol 26, benzoylation of 26 followed by nucleophilic substitution with KCN, hydrolysis of the cyanide 28 to indolyl acetic acid 29,reduction of 29 to the corresponding alcohol 30, and finally bromination of 30 to give the bromide 32. Since dimerization attempts of 32 provided only 2-vinylindole (33), the tosylate 34 was used as starting material for the intermolecular alkylation to give exclusively an isomeric pentacyclic ring system, 7,14,15-tetrahydro-15aH-azocino[1,2-a:6,5-b]diindole (35). The formation of the novel, asymmetric ring skeleton can be explained by the ambident nucleophilic character of the indolyl anion that can be alkylated either at nitrogen or at C-3 of indole ring. 35 was subjected to a Mannich reaction to give 2,13-dimethylaminoalkylated product 37 as well as small amounts of the 13-monosubstituted compound (36). The geometry of novel ring systems 6 was elucidated by means of NMR spectroscopy and semiempirical calculations. The diazocinodiindole ring skeleton of 6 exists in chloroform solution at room temperature in a twisted-boat conformation, as indicated by 600 MHz ROESY experiment, vicinal coupling constants within the eight-membered ring, and AM1 calculations. In order to obtain potent allosteric ligands, the new heterocycles 6 and 37 were quarternized with methyliodide to the corresponding ammonium salts 14 and 38, respectively. Additionally, the N,N -diallylsalts of 37 (compound 39) was prepared. The allosteric effect of 14, 38, and 39 on the dissociation of the orthosteric radioligand [3H]Nmethylscopolamine([3H]NMS) and their effects on [3H]NMS equilibrium binding were studied in homogenates of porcine heart ventricles. The concentration of an allosteric agent for a half-maximum effect on orthosteric ligand dissociation (EC50,diss) corresponds to a 50 % occupancy of the liganded receptors by the respective allosteric test compounds. Due to the presence of two benzyl groups on each nitrogen in the side chains of 14, its binding affinity can be best compared with that of N,N -dibenzylcaracurinium V dibromide (EC50,diss = 69 nM). Compound 14 exhibited the comparable affinity to N,N -dibenzylcaracurinium V dibromide with EC50,diss = 54 nM. This result suggested that replacement of the bulky benzyl groups of 14 by smaller substitutents will probably increase the allosteric potency, since dimethyl- and diallylcaracurinium salts showed a 5-fold increase of binding affinity relative to the dibenzyl analogue. Even though the new azocinodiindole ring system of 38 and 39, is not included in the caracurine V ring skeleton, it comprises the essentially pharmacophoric elements of allosteric potency. Due to the different spatial arrangements of the aromatic rings, as well as to different internitrogen distances in both ring systems, compound 38 and 39 exhibited 4-fold lower M2 binding affinity (EC50,diss = 35 and 48 nM, respectively) than the corresponding caracurine V analogues. This study deals with the synthesis of the first representative (Compound 6) of a novel pentacyclic ring system derived from caracurine V. The high allosteric potency of its dimethyl analogue reveals the [1,5]diazocino[1,2-a:6,5-a]-diindole ring system as a new promising lead structure for allosteric modulators of muscarinic M2 receptors. Future research will be focused on structural modifications of the new ring system in order to increase the affinity to the muscarinic receptors. Furthermore, the binding affinities of the new synthesized compounds to the muscle type of nicotinic ACh-receptor should reveal structural features responsible for the muscarinic/nicotinic selectivity.
KW  - Muscarinrezeptor
KW  - Allosterischer Effektor
KW  - Strychnosalkaloide
KW  - Analoga
KW  - Chemische Synthese
KW  - Allosterisch Modurator
KW  - Muscarinrezeptor
KW  - Tetrahydro[1
KW  - 5]diazocino[1
KW  - 2-a:6
KW  - 5-a']diindol
KW  - Tetrahydro-15aH-azocino[1
KW  - 2-a:6
KW  - 5-b']diindol
KW  - Allosteric Modulator
KW  - Muscarinic receptor
KW  - Tetrahydro[1
KW  - 5]diazocino[1
KW  - 2-a:6
KW  - 5-a']diindole
KW  - Tetrahydro-15aH-azocino[1
KW  - 2-a:6
KW  - 5-b']diindole
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-6841
ER  - 
TY  - THES
A1  - Heinrich, Tilman
T1  - Siliciumorganische Wirkstoffe : Synthese und pharmakologische Eigenschaften siliciumhaltiger Muscarin-, Dopamin- und alpha1-Rezeptor-Antagonisten sowie Ca2+-Kanal-Blocker
T1  - synthesis and pharmacological characterization of silicon-containing muscarinic antagonists, dopamine receptor antagonists, Ca2+ channel blockers, and alpha1-adrenoceptor antagonists
N2  - Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden neuartige siliciumhaltige Muscarinrezeptor-Antagonisten, Dopaminrezeptor-Antagonisten, Ca2+-Kanal-Blocker sowie alpha1-Rezeptor-Antagonisten synthetisiert, welche Sila-Analoga (C/Si-Austausch) bekannter organischer Pharmaka darstellen. Die C/Si-Analoga wurden pharmakologisch charakterisiert und damit Beiträge zur Thematik der C/Si-Bioisosterie geleistet.
N2  - In this work novel silicon-containing muscarinic antagonists, dopamine receptor antagonists, Ca2+ channel blockers, and alpha1-adrenoceptor antagonists – representing sila-analogues (C/Si replacement) of known organic drugs – were synthesized and pharmacologically characterized (studies on C/Si bioisosterism).
KW  - Muscarinrezeptor
KW  - Dopaminrezeptor
KW  - Alpha-1-Rezeptor
KW  - Antagonist
KW  - Calciumantagonist
KW  - Siliciumorganische Verbindungen
KW  - Pharmakologie
KW  - Bioisosterie
KW  - Silicium
KW  - siliciumorganisch
KW  - Bioisosterie
KW  - Rezeptor-Antagonisten
KW  - silicon
KW  - organosilicon
KW  - bioisosterism
KW  - receptor antagonists
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-11106
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TY  - THES
A1  - Muth, Mathias
T1  - Synthese und Charakterisierung allosterer Modulatoren muscarinischer M2-Rezeptoren : Strukturvariationen der Bis(ammonium)alkan-Verbindung W84
T1  - Synthesis and characterisation of allosteric modulators of the muscarinic M2-receptor - structural variations of the bis(ammonio)alkane-compound W84
N2  - Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung allosterer Modulatoren muscarinischer Rezeptoren. Allostere Modulatoren binden an einer topographisch anderen Stelle am Rezeptor als klassische orthostere Liganden und sind so in der Lage, die Dissoziation und die Assoziation orthosterer Agonisten und Antagonisten zu beeinflussen. Die fünf Subtypen des Muscarinrezeptors M1-M5 unterscheiden sich vor allem in der Aminosäuresequenz der in den äußeren Bereichen des Rezeptorproteins vorhandenen Loops, während sie im Bereich des Rezeptorkanals, wo die orthostere Bindungsstelle lokalisiert ist, eine hohe Sequenzhomologie aufweisen. Die gemeinsame Bindungsstelle allosterer Modulatoren des M2-Rezeptors befindet sich im weniger konservierten extrazellulären Bereich. Somit sind allostere Modulatoren in der Lage, spezifisch an einen der Rezeptorsubtypen zu binden. Als Leitstruktur zum Entwurf der im Rahmen dieser Arbeit synthetisierten Verbindungen diente die Bis(ammonium)alkanverbindung W84. Über Weg A wurden Phthalsäure- bzw. Naphthalsäureanhydridderivate in einer Kondensationsreaktion mit dem entsprechenden N,N-Dimethylpropan-1,3-diaminderivat zum jeweiligen Phthalimidopropylaminderivat umgesetzt. Durch die Reaktion von zwei Äquivalenten des Amins mit einem Äquivalent 1,6-Dibromhexan wurden dann die symmetrischen W84-Derivate erhalten. Um die unsymmetrischen W84-Derivate zu erhalten, musste zunächst das jeweilige Phthalimidopropylamin einseitig durch 1,6-Dibromhexan alkyliert werden. Im letzten Schritt wurden äquimolare Mengen der alkylierten Verbindung und eines Phthalimidopropylamins umgesetzt. Da sich im Laufe der Arbeit die Methylierung an Position 2 der Propylketten als kritische Position zur Beeinflussung der Gleichgewichtsbindung herausstellte, wurden Verbindungen hergestellt, die an den Propylketten Alkylgruppen verschiedener Länge tragen. Aus diesem Grund wurde Syntheseweg B entwickelt. Zunächst wurden in mehreren Stufen, ausgehend von Malonsäurediethylester, einfach und zweifach mit Alkylgruppen substituierte 1,3-Dibrompropanderivate hergestellt. Diese wurden dann mit Kaliumphthalimid zu den jeweiligen 3-Brompropylphthalimidderivaten umgesetzt. Zwei Äquivalente dieser 3-Brompropylphthalimide reagierten mit einem Äquivalent N,N,N’,N’-Tetramethyl-1,6-hexandiamin zu den entsprechenden symmetrischen W84-Derivaten. Ein weiteres Ziel der Arbeit bestand darin, stark fluoreszierende W84-Derivate herzustellen. Die fluoreszierenden Eigenschaften N-substituierter Naphthalimide könnten zur direkten Charakterisierung allosterer Interaktionen oder zur Verfolgung des „Rezeptor-Traffickings“ mittels Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie genutzt werden. Deshalb wurden in Position 3 und 4 des Naphthalimidringes des potentesten allosteren Modulators Aminogruppen eingeführt. Hexamethonio-Derivate beeinflussen in nennenswertem Maße bisher nur die Bindung von Antagonisten am M2-Rezeptor. Da die allostere und die orthostere Bindungsstelle räumlich nahe zusammenliegen, wurde der Versuch unternommen, einen orthosteren Agonisten und einen allosteren Modulator in einem Molekül miteinander zu verknüpfen. Es wurden zwölf Hybridmoleküle aus einem Teil des hochaffinen allosteren Modulators 3a und Derivaten des Muscarinagonisten Oxotremorin-M, verbunden durch aliphatische Spacer verschiedener Länge, hergestellt. In pharmakologischen Testungen soll aufgeklärt werden, ob es möglich ist, mit einem Agonist/Alloster-Hybridmolekül gleichzeitig die orthostere und die allostere Bindungsstelle zu besetzen. Die pharmakologische Testung der synthetisierten Verbindungen erfolgte durch Radioligandbindungsstudien. Der allostere Effekt der Testsubstanzen wurde indirekt über die Verzögerung der Dissoziation des radioaktiv markierten orthosteren Antagonisten [3H]N-Methylscopolamin bestimmt. Alle bisquartären Testverbindungen weisen deutlich höhere Affinitätswerte als die Leitstruktur W84 auf. Die 1,8-Naphthalimid-substituierten Verbindungen mit gleichzeitiger zweifacher Methylierung erwiesen sich als hochaffin und zugleich positiv kooperativ. Die wirksamste Verbindung dieser Serie ist Verbindung 3a (Naphmethonium), deren Affinität zum NMS-besetzten Rezeptor im einstelligen nanomolaren Bereich liegt (pEC50 = 8.36). Somit stellt Naphmethonium den potentesten in der Literatur bekannten allosteren Modulator des M2 Rezeptors dar. Mittels QSAR-Analysen wurden die ermittelten Affinitäten zum freien und zum NMS-besetzten Rezeptor in Zusammenhang mit verschiedenen physikochemischen Parametern gebracht. Die Affinität zum NMS-besetzten Rezeptor der Verbindungen der Serie 2 lässt sich mit hoher Güte durch das Volumen eines lateralen N-Methylimids in Kombination mit der benachbarten Dimethylierung der Propylkette beschreiben. Somit wird deutlich, dass zur Erzielung von positiver Kooperativität die Kombination aus einem hochaffinen aromatischen Imid in direkter Nachbarschaft zu einer 2,2-Alkylpropylkette essentiell ist.
N2  - The present work deals with the synthesis and characterization of allosteric modulators of muscarinic receptors. Allosteric modulators bind to a topographically different site than classical orthosteric ligands and, thus, are capable of influencing both the dissociation and the association of orthosteric agonists and antagonists. Allosteric modulators are capable of binding selectively to specific subtypes. The bis(ammonio)alkane-type compound W84 served as a lead for the compounds synthesized in this work. Via pathway A, phthalic- and naphthalic anhydride derivatives were converted with N,N-dimethylpropane-1,3-diamines to the phthalimidopropylamine derivatives. The symmetrical W84-derivatives were obtained by the conversion of two equivalents of the amine with one equivalent 1,6 dibromohexane. To obtain the non-symmetrical W84-derivatives the phthalimidopropylamines were unilaterally alkylated by 1,6-dibromohexane. In the last step equimolar amounts of the monoalkylated compound and a phthalimidopropylamine were connected. During our studies the methylation of position 2 of the propylene chains was identified as critical position for the influence on equilibrium binding. Therefore, compounds with varying alkyl substituents were synthesized. First, starting from malonic diethyl ester, 1,3-dibromo-propane derivatives carrying one or two ethyl-, propyl- or iso-butyl groups, respectively, were synthesized first. The latter were converted to the corresponding 3-bromopropylphthalimid derivatives with potassium phthalimide. In the last step two equivalents of the bromopropyl-phthalimides reacted with one equivalent tetramethyl-1,6-hexane-diamine to the symmetrical hexamethonio-derivatives. A further aim of the work was to synthesize highly fluorescent W84-derivatives. The fluorescent properties of N-substituted naphthalimides could be utilized for the direct characterization of allosteric interactions. Therefore, amino groups were introduced in positions 3 and 4 of the naphthalimide moiety. Until now, only the binding of antagonists of the M2 receptor was influenced by hexamethonio derivatives. Because of the spatial proximity of the orthosteric to the allosteric binding site it was tried to combine an agonist and an allosteric modulator in one molecule. Twelve hybride molecules consisting of a part of a highly affin allosteric modulator and of derivatives of the muscarinic agonist oxotremorine-M were synthesized. In the pharmacological evaluation it will be elucidated if it is possible for an agonist/alloster-hybride molecule to bind simultaneously to the orthosteric and the allosteric site. The pharmacological testing of the compounds was accomplished by radioligand binding studies . The allosteric effect of the compounds was determined by measurement of the inhibition of the dissociation of the radioactive marked orthosteric antagonist [3H]N-methylscopolamine. All compounds revealed higher affinitiy values than the lead structure W84. The most potent compound of that series is compound 3a (naphmethonium) that reveals an affinity to the NMS-occupied receptor in the low nanomolar range (pEC50 = 8.36). Taking all results together, the highest affinity values in combination with positive cooperativity were obtained for W84-derivatives carrying at least one naphthalimide moiety directly connected to a 2,2-dimethylpropyl chain. By the introduction of different alkyl groups in the propylene chains it was possible to verify the critical position with respect to the cooperative behaviour of W84-derivatives. QSAR-studies were performed in order to check whether the pharmacologically determined affinities to the free and to the NMS-occupied receptor can be explained by physicochemical properties of the compounds. The affinity to the NMS-occupied receptor of the compounds of series 2 can be described using the volume of one lateral N-methylimide in combination with the dimethylation of the neighbored propylene chain. Summarizing these results it can be concluded that the compounds feature a dominant side with regard to allosteric potency. To achieve positive cooperativity the combination of an affinity generating lateral aromatic imide moiety connected to a 2,2-alkylated propylene chain is essential.
KW  - Muscarinrezeptor
KW  - allosterischer Effektor
KW  - W84
KW  - Analoga
KW  - Chemische Synthese
KW  - GPCR
KW  - allostere Modulation
KW  - Muscarinrezeptor
KW  - GPCR
KW  - allosteric modulation
KW  - muscarinic receptor
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-8839
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TY  - THES
A1  - Teichgräber, Jürgen
T1  - Aminosubstituierte Terphenyle als neue Leitstruktur für allostere Modulatoren muscarinischer M2-Acetylcholinrezeptoren
T1  - Aminosubstituted terphenyls as new leadstructures for allosteric modulators of the muscarinic M2-acetylcholine receptors
N2  - Die muscarinischen Rezeptoren sind ein wichtiger Bestandteil des parasympathischen Nervensystems. Sie gehören zur großen Gruppe der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren, die nach ihrer Verwandtschaft in drei große Klassen eingeteilt werden können. Die muscarinischen Rezeptoren gehören zur Klasse A, den rhodopsinähnlichen Rezeptoren. Durch die im Jahr 2000 vorgenommene Aufklärung der hochauflösenden Röntgenkristallstruktur des Rinderrhodpsins und die hohe Aminosäuresequenzähnlichkeit der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren hat man eine sehr gute Modellvorstellung über den Aufbau der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren. Die Rezeptoren bestehen aus sieben transmembranalen Helices, die von drei intrazellulären und drei extrazellulären Loops stabilisiert werden. Bis heute konnten fünf Rezeptorsubtypen gentechnisch klassifiziert werden, die sich durch ihre Gewebeverteilung und Funktion unterscheiden. Allen Subtypen ist eine hohe Sequenzhomologie im Bereich der orthosteren Bindungsstelle gemeinsam, so dass die Entwicklung von subtyp-spezifischen orthosteren Liganden sehr schwierig ist. Außer der orthosteren Bindungsstelle konnte noch eine weitere Bindungsstelle am muscarinischen Rezeptor identifiziert werden. Diese befindet sich weiter außerhalb im Rezeptor in einem Bereich, der über die fünf Rezeptorsubtypen nicht sehr stark konserviert ist, so dass die Entwicklung von subtyp-spezifischen Liganden möglich ist. An dieser zweiten Bindungsstelle binden allostere Modulatoren. Hierbei handelt es sich um Substanzen, die ohne den orthosteren Liganden keinen Effekt am Rezeptor auslösen, dafür aber die Gleichgewichtsbindung des orthosteren Liganden beeinflussen können. Der Einfluss auf die Gleichgewichtsbindung geschieht wechselseitig und kann positiv, neutral oder negativ kooperativ sein. Zusätzlich üben allostere Modulatoren einen Effekt auf die Dissoziation des orthosteren Liganden aus. Die meisten bisher gefunden allosteren Modulatoren erniedrigen die Dissoziationsgeschwindikeit des orthosteren Liganden vom Rezeptor. Die Summe dieser Eigenschaften machen die allosteren Modulatoren sehr interessant für die Arzneimitteltherapie. Das Ziel dieser Arbeit war die Synthese strukturell neuer allosterer Modulatoren des muscarinischen Rezeptors unter Anwendung des postulierten Pharmakophormodells. Als Ausgangspunkt sollten geländerhelicale Moleküle dienen, die strukturell abgewandelt dieses Pharmakophormodell sehr gut erfüllen. Die geländerhelicalen Moleküle ähneln in ihrem dreidimensionalen Aufbau dem Geländer einer Wendeltreppe. Sie sind durch die Brücken zwischen den aromatischen Bereichen sehr rigide Moleküle, so dass es nur wenige genau definierte Konformationen gibt. Grundsätzlich können drei Atropisomere unterschieden werden, wobei zwei zueinander enantiomer sind. Geplant war die Synthese eine Reihe von tertiären Aminen oder quartären Ammoniumsalzen. Die Synthese der Ausgangsverbindung konnte nach der Vorschrift von Kiupel erfolgen, war aber nur mit geringer Ausbeute möglich. Deshalb wurde dieser Syntheseweg nicht weiterverfolgt. Als Alternative bot sich an, auf die Brücken zwischen den aromatischen Ringen zu verzichten. Die so entstandenen Verbindungen sind weniger rigide und können sich deshalb gegebenenfalls besser an den Rezeptor anpassen. Grundsätzlich können je nach Substitutionsmuster zwei Synthesewege verfolgt werden. Beide Varianten erfüllen das postulierte Pharmakophormodell. Der Aufbau des Grundgerüstes erfolgt mittels einer nickelkatalysierten Grignard-Kupplung. Danach erfolgen eine Wohl-Ziegler-Seitenkettenbromierung und eine Verlängerung der Seitenkette im Sinne einer Alkylierung mittels Malonsäurediethylester und einer Hilfsbase. Anschließend erfolgen die Decarboxylierung und die Umsetzung zum Amid, das zum Amin reduziert werden kann. Betrachtet man die Lage der Pharmakophorelemente so variiert der Abstand der positiv geladenen Stickstoffe je nach Konformation zwischen 5 Å und 15 Å, so dass ein weiter Bereich abgedeckt werden kann. Der Abstand der aromatischen Bereiche bleibt relativ stabil. Die pharmakologische Testung der Verbindungen auf ihre allostere Potenz und Affinität zum muscarinischen Rezeptor erfolgte in der Arbeitsgruppe von Prof. Mohr in Bonn. Hierzu werden Membranhomogenate vom Herzventrikelgewebe des Hausschweines verwendet. Diese enthalten mit großer Prävalenz muscarinische M2-Rezeptoren. Es wurden Gleichgewichtsbindungs- und Dissoziationsexperimente durchgeführt. Bis jetzt sind noch nicht alle Verbindungen getestet worden. Die bisher getesteten Verbindungen weisen alle eine Affinität zum mit [3H]-N-Methylscopolamin besetzten muscarinischen M2-Rezeptor im mikro-molaren Bereich auf. Sie liegen damit im oberen Bereich der bisher synthetisierten allosteren Modulatoren. Das postulierte Pharmakophormodell konnte also mit Hilfe der synthetisierten Substanzen bestätigt werden.
N2  - The muscarinic receptors are an important part of the parasympathic nervous system. They belong to the group of G protein-coupled receptors. Up to now about 1000 members of this group have been identified and were classified into three families. The muscarinic receptors belong to family A, the rhodopsine-like receptors, which is also the biggest family. Due to the high resolution X-ray crystallography analysis of bovine rhodopsine and the high similarity of the protein sequences of the G protein-coupled receptors, there is a good model describing the structure of the G protein-coupled receptors. The receptor consists of seven transmembranale helices which are stabilised by three extra- and three intracellular loops. Up to now five receptor subtypes are genetically classified which differ in tissue partitioning and function. All subtypes possess a high sequence similarity within the area of the orthosteric binding site. Therefore the development of subtypspecific orthosteric ligands is very difficult. Apart from the orthosteric site a second binding site at the muscarinic receptor could be identified located outside the receptor at a position which is not highly conserved over the five receptor subtypes. Due to this fact the development of subtypspecific ligands could be possible. At this second site allosteric modulators are able to bind. Allosteric modulators are substances which have no effect on the receptor without the binding of the orthosteric ligand, but affect the equilibrium binding of the orthosteric ligand. Influence on the equilibrium binding occurs mutual and is positively, neutral or negatively cooperative. Additionally allosteric modulators have an effect on the dissociation of the orthosteric ligand. Most of the known allosteric modulators reduce the dissociation rate of the orthosteric ligand from the receptor. These properties make allosteric modulators very interesting for medication. Their use could make a smooth and selective modulation of the orthosteric ligand´s effect on one special subtype within a wide therapeutic range possible. A positive cooperative allosteric modulator of the M2-receptor could enhance selectively the affinity of an orthosteric ligand to the receptor. The aim of this dissertation was the synthesis of structurally new allosteric modulators of the muscarinic receptor using the postulated pharmacophore model. Structurally modified “geländerhelicale” molecules served as starting point because they fit perfectly in the postulated pharmacophore model. The 3D structure of a “geländerhelical” molecule is similar to the banisters of a spiral staircase. Due to the bridges between the aromatic rings these molecules are very rigid so that there is a limited set of conformations. In principle three atropisomers can be distinguished, two of them are enantiomers. The synthesis of some tertiary amines or quartäry ammonia salts was intended. The first steps of the synthesis followed Kiupel´s synthesis scheme. Since the last-mentioned ring closure could only be performed with poor yields and a couple of reactions had to follow to obtain the pure product, the strategy was slightly changed. As an alternative the bridges between the aromatic rings were omitted. The compounds are less rigid and have the ability to adopt the receptor’s shape. Two synthesis strategies are possible. Both variations fulfil the postulated pharmacophore model. In case of pathway A the stereochemistry does not change. It could be distinguished between three atropisomers, two of them are enantiomers. In case of pathway B two atropisomers could be distinguished which are diastereomers. Due to higher yields pathway B was preferred. The skeleton was built up by means of a nickel catalysed Grignard coupling. After that the two side chains were brominated by a Wohl-Ziegler-bromination and alkylated by the use of diethyl malonate and a strong base. Afterwards the esters were decarboxylated and converted to the amide which could be reduced to the amine. Looking at the pharmacophoric elements the distance between the positive nitrogens varies due to the conformation between 5 Å and 15 Å, therefore a wide range is covered. The distance between the aromatic ring systems is nearly constant. The pharmacological testing of the compounds due to there allosterical potency and affinity to the muscarinic receptor were performed by the group of Prof. Mohr at Bonn using membrane suspensions of the guinea pig’s heart ventricle tissue. They contain muscarinic M2-receptors with high prevalence. Equilibrium binding and dissociation assays were performed. Up to now not all compounds are tested. The tested compounds show affinity to the [3H]NMS occupied muscarinic M2-receptor in a micro-molar range. The affinity falls into an upper range of the already synthesised compounds. All in all the postulated pharmacophore model could be confirmed by the synthesised compounds.
KW  - Muscarinrezeptor
KW  - Allosterischer Effektor
KW  - Terphenylderivate
KW  - Allosterer Modulator
KW  - Muscarinischer Rezeptor
KW  - Terphenyl Derivate
KW  - allosteric modulation
KW  - muscarinic receptors
KW  - terphenyl derivatives
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-8571
ER  - 
TY  - THES
A1  - Saar, Matthias
T1  - Der Nachweis der muscarinischen Rezeptorsubtypen M2, M3 und M5 im schwangeren und nicht schwangeren humanen Myometrium mittels RT-PCR
T1  - Detection of the muscarinic receptors M2, M3 and M5 in pregnant and non pregnant human myometrium via RT-PCR
N2  - Da die Kontrolle der Kontraktion am Myometrium in der klinischen Praxis eine bedeutende Rolle spielt, sind Kenntnisse über die Physiologie zur Blockierung der Wehentätigkeit und Vermeidung von Frühgeburtlichkeit unverzichtbar. Der Einfuß des sympathischen Nervensystems mit Alpha und Beta-Rezeptoren ist gut untersucht, weshalb wir in der vorliegenden Arbeit eine Untersuchung zur Verteilung der muscarinischen Rezeptoren M1-M5 im schwangeren und nicht schwangeren Myometrium durchführten. Diese G-Protein gesteuerten parasympathischen Rezeptoren sind beispielsweise an Kontraktionsvorgängen in Blasen-, Magen-Darm- und Bronchialmuskulatur beteiligt und könnten so auch im Myometrium eine Rolle spielen. Mittels RT-PCR wurden 21 Myometriumbiopsien analysiert, wovon 11 Myometriumproben von Patientinnen in der 40. Schwangerschaftswoche, sowie jeweils 3 Proben von Patientinnen in der 32. Schwangerschaftswoche und von Patientinnen in der 25. Schwangerschaftswoche stammten, desweiteren eine Probe einer in der 10. Schwangerschaftswoche durch Hysterektomie abgebrochenen Schwangerschaft. Die drei letzten Proben stammten von nicht schwangeren Patientinnen nach vaginaler Hysterektomie. Dabei konnte gezeigt werden, dass sowohl zu verschiedenen Zeitpunkten in der Schwangerschaft, als auch am nicht schwangeren Myometrium jeweils m-RNA für M2, M3 und M5 muscarinische Rezeptoren existiert. Die durch die hier angewendeten Verfahren zur Gewebepräparation, Gewinnung von RNA und Anwendung der RT-PCR vorliegenden Ergebnisse sollten auf Proteinebene bestätigt werden, die Durchführung funktioneller Studien wäre wünschenswert.
N2  - Contraction in human myometrium plays an important role concerning preterm labour. As the influence of sympathetic nervous system with alpha- and beta-receptors is well known, we were searching for muscarinic receptors M1-M5 in pregnant and non pregnant human myometrium. These G-protein coupled parasympathetic receptors induce contraction in tissues like bladder, gastrointestinal and bronchial smooth muscle. Via RT-PCR we analysed 21 tissue biopsies, 11 from 40th week of pregnancy, three probes from 32th and 25th week and one from 11th week. Last 3 tissues were from non pregnant myometrium after vaginal hysterectomy. We were able to show that mRNA for the muscarinic receptors M2, M3 and M5 exists at different points in pregnancy and in the non pregnant myometrium. We hope that your methods for tissue preparation, mRNA isolation and processing RT-PCR and the results will help to prove the existence of muscarinic receptors on protein level and in functional studies.
KW  - Reverse Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion
KW  - Myometrium
KW  - Muscarin
KW  - Muscarinrezeptor
KW  - Messenger-RNS
KW  - Reverse transcriptase-polymerase chain reaction; Myometrium; Muscarin; Muscarinic Receptors; Messenger-RNA
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-24436
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schmitz, Jens
T1  - Synthese von Liganden muscarinerger Rezeptoren - Allostere Modulatoren, bivalente Agonisten und Antagonisten
T1  - Synthesis of ligands of muscarinic receptors - Allosteric modulators, bivalent agonists and antagonists
N2  - Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese von Liganden muscarinerger Rezeptoren, die zur Superfamilie der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren gehören. Die fünf Muscarinrezeptor-Subtypen weisen im Bereich der orthosteren Bindungsstelle, an die u. a. der endogene Ligand Acetylcholin bindet, einen hohen Konservierungsgrad der Aminosäuresequenz auf. Alle Muscarinrezeptoren weisen neben der orthosteren Bindungsstelle auch eine oder mehrere allostere Bindungsstellen auf. Da diese sich im weniger konservierten extrazellulären Bereich des Rezeptors befinden, ist es möglich subtypspezifische Liganden zu entwickeln. Allostere Modulatoren binden an diese topographisch andere Stelle des Rezeptors und sind in der Lage, gezielt die Bindung eines orthosteren Agonisten oder Antagonisten zu modulieren. Dies bedeutet, dass sie die Assoziation und die Dissoziation orthosterer Agonisten und Antagonisten beeinflussen können. Die Gleichgewichtsbindung des Orthosters kann erhöht (d. h. positive Kooperativität), erniedrigt (d. h. negative Kooperativität) bzw. nicht beeinflusst (d. h. neutrale Kooperativität) werden. Das Ziel der Arbeit bestand zunächst darin, die Synthese allosterer Modulatoren des M2-Rezeptors vom Bis(ammonium)alkan-Typ, wie W84 und Naphmethonium, zu optimieren. Da die Synthesen dieser bisquartären Verbindungen zeitaufwändig sind, wurden die Synthesen durch Einsatz einer Synthesemikrowelle optimiert, um neue Bis(ammonium)alkan-Verbindungen effizienter synthetisieren zu können. Der Vergleich beider Synthesemethoden (konventionell bzw. Mikrowellen-unterstützt) zeigt sehr deutlich, dass die Reaktionszeiten durch Einsatz einer Synthesemikrowelle drastisch verkürzt werden konnten, insbesondere bei Verbindungen, die sehr lange Reaktionszeiten beanspruchen. Zusätzlich konnten die Ausbeuten aller synthetisierten Verbindungen durch Mikrowellen-unterstützte Synthese z. T. deutlich gesteigert werden. Im Verlauf der Arbeit wurden unsymmetrisch und symmetrisch nitrosubstituierte Bisnaphthalimide hergestellt. Durch Mikrowellen-unterstützte Hydrierung unter Palladium/Kohle-Katalyse wurden anschließend die analogen aminosubstituierten Derivate erhalten. Ein weiteres Ziel der Arbeit bestand darin, ein Naphmethonium-Derivat herzustellen, das über einen Spacer mit einem geeigneten Fluoreszenzfarbstoff gekoppelt werden kann. Ein Farbstoff-markierter allosterer Modulator könnte als ein wichtiges pharmakologisches Werkzeug zur direkten Charakterisierung allosterer Interaktionen und zur Verfolgung des „Rezeptor-Traffickings“ mittels Fluoreszenzkorrelations-spektroskopie genutzt werden. Als Spacer diente eine Alkylkette mit endständiger primärer Aminofunktion, die mit Alexa-Fluor 532 gekoppelt werden sollte. Zur Einführung des Spacers wurden verschiedene Strategien verfolgt. Schließlich konnte Verbindung 3h über eine Chlorzwischenstufe hergestellt werden, über deren freie primäre Aminogruppe der Fluoreszenzfarbstoff in weiteren Arbeiten gekoppelt werden kann. Ein weiteres Ziel der Arbeit war die Syntheseoptimierung des hochpotenten unselektiven Agonisten Iperoxo, das eine für akademische Zwecke wichtige Substanz in der pharmakologischen Testung und ein wichtiges Zwischenprodukt in der Synthese bivalenter Agonist/Alloster-Hybridverbindungen ist. Die Ausbeuten aller Stufen konnten erhöht und die Gesamtausbeute signifikant von 13% auf 22% gesteigert werden. Außerdem wurden neue Agonisten hergestellt, die sich im Heterozyklus unterscheiden. Ein weiteres Ziel der Arbeit war die Synthese bivalenter Hybridverbindungen nach dem Nachrichten-Adressen-Modell von Schwyzer. Zum einen sollten Agonist/Alloster-Hybridverbindungen synthetisiert werden, wobei die in der Literatur beschriebene Hybridverbindung Hybrid 1 (W84 und Iperoxo) als Leitstruktur diente. So wurde im ersten Schritt eine auf der allosteren Seite verkürzte Substanz ohne Phthalimidopropyl-Rest hergestellt (Hexamethonium und Iperoxo). Danach wurden verschiedene Funktionalitäten an der lateralen quartären Ammoniumfunktion eingeführt. Daneben wurden erstmals Antagonist/Alloster-Hybridverbindungen hergestellt, die aus einem M2-selektiven allosteren Modulator (W84, Naphmethonium bzw. Hexamethonium) und einem subtypunspezifischen Antagonisten (Atropin bzw. Scopolamin) bestehen. Im ersten Schritt wurde der allostere Molekülteil nach der optimierten Mikrowellen-unterstützten Synthese hergestellt. Die erhaltenen Zwischenstufen 2 wurden im Anschluss mit Atropin und Scopolamin in Acetonitril umgesetzt und die Antagonist/Alloster-Hybridverbindungen 34 und 35 erhalten. Die pharmakologische Testung der synthetisierten Verbindungen erfolgte durch Radioligandbindungsstudien an Herzventrikelgewebe des Hausschweins. Der allostere Effekt der Testsubstanzen wurde indirekt über die Verzögerung der Dissoziation des radioaktiv markierten orthosteren Antagonisten [3H]N-Methylscopolamin.
N2  - The present work focussed on the synthesis and characterisation of ligands of muscarinic receptors belonging to the superfamily of G-protein-coupled receptors. The five known subtypes of muscarinic receptors (M1-M5) are located ubiquitary in the mammalian organism and participate in many physiological procedures. The endogenous ligand acetylcholine and classical antagonists bind to the orthosteric binding site, which is located deeply in the receptor channel and exhibit a highly conserved amino acid sequence. Allosteric modulators bind to a topographically different site than classical orthosteric ligands. The allosteric binding sites are located in the external loops of the receptor protein. Since these regions exhibit a less conserved structure it is possible to design allosteric modulators capable of binding selectively to specific subtypes and modulating the efficiency of the orthosteric ligand. An allosteric modulator has the ability to affect equilibrium binding of the orthosteric agonist or antagonist: equilibrium binding can either be increased (= positive cooperativity), decreased (= negative cooperativity) or left unaltered (= neutral cooperativity). One intention of this work was to optimize the synthetic pathway to bis(ammonio)alkane-type allosteric modulators of the M2-receptor, like W84 or naphmethonio. The syntheses to these bisquaternary compounds are time consuming. In order to obtain new potent bis(ammonio)alkane-compounds the syntheses were optimized by using a microwave oven. Comparing the conversion times of conventional and microwave-assisted heating revealed a substantially speed up in the synthetic pathway particularly for the reactions which took the longest under conventional reflux conditions. Additionally, the yields of all synthesized compounds could be increased by means of microwave-assisted synthesis. In this work symmetrical and non-symmetrical nitro-substituted bisnaphthalimides were synthesized and the analogue amino-substituted compounds were obtained by microwave-assisted hydrogenation afterwards. A further aim of this work was to synthesize a naphmethonio-derivative which is suitable for a connection to a fluorescent dye. A fluorescent naphmethonio-derivative may help to characterize allosteric interactions directly and trace receptor trafficking by means of fluorescence correlation spectroscopy. Firstly, a primary amino group should be connected via an alkyl-spacer to the allosteric modulator and secondly, this intermediate should be combined with the fluorescent dye alexa-fluor-532. Several strategies were prosecuted. Finally, the synthesis of compound 3h via a chloride-intermediate was successful. Another intention of this work was to optimize the synthetic pathway to the non-selective muscarinic agonist iperoxo, which is an important reference compound in the pharmacological testing and an intermediate in the synthetic pathway of bivalent agonist/allosteric modulator hybrid compounds. The yields in each reaction step were enhanced and the total yield was increased from 13 % to 22 %. Furthermore, other muscarinic agonists differing in the substitution pattern of the heterocycle were synthesized. A further aim of this work was to synthesize bivalent hybrid compounds combining an orthosteric and an allosteric ligand in one molecule. Following Schwyzer´s concept of hybrid compounds containing an “address” skeleton that binds selectively to a receptor subtype and a non-selective “message” moiety inducing agonism or antagonism, a group of hybrid hexamethonio-type derivatives has been designed as subtype selective agonists and antagonists. Hybrid 1 served as a lead for the agonist/allosteric modulator-hybrid compounds synthesized in this work. Firstly, the goal was to combine the agonist iperoxo with hexamethonio and secondly, to introduce a different substitution pattern at the lateral quaternary ammonio-group in the obtained iperoxo/hexamethonio-hybrid compound 27a. Another aim of this work was to synthesize antagonist/allosteric modulator hybrid compounds. Therefore, the classical antagonists atropine and scopolamine were connected with the allosteric agents W84, naphmethonio and hexamethonio via hexyl-spacer. The pharmacological testing of all compounds was accomplished by radioligand binding studies in homogenates of porcine heart ventricles. The resulting allosteric effect was determined by measuring the inhibition of the dissociation of the radioactive marked orthosteric antagonist [3H]N-methylscopolamine ([3H]NMS). In equilibrium binding studies information about the affinity of the allosteric modulators to the free receptor and about the cooperativity between the allosteric and the orthosteric ligand was obtained.
KW  - Chemische Synthese
KW  - Muscarinrezeptor
KW  - Bivalente Hybridverbindungen
KW  - Allostere Modulation
KW  - GPCR
KW  - bivalent hybrid compounds
KW  - allosteric modulation
KW  - GPCR
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-28390
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fuchs, Lorenz
T1  - Interaktion von Kir2-Kanälen mit 7-Helix-Rezeptoren
T1  - Regulation of Kir2 channels by seven-helix-receptors
N2  - Einwärtsgleichrichtende Kaliumkanäle (Kir), aktuell in die 7 Unterfamilien Kir1-Kir7 eingeteilt, sind an der Regulation einer Vielzahl von Körperfunktionen, beispielsweise Herzfrequenz, Erregbarkeit von Nervenzellen, Tonus von Gefäßmuskelzellen, Hormonsekretion oder Aktivierung von Immunzellen, beteiligt. Für die Kontrolle dieser Funktionen ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Leitfähigkeit dieser Kanäle beeinflusst werden kann. Die Kir3-Unterfamilie (früher GIRK für G-protein-activated-K+-channels) wird beispielsweise obligat durch die direkte Bindung der beta/gamma-Untereinheit des trimeren Gi/0-Proteins aktiviert (Karschin, 1999). Es gibt Hinweise in der Literatur, dass auch die stark einwärts gleichrichtenden Kanäle der Kir2-Familie durch G-Proteine der Gq-Familie reguliert sein können. Dabei widersprechen sich insbesondere zwei Untersuchungen zur Spezifität der Interaktion (Jones, 1996; Chuang et al., 1997). Ebenso ist der intrazelluläre Signalweg bislang nicht hinreichend geklärt. Um dies genauer zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit die Kir-Kanäle Kir2.1-Kir2.4 jeweils mit 5 verschiedenen Gq-gekoppelten Rezeptoren in Xenopus-Oozyten koexprimiert und mit der Technik der „Zwei-Elektroden-Spannungsklemme“ der Strom über die Kir-Kanäle vor und nach Rezeptoraktivierung mit dem jeweils physiologischen Rezeptoragonisten gemessen. Es zeigte sich, dass ausschließlich Kir2.3 nach Aktivierung des M1-Acetylcholinrezeptors inhibiert wird. Eine Sequenzanalyse zeigte in der Extrazellulärregion von Kir2.3 eine zu den anderen Kir2-Kanälen abweichende Aminosäuresequenz, welche durch Mutation aber als potentielle Bindestelle zur Vermittlung des inhibitorischen Effektes ausgeschlossen werden konnte. Nachdem bereits gezeigt werden konnte, dass die Koexpression von Kir2.3 und M1-Acetylcholinrezeptor in bestimmten Gehirnregionen der Kontrolle neuronaler Erregbarkeit dient (Shen et al., 2007), ist es wahrscheinlich, dass derselbe Mechanismus auch in ventrikulären Kardiomyozyten existiert und dort als Schutzmechanismus vor vagaler Überstimulation fungiert.
N2  - Inwardly rectifying K+ (Kir) channels, which can be classified into the subfamilies Kir1-Kir7, participate in the regulation of many functions of the human organism, e.g. heart rate, excitability of neurons or hormone release. In order to control these functions it is important that the conductance of these channels can be modulated. Channels of the Kir2 subfamily are regulated by Gi/o-coupled as well as Gq/11-coupled receptors. So far, it is still under debate whether these receptors selectively target to different members of the Kir2 subfamily. In order to investigate this issue rat Kir2.1-2.4 and Gq-coupled seven-helix receptors were coexpressed in Xenopus laevis oocytes and two electrode voltage-clamp measurements were performed recording the inwardly rectifying potassium currents before and after receptor activation. We showed that Kir2.3 is selectively inhibited by activation of the acetylcholine M1 receptor, whereas Kir2.1, 2.2 and 2.4 are not affected by activation of the M1 receptor. All other Gq-coupled receptors tested have no influence on Kir2 currents. Furthermore, mutation of a putative binding site within the extracellular loop between transmembrane region M1 and the pore region of rat Kir2.3 has no influence on M1 receptor induced inhibition. As it has been demonstrated that the cholinergic modulation of Kir2.3 channels selectively elevates dendritic excitability in certain brain areas (Shen et al., 2007), we postulate that the same mechanism also exists in cardiomyocytes in order to protect the heart function against an overwhelming parasympathetic stimulation.
KW  - Ionenkanal
KW  - Kaliumkanal
KW  - Muscarinrezeptor
KW  - Kir-Kanäle
KW  - G-Protein-gekoppelte Rezeptoren
KW  - inward rectifier
KW  - seven-helix receptor
KW  - acetylcholine M1 receptor
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-39000
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bätz, Julia
T1  - FRET-basierte Untersuchungen zur ligandenselektiven Beeinflussung der Rezeptorkonformation durch orthosterische und allosterische Liganden am Beispiel des muskarinischen M2 Acetylcholinrezeptors
T1  - FRET-based analysis of the ligandselective influence of orthosteric and allosteric ligands on the change of receptor conformation of the muscarinic m2 acetylcholine receptor
N2  - Zahlreiche experimentelle Befunde lassen vermuten, dass G-Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCR) nach ihrer Aktivierung einer ligandenselektiven Änderung der Rezeptorkonformation unterliegen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es dieses Phänomen am Subtyp 2 der muskarinischen Acetylcholinrezeptoren (M2 AChR) zu untersuchen. Muskarinische Acetylcholinrezeptoren (mAChR) können in fünf Subtypen (M1-M5) unterschieden werden. Durch die Beteiligung der mAChR an zahlreichen physiologischen Prozessen stellen sie wichtige Zielstrukturen pharmakologischer Therapien dar. Da die orthosterische Ligandenbindestelle (= Bindestelle des endogenen Liganden) in allen fünf Subtypen hoch konserviert ist, wird ihr pharmakologischer Nutzen derzeit allerdings durch die unselektive Rezeptormodulation und dem damit verbundenen Auftreten unerwünschter Arzneimittelwirkungen stark limitiert. Ein Ansatz zur Erzielung subtypselektiver Effekte besteht in der Verwendung allosterischer Modulatoren. Da die allosterische Bindestelle der mAChR eine geringere Sequenzhomologie aufweist, können so gezielt einzelne Subtypen der mAChR reguliert werden. Der M2 AChR stellt hinsichtlich allosterischer Modulation ein gut charakterisiertes Modellsystem dar. Für ihn wurde bereits eine Vielzahl allosterischer Liganden entwickelt. Auch bitopische Liganden, die sowohl einen allosterischen als auch einen orthosterischen Anteil enthalten, wurden für den M2 AChR bereits beschrieben. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene FRET-Sensoren des M2 AChR generiert und charakterisiert. Als FRET-Paar wurden das cyan fluoreszierende Protein (CFP) und der niedermolekulare fluorescein-basierte Fluorophor FlAsH (fluorescein arsenical hairpin binder) gewählt. CFP wurde in den Sensoren am Ende des C-Terminus angefügt. Die zur Markierung mit FlAsH nötige Tetracysteinsequenz wurde in verschiedenen Bereichen der dritten intrazellulären Rezeptorschleife (IL) eingebracht. Die auf diese Weise erstellten Re-zeptorsensoren trugen das Tetracysteinmotiv in der N terminalen (M2i3-N) bzw. in der C terminalen Region (M2i3-C) von IL 3. Die Charakterisierung der Rezeptorsensoren bezüglich Ligandenbindung, Gi-Protein Aktivierung und β-Arrestin2 Translokation ergab keine signifikanten Unterschiede zwischen M2i3-N, M2i3 C und M2CFP oder Wildtyp M2 AChR. Zunächst wurden sowohl unterschiedliche orthosterische, als auch allosterische Liganden hinsichtlich ihrer mittleren effektiven Konzentration und ihrer maximalen Wirkstärke an den Rezeptorsensoren untersucht. Mit Hilfe von FRET-Messungen konnte ein superago-nistisches Verhalten des orthosterischen Testliganden Iperoxo gezeigt werden. Die Eigenschaften der allosterischen Substanzen wurden durch Messung der Rezeptordeakti-vierungskinetik und des maximalen Hemmeffekts auf einen vorstimulierten Rezeptor charakterisiert. Alle allosterischen Liganden deaktivierten den vorstimulierten M2 AChR mit einer schnelleren Kinetik als Atropin. Die EC50-Werte der unterschiedlichen Substanzen waren unabhängig von der Markierungsposition im verwendeten Rezeptorsensor vergleich-bar. Ausnahmen bildeten die allosterischen Liganden JK 289, JK 338, ½ W84 und EHW 477, die liganden- und sensorabhängig unterschiedliche mittlere effektive Konzentrationen aufwie-sen. Bei der Untersuchung der Konformationsänderung des M2 AChR konnte kein liganden-selektiver Unterschied zwischen den FRET-Signalen für 19 getestete orthosterische Liganden beobachtet werden. Dies deutet darauf hin, dass alle orthosterischen Testliganden eine dem Acetylcholin (ACh) vergleichbare Änderung der M2 AChR Konformation induzier-ten. Um zu untersuchen, ob für die orthosterischen Testliganden eine Korrelation zwischen ihrer maximalen Wirkstärke hinsichtlich Rezeptoraktivierung in FRET-Experimenten und der Aktivierung nachgeschalteter Signalwege besteht, wurde die orthosterisch-vermittelte Translokation von β-Arrestin2 mit Hilfe der Konfokalmikroskopie bestimmt. Bis auf 5-Methyl-furmethiodid translozierten alle orthosterischen Liganden β-Arrestin2 in einem Ausmaß, das mit der maximalen Rezeptoraktivierung vergleichbar war. Dagegen rief 5 Methylfurmethiodid verglichen mit dem endogenen Liganden ACh zwar eine ca. halbmaximale Rezeptorakti-vierung, aber nur eine äußerst geringe β-Arrestin2 Translokation hervor. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Einfluss verschiedener Allostere auf eine ligandenselektive Konformationsänderung des M2 AChR untersucht. Die allosterischen Liganden JK 337 und Seminaph beeinflussten den M2i3-C Sensor signifikant stärker, als das M2i3-N Konstrukt. Dagegen zeigte EHW 477 eine stärkere Beeinflussung der Rezeptorkon-formation des M2i3-N-, als des M2i3-C Sensors. Dies erlaubt die Vermutung, dass JK 337 und Seminaph eine stärkere Bewegung unterhalb von Transmembrandomäne (TM) 6, als unterhalb von TM 5 hervorriefen. Die Ergebnisse für EHW 477 legen nahe, dass TM 5 eine größere Bewegung eingeht, als TM 6. FRET-basierte Untersuchungen der Einflüsse der allosterischen Testliganden auf nachgeschaltete Signalwege ergaben, dass sowohl die Akti-vierung des Gi Proteins, als auch die β-Arrestin2 Translokation selektiv durch einzelne allosterische Liganden beeinflusst werden. Auch ein Zusammenhang zwischen Rezeptor-aktivierung und der Regulation nachgeschalteter Signalwege war erkennbar. Allerdings waren auf Grund der Versuchsbedingungen keine quantitativen Aussagen möglich. Im Folgenden wurden die bitopischen Liganden Hybrid 1 und 2 (H 1, H 2) hinsichtlich ihres Effekts auf die Konformationsänderung des M2 AChR untersucht. Während eine Stimulation mit H 1 vergleichbare FRET-Signale an beiden Sensoren ergab, konnte mit H 2 weder am M2i3-N-, noch an M2i3-C Sensor eine FRET-Änderung detektiert werden. Um den mangeln-den Effekt der Hybridsubstanzen in FRET-mikroskopischen Untersuchungen aufzuklären, wurden verschiedene Ansätze gewählt: Mit kettenverlängerten Derivaten der Hybridsubstanzen konnte in FRET-Messungen eine Änderung des FRET-Signals detektiert werden. Die Entfernung des allosterischen Bausteins führte in FRET-Experimenten zu einer verglichen mit dem endogenen Liganden ACh etwa halbmaximalen Aktivierung beider Sensoren. Dagegen resultierte die Mutation der alloste-rischen Bindestelle in nachfolgenden FRET-Untersuchungen mit H 1 und H 2 in keiner Signaländerung des FRET-Ratio. Diese Beobachtungen führten zu der Annahme, dass die Linkerkette, die orthosterischen und allosterischen Baustein der Hybride miteinander verbindet, zu kurz war um eine gleichzeitige Bindung an die allosterische und orthosterische Bindestelle zu ermöglichen. Ein anderer Erklärungsansatz besteht darin, dass nach Bindung des Orthosters der Kanal zwischen orthosterischer und allosterischer Bindestelle durch die Konformationsänderung des Rezeptors verschlossen wird, weshalb keine dauerhafte, dualsterische Bindung der Hybridsubstanzen an den M2 AChR möglich ist. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit ist es gelungen mittels FRET-Experimenten die Existenz einer ligandenselektiven Rezeptorkonformation des M2 AChR mit allosterischen Liganden nachzuweisen. Darüber hinaus konnte auch ein Bezug zum Auftreten einer funktionellen Selektivität mit allosterischen Liganden hergestellt werden. Die Untersuchung von 19 orthosterischen Liganden hinsichtlich ihres Einflusses auf die Rezeptorkonformation des M2 AChR ergab keinen Hinweis auf eine ligandenselektive Konformationsänderung. Die Betrachtung der orthosterisch-vermittelten Translokation von β-Arrestin2 zeigte, dass zwischen der Effizienz der orthosterischen Testliganden, den M2 AChR zu aktivieren und dem Ausmaß, in dem sie eine β Arrestin2 Translokation induzierten eine direkte Korrelation besteht. Lediglich 5-Methylfurmethiodid rief eine ungleich geringere β-Arrestin2 Translokation hervor, verglichen mit dem Ausmaß an Rezeptoraktivierung. Diese Beobachtung deutet auf die Existenz eines signaling-bias für diesen Liganden hin. Die Untersuchung der dualsterischen Liganden H 1 und 2 bezüglich ihrer Fähigkeit zur Rezeptoraktivierung ergab, dass erst durch eine Verlängerung der Linkerkette, durch die orthosterischer und alloste-rischer Baustein miteinander verbunden sind eine Konformationsänderung des M2 AChR hin zu einer aktiven Konformation erreicht werden kann. Es kann somit angenommen werden, dass in den ursprünglichen Hybridsubstanzen H 1 und H 2 eine zu kurze Linkerkette, durch die keine dualsterische Bindung der Hybride an die allosterische und orthosterische Bindestelle möglich ist, ursächlich für die mangelnde Rezeptoraktivierung des M2 AChR war.
N2  - A large body of experimental evidence suggests that upon receptor activation G-protein coupled receptors are subject to ligandspecific changes of receptor conformation. The aim of this study was to investigate this phenomenon using the muscarinic M2 acetylcholine receptor (M2 AChR). Muscarinic acetylcholine receptors (mAChR) can be subdivided into five different subtypes (M1-M5). Their involvement in various physiological processes makes them an important target of pharma-cological therapies. With the orthosteric binding site (= binding site of the endogenous ligand) being highly conserved across all five mAChR subtypes, the unselective receptor modulation can lead to severe side effects. Thus the clinical use of drugs modulating muscarinic receptors is currently limited. Allosteric modulation is one attempt to achieve subtype-selective receptor regulation. Since the allosteric binding site of mAChR is less well conserved, it is possible to selectively target one mAChR subtype. As far as allosteric modulation is concerned, the M2 AChR represents a well characterized model with a large number of allosteric modulators being available. For the M2 AChR bitopic ligands which contain an allosteric as well as an orthosteric binding block have been developed as well. In the first part of this study several FRET-sensors of the M2 AChR were designed and characterized. The cyan fluorescent protein (CFP) was fused to the C-terminus of both sensors while the FlAsH (fluorescein arsenical hairpin binder) binding site was inserted into the N-terminal (M2i3-N) or the C terminal (M2i3-C) region of the third interacellular loop (IL). The receptor sensors were characterized concerning ligand affinity, activation of the Gi protein and -arrestin2 translocation and did not display any significant differences compared to the wildtype M2 or the M2 CFP receptor. Various orthosteric as well as allosteric ligands were investigated regarding their affinity and efficacy at both sensors. Using FRET-measurements iperoxo was proven to behave as a superagonist. The characteristics of the allosteric ligands were investigated by measuring the receptor deactivation kinetics and their maximum inhibitory effect on a pre-stimulated receptor. All allosteric test substances displayed faster deactivation kinetics compared to the antagonist atropine and similar EC50 values at both receptor sensors. When investigating the change of receptor conformation of the M2 AChR upon ligand binding there were no ligand selective differences in the FRET-signal detected for either of the 19 orthosteric ligands at both M2 sensors. This data suggest that all orthosteric ligands induced a change in receptor conformation comparable to acetylcholine (ACh). In order to correlate the efficacy of various orthosteric ligands to activate the M2 AChR in FRET-experiments with their effect on downstream signaling pathways, the translocation of  arrestin2 upon receptor activation with orthosteric ligands was investigated using confocal microscopy. Except for 5 methylfurmethiodide all orthosteric ligands induced -arrestin2 translocation to an extent which was comparable to the maximal receptor activation observed with each other ligand, respectively. In contrast 5-methylfurmethiodide evoked a half maximal receptor activation compared to the endogenous ligand ACh while only a minimal translocation of -arrestin2 was observed. The second aim of this study was to investigate the effects of allosteric ligands on the change of receptor conformation of the M2 AChR. The allosteric ligands JK 337 and seminaph more strongly influenced the M2i3-C than the M2i3-N, whilst EHW 477 behaved just the opposite way. This data suggest that the orthosteric ligands induce a conformation of the M2 AChR comparable to ACh. JK 337 and seminaph seem to evoke a greater movement underneath TM 6 compared to TM 5 whereas EHW 477 probably induces a larger movement beneath TM 5. The allosteric ligands were tested via FRET-measurements concerning their ability to activate the Gi protein and to translocate  arrestin2. The activation of the Gi protein as well as the -arrestin2 translocation were selectively influenced by all allosteric ligands. However, due to the experimental setup, a quantification of the effects was not possible. Furthermore the bitopic ligands hybrid 1 and 2 (H 1, H 2) were tested regarding their effect on the receptor conformation of the M2 AChR. While stimulation with H 1 induced FRET signals that were comparable for both receptor sensors, it wasn’t possible to detect any change in the FRET ratio neither of the M2i3-N nor of the M2i3-C with H 2. The lack of effect of H 1 and H 2 in the FRET-experiments was explored using two different approaches: Derivatives of H 1 and H 2, in which the carbon linker between the allosteric and the orthosteric building block had been elongated, were able to induce changes in the FRET ratio. Upon the removal of the allosteric building block a half-maximal activation of both receptor sensors could be detected. However, the mutation of the allosteric binding site did not result in any change of the FRET-signals upon stimulation of the receptor mutants with H 1 or H 2. These data suggest that the carbon linker, which connects the allosteric and the orthosteric building block, is not long enough to enable a simultaneous binding to the allosteric and the orthosteric binding site. Another explanation would be that upon binding of an orthoster the channel between the orthosteric and the allosteric binding site of the M2 AChR is closed because of the change in receptor conformation, hence a stable, dual-steric binding of the hybrid substances to the M2 AChR would not be possible. In the course of this study it was possible to prove the existence of a ligand selective receptor conformation of the M2 AChR with allosteric ligands using FRET-experiments. In addition a connection was found to the occurrence of a functional selctivity with allosteric ligands. The investigation of 19 orthosteric ligands regarding their influence on the receptor conformation of the M2 AChR did not reveal any evidence of the existence of a ligand selective change of the receptor conformation. Regarding the translocation of β arrestin2 induced by orthosteric ligands there was a direct correlation between the efficency of the orthosteric ligands to activate the receptor and the extend of β-arrestin2 translocation observed. With the only exception being 5-methylfurmethiodide which induced far less β arrestin2 translocation compared to the magnitude of the conformational change of the receptor. This data suggest the existence of a signaling bias for this ligand. The analysis of the dualsteric ligands H 1 and H 2 concerning their ability to activate the M2 AChR revealed that an activation of the M2 AChR could just be observed upon elongation of the linker which connects the orthosteric with the allosteric building block. This suggests that the short linker chain of the original hybrid substances inhibited a dualsteric binding to the orthosteric and the allosteric binding site and thus caused the difficency of H 1 and H 2 to activate the M2 AChR.
KW  - Muscarinrezeptor
KW  - Allosterie
KW  - G-Protein gekoppelte Rezeptoren
KW  - Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer
KW  - allosteric modulation
KW  - muscarinic aceylcholine receptor
KW  - GPCR
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-72836
ER  - 
TY  - THES
A1  - Klöckner, Jessica Vanessa
T1  - Design Subtyp-selektiver Agonisten und Antagonisten muskarinischer Rezeptoren
T1  - Design of subtype selective agonists and antagonists of muscarinic receptors
N2  - Die Subtypselektivität von Liganden für einzelne Rezeptoren, deren Aktivierung und die anschließende Signalweiterleitung sind bis heute weitestgehend ungeklärt. Die hier synthetisierten Liganden-Gruppen sollen helfen, die verschiedenen Prozesse am muskarinischen Rezeptor und seinen Subtypen zu verstehen. Die Einzelprojekte werden im Folgenden vorgestellt. 1) Um mittels FRET-Mikroskopie den Einfluss von allosteren Modulatoren, die sich von W84 bzw. Naphmethonium ableiten, in Bezug auf die Konformationsänderung aktivierter Rezeptoren untersuchen zu können, wurden die bekannten allosteren Bausteine sowie eine Reihe neuer Derivate synthetisiert. Alle untersuchten Substanzen zeigten einen hemmenden Effekt auf die mit dem Agonisten Iper-oxo vorstimulierten Rezeptoren. Das heißt, die Verbindungen ließen sich als negative allostere Modulatoren charakterisieren. 2) Da Iperoxo aufgrund seiner großen agonistischen Aktivität ein interessantes Werkzeug für die Grundlagenforschung darstellt, war es von großer Bedeutung, eine schnelle und reproduzierbare Synthese zu gewährleisten. Ausgehend von Propargylalkohol wurde in einer Mannich-Reaktion 4-Dimethylamino-but-2-en-1-ol gebildet, was mit dem zuvor hergestellten 3-Nitro-Δ2-isoxazolin zur Iperoxo-Base umgesetzt wurde. Neben einer deutlichen Ausbeutesteigerung ist nun die Reproduzierbarkeit im Gegensatz zu der von Dallanoce et al. publizierten Synthese gewährleistet. 3) Um den Einfluss der Kettenlänge der Hybride Iper-6-Phth und Iper-6-Naph auf die agonistische Aktivität und Subtypselektivität der Substanzen untersuchen zu können, wurde versucht, Hybride verschiedener Kettenlängen herzustellen. Dabei konnte Iper-4-Phth erhalten werden. 4) Weiterhin sollte der Einfluss der Alkylkette am Stickstoff-Atom auf die Wirksamkeit in Bezug auf Affinität und Zellantwort des Iperoxo-Moleküls ohne allosteren Modulator analysiert werden. Hierzu wurden die N-alkylierten Iperoxo-Derivate mit den Kettenlängen C2 bis C10 synthetisiert.. Mithilfe von Radioligand-Bindungsstudien und der dynamischen Massenumverteilung sollte die konformative Änderung des Rezeptors durch Aktivierung und die Signalweiterleitung untersucht werden. Durch Verlängerung der N-Alkylkette zeigte sich ein Wirksamkeitsverlust, d. h. die Dosis-Wirkungs-Kurven der prozentualen Zellantwort wurden im Vergleich zu denen des Iperoxos nach rechts verschoben. In Untersuchungen an der Rezeptor-Mutante CHO-hM2-Y1043.33A zeigte sich zudem, dass für den maximalen Effekt eine deutlich höhere Konzentration der Iperoxo-Derivate benötigt wird, wobei dieser Wirksamkeitsverlust im Vergleich zum Rezeptor-Wildtyp für Iperoxo selbst am stärksten ausgeprägt ist. Allerdings weisen Iperoxo und seine N-alkylierten Derivate an dieser Mutante eine höhere intrinsische Aktivität auf als die Kontrollverbindungen Oxotremorin M, C1-IP-C1 und Acetylcholin. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Iperoxo ebenso wie Oxotremorin, Acetylcholin, aber auch die kurzkettigen Iperoxo-Derivate neben dem Gi-Signalweg auch den Gs-Weg aktivieren können, wohingegen die langkettigen Derivate eine Gi-Signalwegs-Selektivität aufweisen. 5) In Analogie zu den N-alkylierten-Iperoxo-Derivaten sollten Untersuchungen mit den Antagonisten N-Alkyl-Atropin und -Scopolamin durchgeführt werden. In beiden Fällen zeigte das N-Methyl-Derivat eine höhere Affinität zum Rezeptor als der jeweilige Antagonist selbst, was auf die durch Alkylierung generierte positive Ladung zurückzuführen ist. Durch Verlängerung der Alkylketten ist jeweils eine Abnahme der Affinität zu beobachten. Die Affinität findet ebenfalls in beiden Fällen mit dem Butyl-Derivat ihr Minimum. Der anfängliche Affinitätsverlust lässt sich durch die zunehmende sterische Hinderung des Moleküls erklären, der spätere Anstieg bei einer Alkylkette länger als C4 deutet auf eine Wechselwirkung dieser langen Alkylkette mit einer weiteren (allosteren) Bindungsstelle hin. 6) Ausgehend von Iperoxo sollten dualstere Liganden entwickelt werden, die durch geeignete allostere Modulatoren selektiv nur einen Rezeptor-Subtyp adressieren und diesen durch Iperoxo aktivieren sollten. Als allostere Bausteine sollten die M4-selektiven Thienopyridine und die M1-selektiven Chinolone verwendet werden. 7) Zur Fluoreszenzmarkierung sollte Iperoxo-Base zudem mit dem Farbstoff Py-1 umgesetzt werden.
N2  - The subtype-selectivity of ligands for receptors and the corresponding subtypes, their activation and the subsequent signalling is still largely unknown. The synthesized groups of ligands, described here were designed to understand the various processes at the muscarinic receptor subtypes. The single projects will be discussed below. 1) In order to examine the influence of allosteric modulators derived from W84 and Naphmethonium on the conformation of an activated receptor by means of FRET-microscopy, the allosteric building blocks were synthesized. All substances showed an inhibitory effect on the receptors pre-treated with the agonist iperoxo. That is to say that they behave as negative allosteric modulators. 2) Due to its high potency iperoxo is an important tool for basic research. In the past the availability of this compound was limited because of the elaborate chromatography and low reproducibility of the existing synthesis developed by Dallanoce et al.109 Thus a new synthesis pathway was established. By means of a Mannich reaction and using 2-propyn-1-ol alcohol as a starting material the amino-butinol was obtained. Product was converted to iperoxo-base by the reaction with 3-nitro-Δ2-isoxazolin. Besides reducing the reaction time and increasing the overall yield - compared to the known synthesis of Dallanoce et al. - the reproducibility was now ensured. 3) To investigate the influence of the chain-length in the hybrid compounds iper-6-phth and iper-6-naph on the agonistic activity and the subtype-selectivity, efforts were made to develop derivatives with different N-alkyl-chains. The synthesis of iper-4-phth was successful. 4) Furthermore the influence of the N-alkyl-chain-length on the potency of iperoxo having no allosteric building block was to be examined. Therefore the iperoxo-base was N-alkylated with different bromoalkanes (ethyl-decyl). It was aimed to study the change of the conformation on receptor activation and signalling by means of radioligand binding studies und dynamic mass redistribution. The elongation of the N-alkyl-chain length resulted in a loss of potency compared to iperoxo. All iperoxo derivatives lose potency at the CHO-hM2-Y1043.33A-receptor-mutant compared to the receptor wildtype, which was especially pronounced with iperoxo itself. However, for this receptor-mutant iperoxo and its N-alkylated derivatives had a higher intrinsic activity than the control compounds oxotremorine-M, C1-IP-C1 and acetylcholine. Beyond this, it could be demonstrated that iperoxo, as well as oxotremorine M, acetylcholine and the short-chain derivatives have the ability to activate not only the Gi-, but also the GS-signal-pathway, whereas the long-chain derivatives show selectivity for the Gi-pathway. 5) In analogy to these agonistic derivatives the antagonists atropine and scopolamine were N-alkylated. In both cases radioligand binding studies revealed that the methyl derivatives had a higher affinity to the receptor than both antagonists themselves. This might be caused by the generated positively charged nitrogen atom. The extension of the chain length leads to a loss of affinity, which has a minimum at the butyl-derivatives in both antagonists. The initial loss of affinity is ascribed to the steric hindrance and the subsequent gain of affinity for derivatives with a longer chain length indicates an interaction of this alkyl-chain with a second (allosteric) binding-site. For the special arrangement in the binding pocket it is essential to know the exact configuration of the ligand. The synthesized N-alkylated antagonists were examined via NMR-spectroscopy. By using the NOE-effect, the position of the methyl-groups and the alkyl-chains, respectively, were revealed. Contrary to expectations all derivatives bear their methyl-group in axial position. 6) On the basis of iperoxo, dualsteric ligands should be developed which selectively address only one muscarinic subtype, using a suitable allosteric modulator and simultaneously activate the receptor via iperoxo. As allosteric building blocks the M4-selective thienopyridines and the M1-selective quinolones should be used. 7) Besides radioligand binding studies the introduction of fluorescence markers provides an alternative to investigate the affinity of GPCR ligands. For this reason iperoxo should be coupled with the fluorescence marker py-1.
KW  - Muscarinrezeptor
KW  - Selektivität
KW  - Agonist
KW  - Antagonist
KW  - Muskarinrezeptor
KW  - Agonist
KW  - Antagonist
KW  - Subtypselektivität
KW  - muscarinic receptor
KW  - subtype selectivity
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-77403
ER  - 
TY  - THES
A1  - Messerer, Regina
T1  - Synthesis of Dualsteric Ligands for Muscarinic Acetylcholine Receptors and Cholinesterase Inhibitors
T1  - Synthese von dualsteren Liganden für muskarinerge Acetylcholinrezeptoren sowie Inhibitoren der Cholinesterasen
N2  - The study is dealing with the synthesis and pharmacological investigation of newly designed dualsteric ligands of muscarinic acetylcholine receptors belonging to the superfamily of G protein-coupled receptors. Such bipharmacophoric ligands combine the advantages of the orthosteric binding site (high-affinity) and of the topographically distinct allosteric binding site (subtype-selectivity) resulting in compounds with reduced side effects. This opens the way to a new therapeutic approach in the treatment of e.g. chronic pain, drug withdrawal, Parkinson`s and Alzheimer`s disease. Furthermore, the newly synthesized dualsteric compounds were pharmacologically investigated in order to get a better understanding of the activation and signaling processes in muscarinic acetylcholine receptors, especially with regard to partial agonism. 
The development of the “dynamic ligand binding” concept offers new perspectives for ligand binding and signaling at G protein-coupled receptors. GPCRs are no longer considered as simple on/off switches. Dualsteric ligands can bind in a dualsteric pose, reflecting an active receptor state as well as in a purely allosteric binding pose, characterized by an inactive receptor state resulting in partial agonism. The degree of partial agonism depends on the ratio of active versus inactive receptor populations. On this basis, orthosteric/orthosteric hybrid ligands consisting of the antagonist atropine and scopolamine, respectively, as well as of the agonist iperoxo and isoxazole, respectively, linked via different alkyl chain length were synthesized in order to investigate partial agonism (Figure 1). 
 
Figure 1: Structures of the synthesized iperoxo/isoxazole-atropine/scopolamine-hybrids.

Furthermore, different sets of quaternary and tertiary homodimers consisting either of two iperoxo or two acetylcholine units were synthesized in order to study their extent on partial agonism (Figure 2). The two agonists were connected by varying alkyl chain length. Binding studies on CHO-hM2 cells of the quaternary compounds revealed that dimerization of the agonist results in a loss of potency. The iperoxo-dimers reached higher maximum effects on the Gi- as well as on the Gs pathway in comparison to the acetylcholine-dimers. Besides the choice of the orthosteric building block (potency of the agonist), the alkyl chain length is also crucial for the degree of partial agonism. 
 
Figure 2: Structures of the synthesized quat./tert. iperoxo/acetylcholine-homodimers.

Quinolone-based hybrids connected to the superagonist iperoxo and to the endogenous ligand acetylcholine, respectively, linked through an alkyl chain of different length were synthesized in order to develop further partial agonists (Figure 3). FRET studies confirmed M1 subtype-selectivity as well as linker dependent receptor response. The greatest positive FRET signal was observed with quinolone-C6-iper resulting from a positive cooperativity between the two separated moieties, alloster and orthoster. However, the corresponding hybrids with a longer linker led to an inverse FRET signal indicating a different binding mode, e.g. purely allosteric, in contrast to the shorter linked hybrids. Furthermore, the flexible alkyl spacer was replaced by a rigidified linker resulting in the hybrid quinolone-rigid-iperoxo (Figure 3). FRET studies on the M1 receptor showed reduced FRET kinetics, resulting from interactions between the bulky linker and the aromatic lid, located between the orthosteric and allosteric binding site. A bitopic binding mode of the rigidified hybrid is presumed. For further clarity, mutational studies are necessary. 
 
Figure 3: M1-selective hybrid compounds.

Another aim of this work was the design and synthesis of new hybrid compounds, acting as agonists at the M1 and M2 receptor and as inhibitors for AChE and BChE in the context of M. Alzheimer. Several sets of hybrid compounds consisting of different pharmacophoric units (catalytic active site: phthalimide, naphthalimide, tacrine; peripheric anionic site: iperoxo, isoxazole) linked through a polymethylene chain of varying length were synthesized. Tac-C10-iper (Figure 4), consisting of tacrine and the superagonist iperoxo linked by a C10 polymethylene spacer, was found to have excellent anticholinesterase activity for both AChE (pIC50 = 9.81) and BChE (pIC50 = 8.75). Docking experiments provided a structural model to rationalize the inhibitory power towards AChE. Additionally, the tacrine related hybrids showed affinity to the M1 and M2 receptor. Such compounds, addressing more than one molecular target are favorable for multifactorial diseases such as Alzheimer.
 
Figure 4: Structure of the most active compound regarding anticholinesterase activity.

In summary, the choice of the pharmacophoric units, their connecting point as well as the nature, length, and flexibility of the linker play an important role for the activity of designed bivalent ligands. A shorter linker length cannot bridge both binding sites simultaneously in contrast to longer linker chains. On the other hand, too long linker chains can result in unwanted steric interactions. Further investigations with respect to structural variations of hybrid compounds, with or without quaternary ammonium groups, are necessary in the light of drug development.
N2  - Die vorliegende Studie beschäftigt sich mit der Synthese und der pharmakologischen Untersuchung von neu entwickelten dualsteren Liganden des muskarinischen Acetylcholinrezeptors, welcher zur Superfamilie der G-Proteine gehört. In derartigen bipharmakophoren Liganden sind die Vorteile des orthosteren Bindemodus und des räumlich davon getrennten allosteren Bindemodus vereint. Der orthostere Bindemodus bewirkt eine hohe Affinität zum Rezeptor, während der allostere Bindemodus Subtypselektivität vermittelt. Dadurch weisen diese Verbindungen weniger Nebenwirkungen auf. Dies eröffnet einen neuen Therapieansatz in der medikamentösen Behandlung von z.B. chronischen Schmerzen, Drogenentzug, Morbus Parkinson und Morbus Alzheimer. Die neu synthetisierten, dualsteren Verbindungen wurden pharmakologisch untersucht, um ein besseres Verständnis über das Bindungsverhalten und die Signalweiterleitung an muskarinischen Acetylcholinrezeptoren zu erhalten, besonders in Hinblick auf Partialagonismus.
Die Entwicklung des Konzeptes der „dynamischen Ligandenbindung“ bietet neue Perspektiven in Hinblick auf das Bindungsverhalten und die Signalweiterleitung an G-Protein gekoppelten Rezeptoren. Somit werden GPCRs nicht mehr nur in ihrem aktiven oder inaktiven Zustand betrachtet. Vielmehr können dualstere Liganden sowohl einen dualsteren Bindemodus, welcher den aktiven Rezeptorzustand widerspiegelt, als auch einen rein allosteren Bindemodus, welcher durch einen inaktiven Rezeptorzustand charakterisiert ist, einnehmen, was schließlich zu Partialagonismus führt. Die Stärke des resultierenden Partialagonismus hängt vom Verhältnis zwischen aktiver und inaktiver Rezeptorbesetzung ab. Auf Basis dessen wurden orthostere/orthostere Hybridverbindungen, bestehend aus einem Antagonisten, Atropin oder Scopolamin, und einem Agonisten, Iperoxo oder Isoxazol, die über eine Alkylkette unterschiedlicher Länge miteinander verknüpft sind, synthetisiert, um mit deren Hilfe den Partialagonismus zu steuern (Abbildung 1).
 
Abbildung 1: Strukturen der synthetisierten Iperoxo/Isoxazol-Atropin/Scopolamin-Hybride.

Es wurden verschiedene quartäre sowie tertiäre Homodimere, welche entweder aus zwei Iperoxo-Einheiten oder aus zwei Acetylcholin-Einheiten bestehen, synthetisiert, um deren Ausmaß in Bezug auf Partialagonismus untersuchen zu können (Abbildung 2). Die beiden Agonisten wurden über unterschiedlich lange Alkylketten miteinander verknüpft. Bindungsstudien an CHO-hM2 Zellen der quartären Verbindungen zeigten, dass die Dimerisierung eines Agonisten zu einer verringerten Wirkstärke führt. Die Dimere von Iperoxo erreichten sowohl auf dem Gi- als auch auf dem Gs-Signalweg höhere Maximaleffekte als die Dimere von Acetylcholin. Neben der Wahl des orthosteren Bausteins (Wirkstärke des Agonisten) spielt auch die Länge der Alkylkette eine entscheidende Rolle für die Stärke des Partialagonismus.
 
Abbildung 2: Strukturen der synthetisierten quart./tert. Iperoxo/Acetylcholin-Homodimere.

Um weitere Partialagonisten zu entwickeln, wurden Chinolon-basierte Verbindungen, die mit dem Superagonisten Iperoxo oder mit dem endogenen Liganden Acetylcholin über eine Alkylkette mit unterschiedlicher Länge verknüpft sind, synthetisiert (Abbildung 3). FRET-Messungen bestätigen, dass es sich bei den Hybriden um M1-subtypselektive Substanzen handelt und das FRET-Signal von der Länge der Zwischenkette abhängig ist. Das stärkste positive FRET-Signal wurde mit der Verbindung Chinolon-C6-Iper erzielt, welches durch positive Kooperativität zwischen den beiden Liganden, Alloster und Orthoster, zustande kommt. Im Gegensatz zu den kurzkettigen Hybriden beobachtete man bei den langkettigen Hybriden ein inverses FRET-Signal, welches auf einen anderen Bindemodus zum Rezeptor hindeutet, z.B. könnte es sich um eine rein allostere Bindung handeln. Außerdem wurde die flexible Alkylkette durch einen starren Linker ersetzt, welches im Hybrid Chinolon-rigide-Iperoxo verwirklicht ist (Abbildung 3). FRET-Messungen dieser starren Hybridverbindung am M1-Rezeptor zeigten eine verzögerte FRET-Kinetik, welche vermutlich auf Wechselwirkungen zwischen dem starren Linker und dem aromatischen Deckel, der sich zwischen der orthosteren und der allosteren Bindestelle befindet, zurückzuführen ist. Es wird vermutet, dass das starre Hybrid bitopisch in den Rezeptor bindet. Um diese Annahme bestätigen zu können, müssten Mutationsstudien durchgeführt werden.


 
Abbildung 3: M1-selektive Hybridverbindungen.

Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war das Wirkstoffdesign und die Synthese von neuen Hybridverbindungen, die als Agonisten am M1- und am M2-Rezeptor sowie als Inhibitoren der AChE als auch der BChE im Hinblick auf die Alzheimer`sche Krankheit wirken sollen. Verschiedenartige Hybridverbindungen, bestehend aus unterschiedlichen pharmakophoren Gruppen (katalytische, aktive Seite: Phthalimid, Naphthalimid, Tacrin; periphere, anionische Seite: Iperoxo, Isoxazol), die über eine Polymethylenkette unterschiedlicher Länge miteinander verknüpft sind, wurden synthetisiert. Tac-C10-Iper (Abbildung 4), bestehend aus Tacrin und dem Superagonisten Iperoxo, welche über eine C10 Polymethylenkette miteinander verknüpft sind, zeigte exzellente Anticholinesterase-Aktivitäten sowohl für die AChE (pIC50 = 9.81) als auch für die BChE (pIC50 = 8.75). Docking-Experimente lieferten ein Strukturmodell, welches die inhibitorische Aktivität in Bezug auf die AChE begründet. Zusätzlich zeigten die aus Tacrin bestehenden Hybride Affinität zum M1- als auch zum M2-Rezeptor. Solche Verbindungen, die mehr als ein Zielmolekül adressieren, sind für multifaktorielle Krankheiten, wie z.B. die Alzheimer`sche Krankheit, von Vorteil.
 
Abbildung 4: Struktur der aktivsten Substanz in Bezug auf die Anticholinesterase-Aktivität.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass sowohl die Wahl des Pharmakophors, deren Verbindungsstelle als auch die Zusammensetzung, Länge und Flexibilität des Linkers eine große Rolle für die Aktivität der entwickelten bivalenten Verbindungen spielen. Kurzkettige Linker können im Gegensatz zu längeren Zwischenketten nicht beide Bindestellen gleichzeitig überbrücken. Andererseits können zu lange Zwischenketten unerwünschte sterische Wechselwirkungen hervorrufen. Weitere Untersuchungen in Bezug auf strukturelle Veränderungen der Hybridverbindungen, mit oder ohne quartäre Ammoniumgruppen, sind in Bezug auf die Arzneimittelentwicklung notwendig.
 
KW  - Cholinesteraseinhibitor
KW  - Muscarinrezeptor
KW  - Ligand <Biochemie>
KW  - GTP-bindende Proteine
KW  - dualsteric ligands
KW  - muscarinic acetylcholine receptor
KW  - cholinesterase inhibitors
KW  - receptors
KW  - coupled
KW  - gprotein
KW  - inhibitors
KW  - cholinesterase
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-149007
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kauk, Michael
T1  - Investigating the Molecular Mechanism of Receptor Activation at Muscarinic Receptors by Means of Pathway-Specific Dualsteric Ligands and Partial Agonists
T1  - Molekulare Grundlagen der Rezeptoraktivierung von muskarinergen Acetylcholin Rezeptoren durch dualstere Liganden und Partialagonisten
N2  - G protein-coupled receptors (GPCRs) form the biggest receptor family that is encoded in the human genome and represent the most druggable target structure for modern therapeutics respectively future drug development. Belonging to aminergic class A GPCRs muscarinic Acetylcholine receptors (mAChRs) are already now of clinical relevance and are also seen as promising future drug targets for treating neurodegenerative diseases like Alzheimer or Parkinson. The mAChR family consist of five subtypes showing high sequence identity for the endogenous ligand binding region and thus it is challenging until now to selectively activate a single receptor subtype. A well accepted method to study ligand binding, dynamic receptor activation and downstream signaling is the fluorescence resonance energy transfer (FRET) application. Here, there relative distance between two fluorophores in close proximity (<10 nm) can be monitored in a dynamic manner. The perquisite for that is the spectral overlap of the emission spectrum of the first fluorophore with the excitation spectrum of the second fluorophore. By inserting two fluorophores into the molecular receptor structure receptor FRET sensors can serve as a powerful tool to study dynamic receptor pharmacology.
Dualsteric Ligands consist of two different pharmacophoric entities and are regarded as a promising ligand design for future drug development. The orthosteric part interacts with high affinity with the endogenous ligand binding region whereas the allosteric part binds to a different receptor region mostly located in the extracellular vestibule. Both moieties are covalently linked. Dualsteric ligands exhibit a dynamic ligand binding. The dualsteric binding position is characterized by a simultaneous binding of the orthosteric and allosteric moiety to the receptor and thus by receptor activation. In the purely allosteric binding position no receptor activation can be monitored.
In the present work the first receptor FRET sensor for the muscarinic subtype 1 (M1) was generated and characterized. The M1-I3N-CFP sensor showed an unaltered physiological behavior as well as ligand and concentration dependent responses. The sensor was used to characterize different sets of dualsteric ligands concerning their pharmacological properties like receptor activation. It was shown that the hybrids consisting of the synthetic full agonist iperoxo and the positive allosteric modulator of BQCA type is very promising. Furthermore, it was shown for orthosteric as well as dualsteric ligands that the degree of receptor activation is highly dependent on the length of and the chemical properties of the linker moiety. For dualsteric ligands a bell-shaped activation characteristic was reported for the first time, suggesting that there is an optimal linker length for dualsteric ligands. The gained knowledge about hybrid design was then used to generate and characterize the first photo-switchable dualsteric ligand. The resulting hybrids were characterized with the M1-I3N-CFP sensor and were described as photo-inactivatable and dimmable. In addition to the ligand characterization the ligand application methodology was further developed and improved. Thus, a fragment-based screening approach for dualsteric ligands was reported in this study for the first time. With this approach it is possible to investigate dualsteric ligands in greater detail by applying either single ligand fragments alone or in a mixture of building blocks. These studies revealed the insights that the effect of dualsteric ligands on a GPCR can be rebuild by applying the single building blocks simultaneously. The fragment-based screening provides high potential for the molecular understanding of dualsteric ligands and for future screening approaches. Next, a further development of the standard procedure for measuring FRET by sensitized emission was performed. Under normal conditions single cell FRET is measured on glass coverslips. After coating the coverslips surface with a 20 nm thick gold layer an increased FRET efficiency up to 60 % could be reported. This finding was validated in different approaches und in different configurations. This FRET enhancement by plasmonic surfaces was until yet unreported in the literature for physiological systems and make FRET for future projects even more powerful.
N2  - G Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) bilden die größte Proteinfamilie, die im humanen Genom verschlüsselt ist. Sie sind nicht nur die Zielstruktur für eine Vielzahl von derzeit gebräuchlichen Medikamenten, sondern gehören auch zu den vielversprechendsten Therapieansätzen für die moderne Medikamentenentwicklung. Muskarinerge Acetylcholin Rezeptoren (mAChRs) gehören zu den aminergen Klasse A GPCRs und sind bereits heute von klinischer Relevanz. Die muskarinerge Rezeptorfamilie wird von fünf Subtypen gebildet, die sich besonders durch eine hohe Sequenzidentität in der endogenen Ligandenbindestelle (orthostere Bindestelle) auszeichnen. Aus diesem Grund ist es mit den herkömmlich verwendeten Medikamenten nicht möglich, einen ganz bestimmten Subtyp zu therapieren, ohne auch andere Subtypen zu beeinflussen und so unerwünschte Nebenwirkungen zu erhalten. Eine Möglichkeit Ligandenbindung, dynamische Rezeptoraktivierung oder Signalweiterleitung von GPCRs nach pharmakologischen Gesichtspunkten zu charakterisieren, stellt der Floreszenz Resonanz Energietransfer (FRET) dar. Mit Hilfe dieser Methode kann über kleine Entfernungen (<10 nm) die relative Orientierung von zwei Fluorophoren mit überlappenden Spektralbereichen mit hoher zeitlicher Auflösung verfolgt werden. Integriert man das Fluorophorpaar mit Hilfe gentechnischer Methoden in die Molekülstruktur des Rezeptors, kann man dessen Konformationsänderung bzw. Aktivierung infolge einer Ligandenbindung aufzeichnen.
Dualstere Liganden sind eine Substanzklasse von hohem zukünftigen klinischen Potential und zeichnen sich durch die Verknüpfung mehrerer pharmakologisch aktiver Untereinheiten aus. Der orthostere Molekülteil interagiert mit der endogenen Ligandenbindestelle und der allostere Molekülteil interagiert mit einem zweiten Rezeptorabschnitt, der häufig in den extrazellulären Schlaufen des Rezeptors zu finden ist. Diese allosteren Bindestellen zeichnet sich durch eine vergleichsweise geringe Sequenzidentität aus, weswegen allostere Modulatoren auch selektiv an Subtypen binden können. Aufgrund des Aufbaus können dualstere Liganden auf vielfältige Weise mit dem Rezeptor interagieren und dieser Bindemechanismus wurde als dynamische Ligandenbindung beschrieben. Zum einen können beide Molekülteile gleichzeitig mit dem Rezeptor interagieren und ihn aktivieren (dualsterer Bindemodus) und zum anderen findet man einen rein allosteren Bindemodus, der den Rezeptor nicht aktiviert. Der orthostere Molekülteil ist vor allem für die Rezeptoraktivierung zuständig, die sich durch eine hohe Affinität auszeichnet und der allostere Molekülteil kann selektive Rezeptorinteraktionen vermitteln. Da dualstere Moleküle immer Eigenschaften beider Untereinheiten besitzen, werden dualstere Liganden als sehr vielversprechend erachtet, zukünftig subtypselektive Medikamente darzustellen.
In dieser Arbeit wurde der erste Rezeptor FRET Sensor für den muskarinergen Subtyp 1 (M1) beschrieben und es konnte gezeigt werden, dass sich dieser Rezeptorsensor in seiner physiologischen Funktion nicht von dem wild Typ unterscheidet. Des Weiteren können mit Hilfe dieses Sensors liganden- und konzentrationsabhängige Rezeptorantworten aufgezeichnet werden. Der M1-I3N-CFP wurde dazu genutzt verschiedene Reihen dualsterer Liganden zu charakterisieren und auf ihre aktivierenden Eigenschaften bezüglich des M1 zu testen. Es wurde gezeigt, dass die Kombination aus dem synthetischen und hochpotenten Agonisten Iperoxo als Orthoster und dem in der Literatur als M1 selektiven positiven allosteren Modulator beschriebenen BQCA als Alloster sehr vielversprechend ist. Es konnte gezeigt werden, dass die rezeptoraktivierenden Eigenschaften sowohl von orthosteren wie auch von dualsteren Liganden stark von der Linkerlänge abhängig sind. Für dualstere Liganden konnte so ein glockenförmiger Zusammenhang zwischen Linkerlänge und Rezeptoraktivierung herausgearbeitet werden. Des Weiteren wurde gezeigt, dass bestimmte Hybride, die den M1 aktivieren, an anderen Subtypen keine Effekte hervorrufen und somit als subtypselektiv beschrieben werden können. Im Anschluss wurde mit Hilfe des gewonnenen Wissens über Iperoxo/BQCA Hybride, das Moleküldesign der dualsteren Liganden weiterentwickelt. So wurden in dieser Arbeit die ersten photo-schaltbaren bzw. photo-dimmbaren dualsteren Liganden beschrieben und charakterisiert. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit die herkömmliche Charakterisierung von dualsteren Liganden weiterentwickelt. Es konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass es möglich ist, die Aktivierung eines Rezeptors durch einen dualsteren Liganden nachzustellen, indem die einzelnen Fragmente des ursprünglichen Liganden gleichzeitig appliziert werden. Diese auf Fragmenten basierende Charakterisierung ist die erste Anwendung dieser Art und birgt großes Potential für die zukünftige Suche nach neuen Wirkstoffen. Neben der Untersuchung von pharmakologischen Schwerpunkten wurde auch die Weiterentwicklung der Rezeptor FRET Methodik beschrieben. Die herkömmliche Anwendung der Rezeptor FRET Sensoren geschieht auf Objektträgern aus Quarzglas. In dieser Arbeit wurde diese Anwendung dahingehend weiterentwickelt, dass die Objektträger mit einer 20 nm dicken Goldschicht beschichtet wurden, um den Einfluss von Plasmonoberflächen auf physiologisch relevante FRET Messungen zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe der Goldbeschichtung und in Abhängigkeit des Versuchsaufbaus die Energietransfereffizienz um bis zu 60 % gesteigert werden konnte. Diese Entdeckung zeigt Potential zukünftig die FRET-Reichweite zu erhöhen und so bisher nicht charakterisierbare Sachverhalte aufklären zu können.
KW  - G-Protein gekoppelte Rezeptoren
KW  - Muscarinrezeptor
KW  - Dualsteric Ligands
KW  - Partial Agonists
KW  - Dualstere Liganden
KW  - Partialagonismus
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-173729
N1  - Online-Version enthält nicht den Appendix (Volltexte der Originalveröffentlichungen der Zeitschriftenaufsätze)
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schramm, Simon
T1  - Synthesis of Dualsteric Muscarinic M\(_1\) Acetylcholine Receptor Ligands and Neuroprotective Esters of Silibinin
T1  - Synthese von Dualsterischen Liganden des Muscarinischen M\(_1\) Acetylcholin Rezeptors und Neuroprotektiven Estern von Silibinin
N2  - Alzheimer’s disease is a complex network of several pathological hallmarks. These characteristics always occur concomitantly and cannot be taken as distinct features of the disease. While there are hypotheses trying to explain the origin and progression of the illness, none of them is able to pinpoint a definitive cause. This fact challenges researchers not to focus on one individual hallmark but, bearing in mind the big picture, target two or more indications at once. This work, therefore, addresses two of the major characteristics of AD: the cholinergic hypothesis and neurotoxic oxidative stress. The former was achieved by targeting the postsynaptic muscarinic M1 acetylcholine receptor to further investigate its pharmacology, and the latter with the synthesis of neuroprotective natural antioxidant hybrids.
The first aim was the design and synthesis of dualsteric agonists of the muscarinic M1 acetylcholine receptor. Activation of this receptor was previously shown to improve AD pathologies like the formation of Aβ and NFTs and protect against oxidative stress and caspase activation. Selectively targeting the M1 receptor is difficult as subtypes M1 – M5 of the muscarinic AChRs largely share the same orthosteric binding pocket. Orthosteric ligands are thus unsuitable for selective activation of one specific subtype. Secondary, allosteric binding sites are more diverse between subtypes. Allosteric ligands are, however, in most cases dependent on an orthosteric ligand to cause downstream signals. Dualsteric ligands thus utilize the characteristics of both orthosteric and allosteric ligands in form of a message-address concept. Bridged by an alkylene-linker, the allosteric part ensures selectivity, whereas the orthosteric moiety initiates receptor activation. Two sets of compounds were synthesised in this sense. In both cases, the orthosteric ligand carbachol is connected to an allosteric ligand via linkers of different chain length. The first set utilizes the selective allosteric M1 agonist TBPB, the second set employs the selective M1 positive allosteric modulator BQCA. Six compounds were obtained in twelve-step syntheses each. For each one, a reference compound lacking the carbachol moiety was synthesised. The dualsteric ligands 1a-c and 2a c were tested in the IP1 assay. The assay revealed that the TBPB-dualsterics 1 are not able to activate the receptor, whereas the respective TBPB-alkyl reference compounds 27 gave signals depending on the length of the alkylene-linker, suggesting allosteric partial agonism of alkyl compounds 27 and no dualsteric binding of the putatively dualsteric compounds 1. The dualsteric BQCA molecules 2, however, activated the receptor as expected. Efficacy of the C5 linked compound 2b was the highest, yet C3 and C8 compounds (2a and 2c) also showed partial agonism. In this case, the reference compounds 31 showed no receptor activation, implying the intended dualsteric binding mode of the BQCA-carbachol compounds 2. Further investigations will be conducted by the working group of Dr. Christian Tränkle at the Department of Pharmacology at the University of Bonn to confirm binding modes and determine affinities as well as selectivity of the synthesised dualsteric compounds.
The second project dealt with the design, synthesis and biological evaluation of neuroprotective esters of the flavonolignan silibinin. While silibinin is already a potent antioxidant, it has been observed that the 7-OH group has a pro-oxidative character, making this position attractive for functionalisation. In order to obtain more potent antioxidants, the pro-oxidative position was esterified with other antioxidant moieties like ferulic acid 35 and derivatives thereof. Seventeen esters of silibinin 32, including pure diastereomers of 7 O feruloylsilibinin (43a and 43b) and a cinnamic acid ester of 2,3-dehydrosilibinin 46, were synthesised by regioselective esterification using acyl chlorides under basic conditions. The physicochemical antioxidant properties were assessed in the FRAP assay. This assay revealed no improvement of the antioxidant properties except for 7-O-dihydrosinapinoylsilibinin 39b. These results, however, do not correlate with the neuroprotective properties determined in the HT-22 hippocampal neuronal cell model. The assay showed overadditive neuroprotective effects of the esters exceeding those of its components and equimolar mixtures with the most potent compounds being 7-O-cinnamoylsilibinin 37a, 7-O-feruloylsilibinin 38a and the acetonide-protected caffeic acid ester 40a. These potent Michael system bearing compounds may be considered as “PAINS”, but the assays used to assess antioxidant and neuroprotective activities were carefully chosen to avoid false positive readouts. The most potent compounds 37a and 38a, as well as the diastereomers 43a and 43b, were further studied in assays related to AD. In vitro ischemia, inhibition of microglial activation, PC12 cell differentiation and inhibition of Aβ42 and τ protein aggregation assays showed similar results in terms of overadditive effects of the synthesised esters. Moreover, the diastereomers 43a and 43b showed differences in their activities against oxytosis (glutamate-induced apoptosis), inhibition of Aβ42 and τ protein aggregation, and PC12 cell differentiation. The stereospecific effect or mode of action against Aβ42 and τ protein aggregation is more pronounced than that of silybin A (32a) and silybin B (32b) reported in literature and needs to be elucidated in future work. Stability measurements in cell culture medium revealed that the esters do not only get hydrolysed but are partially oxidised to their respective 2,3-dehydrosilibinin esters. Because dehydrosilibinin 45 itself is described as a more potent antioxidant than silibinin 32, 7 O cinnamoyl-2,3-dehydrosilibinin 46 was expected to be even more potent than its un-oxidised counterpart 37a in terms of neuroprotection. The oxytosis assay, however, showed that the neurotoxicity of 46 is much more pronounced, especially at higher concentrations, reducing its neuroprotective potential. Dehydrosilibinin esters are therefore inferior to the silibinin esters for application as neuroprotectants, because of the difficulty of their synthesis and their increased neurotoxicity. A synergistic effect of both species (silibinin and the oxidised form) might, however, be possible or even necessary for the pronounced neuroprotective effects of silibinin esters. As the dehydro-species show distinct neuroprotective properties at low concentrations, their continuous formation over time might make an essential contribution to the overall neuroprotection of the synthesised esters. Due to solubility issues for some of the ester compounds, 7-O-cinnamoylsilibinin 37a was converted into a highly soluble hemisuccinate. The vastly improved solubility of 7 O cinnamoyl-23-O-succinylsilibinin 48 was confirmed in shake-flask experiments. Contrary to expectation, stability examinations showed that the succinyl compound 48 is not cleaved to form 7-O-cinnamoylsilibinin 37a. Neuroprotection assays confirmed that 48 is not a prodrug of the corresponding ester. It was determined that the main site of hydrolysis is the 7-position, cleaving 37 to silibinin 32 and cinnamic acid thus reducing the compound’s neuroprotective effects. Nevertheless, the compound still showed neuroprotection at a concentration of 25 µM. The improved solubility might be more beneficial than the higher neuroprotection of the poorly soluble parent compound 37a in vivo. 7 O Cinnamoylsilibinin 37a was further investigated to reduce Aβ25 35 induced learning impairment in mice. While tendencies of improved short-term and long-term memory in the animals were observed, the effects are not yet statistically significant in both Y-maze and passive avoidance tests. A greater number of test subjects is necessary to ensure correctness of the preliminary results presented in this work. However, an effect of ester 37a is observable in vivo, showing blood-brain barrier penetration. The esters synthesised are a novel approach for the treatment of AD as they show strong neuroprotective effects and their hydrolysis products or metabolites are only non-toxic natural products.
N2  - Mehrere Hypothesen versuchen die Ursprünge und den Fortschritt der Alzheimer’schen Krankheit zu erklären. Eine definitive Ursache konnte allerdings bisher nicht festgestellt werden, da die Merkmale der Krankheit grundsätzlich nebeneinander auftreten. Wissenschaftler müssen also auf der Suche nach Therapien die verschiedenen pathologischen Vorgänge gleichzeitig behandeln. In dieser Arbeit wurden daher zwei der prominenteren Anzeichen der Alzheimer’schen Krankheit bearbeitet. Zum einen wurde die cholinerge Hypothese, mit Adressierung des postsynaptischen muskarinischen M1 Acetylcholinrezeptors, thematisiert. Und zum anderen wurde neurotoxischer oxidativer Stress, mit der Entwicklung von neuroprotektiven natürlichen Antioxidantien, behandelt.
Das erste Projekt beschäftigte sich mit dem Design und der Synthese von dualsterischen Agonisten des muskarinischen M1 Acetylcholinrezeptors. In der Literatur wurde gezeigt, dass die Aktivierung dieses Rezeptors eine Verbesserung des Krankheitsverlaufs nach sich ziehen kann. Es wurde unter anderem demonstriert, dass Verminderungen der Aggregation von Aβ und τ Proteinen, wie auch von oxidativem Stress, eintreten. Die selektive Aktivierung des M1 Rezeptors gestaltet sich jedoch als sehr schwierig, da sich die fünf Subtypen M1 – M5 der muskarinischen Acetylcholinrezeptoren nur geringfügig in ihrer Substratbindestelle unterscheiden. Die Anwendung von rein orthosterischen Liganden ist daher ungenügend. Sekundäre bzw. allosterische Bindestellen, unterscheiden sich zwischen den Subtypen stärker. Allosterische Liganden sind allerdings oft von der Anwesenheit eines orthosterischen Agonisten abhängig, um den Rezeptor zu aktivieren. Die Einbeziehung beider Bindestellen gleichzeitig erlaubt jedoch die Anwendung eines Signal-Adresse-Konzepts, bei welchem ein orthosterischer Ligand (Signal) mit einem allosterischen Liganden (Adresse) über einen Linker verknüpft wird. Auf diese Weise wurden zwei Sätze dualsterischer Verbindungen hergestellt. Der orthosterische Ligand Carbachol wurde jeweils über unterschiedlich lange Alkyllinker mit einem allosterischen Liganden verbunden. Als allosterische Liganden, selektiv für den M1-Rezeptor, wurden zum einen TBPB, ein allosterischer Agonist, und zum anderen BQCA, ein positiver allosterischer Modulator, gewählt. Sechs Verbindungen wurden in Synthesen mit jeweils zwölf Schritten hergestellt. Außerdem wurden für jede der dualsterischen Verbindungen Referenzsubstanzen, ohne die Carbachol-Einheit, synthetisiert. Die dualsterischen Liganden 1a-c und 2a-c wurden im IP1 Assay getestet und es zeigte sich, dass die TBPB-Verbindungen 1 nicht in der Lage waren den Rezeptor zu aktivieren. Im Gegensatz dazu, konnten die entsprechenden Referenzverbindungen 27, abhängig von der Kettenlänge, Rezeptorantworten auslösen. Dieser Befund zeigt allosteren Agonismus der Referenzen 27 und lässt Grund zur Annahme, dass die Verbindungen 1 keinen dualsterischen Bindemodus eingehen. Die BQCA-Substanzen 2, auf der anderen Seite, aktivierten den Rezeptor wie erwartet. Die Verbindung mit dem C5-Linker 2b löste das stärkste Signal aus, aber auch die C3- und C8-Verbindungen (2a und 2c) zeigten Partialagonismus. In diesem Fall aktivierten die Referenzsubstanzen 31 den Rezeptor nicht, was auf einen dualsterischen Bindemodus der Zielstrukturen 2 schließen lässt. Weitere Untersuchungen dieser Verbindungen werden in der Arbeitsgruppe von Dr. Christian Tränkle am Institut für Pharmakologie und Toxikologie der Universität Bonn durchgeführt und sollen näheren Aufschluss über Bindemodi, Affinitäten und Selektivität geben.
Das zweite Projekt beschäftigte sich mit dem Design, der Synthese und biologischen Evaluierung von neuroprotektiven Estern des Flavonolignans Silibinin 32. Obwohl Silibinin 32 selbst ein starkes Antioxidans ist, wurde festgestellt, dass seine 7-OH Gruppe pro-oxidativen Charakter besitzt. Diese Position ist somit ein attraktives Ziel für Funktionalisierungen zur Verstärkung der antioxidativen Eigenschaften. Um Substanzen mit verbesserten antioxidativen Effekten herzustellen, wurde diese Gruppe mit anderen Antioxidantien, wie etwa Ferulasäure 35 und strukturell ähnlichen Derivaten, verestert. Dabei konnten siebzehn Ester, inklusive den reinen Diastereomeren von 7-O-Feruloylsilibinin (43a und 43b) und einem Zimtsäureester von 2,3-Dehydrosilibinin 46, durch regioselektive Veresterung mit den entsprechenden Säurechloriden im basischen Milieu hergestellt werden. Die physikochemischen antioxidativen Eigenschaften wurden mit Hilfe des FRAP-Assays bestimmt. Hier trat im Allgemeinen keine Verbesserung der Eigenschaften auf. Nur 7 O Dihydrosinapinoylsilibinin 39b zeigte gesteigertes antioxidatives Verhalten. Diese Ergebnisse stimmten jedoch nicht mit den neuroprotektiven Eigenschaften, die in einem Zellmodel mit HT-22 hippocampalen neuronalen Zellen (Oxytose Assay) getestet wurden, überein. Dieser Assay konnte beweisen, dass die dargestellten Ester ihre einzelnen Komponenten, und eine Mischung dieser, hinsichtlich ihrer Eigenschaften übertreffen und überadditive neuroprotekive Effekte besitzen. Die wirksamsten Verbindungen waren 7 O Cinnamoylsilibinin 37a, 7-O-Feruloylsilibinin 38a und der Acetonid-geschützte Kaffesäureester 40a. Diese Substanzen besitzen alle ein Michael-System und könnten deshalb als sogenannte „PAINS“ angesehen werden. Allerdings wurden die verwendeten Assays sorgfältig ausgewählt, um falsch-positive Ergebnisse zu vermeiden. Die wirksamsten Substanzen, inklusive der beiden Diastereomeren 43a und 43b, wurden in weiteren, für die Alzheimer’sche Krankheit relevanten, Experimenten untersucht. Ein in vitro Ischämie Modell, die Inhibition von Mikroglia Aktivierung, die Aktivierung von PC12 Zell-Differenzierung und die Inhibition von Aβ und τ Protein Aggregation bestätigen die überadditiven Effekte der Ester. Die einzelnen Diastereomere 43a und 43b zeigten unterschiedlich stark ausgeprägte Effekte gegenüber Oxytose, Inhibition von Aβ und τ Protein Aggregation und PC12 Zell-Differenzierung. Dieser stereospezifische Effekt oder Wirkmechanismus war auffallender als die in der Literatur beschriebenen Effekte der Diastereomere Silybin A (32a) und Silybin B (32b) und muss in Zukunft näher untersucht werden. Stabilitätsuntersuchungen in Zellkulturmedium zeigten, dass die Ester nicht einfach nur hydrolysiert, sondern teilweise zu den entsprechenden Dehydrosilibininestern oxidiert werden. Da Dehydrosilibinin 45 selbst als stärkeres Antioxidans als Silibinin 32 beschrieben wird, wurde erwartet, dass der Zimtsäure-Dehydrosilibininester 46 höhere Wirksamkeit als der Silibininester 37a zeigt. Der Neuroprotektions-Assay bewies jedoch, dass 46 ausgeprägtere Neurotoxizität besitzt und seine potentielle Neuroprotektion dadurch verschlechtert wird. Dehydrosilibininester sind den Silibininestern daher bei dieser Anwendung unterlegen, auch weil ihre Synthese deutlich aufwendiger ist. Ein synergistischer Effekt beider Spezies (Silibinin und Dehydrosilibinin) könnte allerdings möglich und vielleicht sogar nötig sein. Die kontinuierliche Generierung der Dehydrosilibininester mit der Zeit könnte ein wichtiger Faktor für die neuroprotektiven Eigenschaften der Silibininester sein, da die neuroprotektiven Effekte der Dehydro-silibininester bei niedrigen Konzentrationen sehr ausgeprägt sind. Aufgrund der problematischen Löslichkeit der hergestellten Substanzen, wurde die Löslichkeit der Ester verbessert, indem 7 O-Cinnamoylsilibinin 37a, als Modell, mit gut löslichen Hemisuccinaten verbunden wurde. Die stark verbesserte Löslichkeit von 7 O Cinnamoyl-23-O-succinylsilibinin 48 wurde in shake-flask Experimenten bewiesen. Stabilitätsuntersuchungen und der Neuroprotektions-Assay zeigten allerdings, dass die Succinylverbindung 48 hauptsächlich an Position 7, und damit in Zimtsäure und 23 O Succinylsilibinin 50, gespalten wurde. Hemisuccinat 48 zeigte Neuroprotektion nur bei einer Konzentration von 25 µM und ist somit kein Pro-Drug von 7 O Cinnamoylsilibinin 37a. Die erhöhte Löslichkeit könnte jedoch in vivo nutzbringender sein als die gesteigerte Neuroprotektion des schlechter löslichen Derivats 37a. 7-O-Cinnamoylsilibinin 37a wurde außerdem darauf getestet Aβ25 35 induzierte Gedächtnisbeeinträchtigungen in Mäusen zu verbessern. Obwohl Tendenzen zu verbessertem Kurzzeit- und Langzeitgedächtnis erkenntlich wurden, konnten noch keine statistisch signifikanten Verbesserungen sowohl im Y-maze Test als auch im passive avoidance Test gezeigt werden. Mehr Testsubjekte sind nötig, um die Ergebnisse zu überprüfen. Dennoch sind Effekte in vivo zu beobachten, die Blut-Hirn-Schranken Penetration zeigen. Die dargestellten Ester sind somit ein neuer Ansatz für die Behandlung der Alzheimer’schen Krankheit, da sie ausgeprägte neuroprotektive Effekte zeigen und ihre Spaltprodukte und Metaboliten ausschließlich nicht-toxische Naturstoffe sind.
KW  - Organische Synthese
KW  - Silibinin
KW  - Muscarinrezeptor
KW  - dualsteric ligand
KW  - Silibinin ester
KW  - neuroprotective
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-173592
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 <Biochemie>
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-179282
ER  - 
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  - Volpato, Daniela
T1  - Bitopic Ligands and their molecular fragments for the study of the M1 Muscarinic Receptor
T1  - Bitopische Liganden und ihre Molekülfragmente für die Untersuchung des M1 Muskarinischen Rezeptors
N2  - The past decades have witnessed the development of new pharmaceutical compounds that modulate receptor function by targeting allosteric sites. Allosteric sites are, by definition, domains topographically distinct from the orthosteric binding pocket where the natural ligand binds. Exploring the possibilities of linking orthosteric and allosteric pharmacophores in one compound to yield ‘bitopic’ compounds is a strategy derived from the “message-address” concept by Schwyzer , first applied to GPCRs by Portoghese et al. This concept explicitly underlines the orthosteric/allosteric combination, in opposite to the more general umbrella term bivalent. The broad possibilities of bitopic ligands in the pharmaceutical field are under continuous study. Bitopic compounds are promising pharmaceutical tools for taking advantage of the allosteric binding to achieve subtype selectivity while preserving high affinity at the receptor. The development of bitopic ligands, based on the idea of combining high affinity (via orthosteric sites) with high selectivity (via allosteric sites), have led to the development of highly selective bivalent ligands for GPCRs , such as for the opioid receptors , muscarinic acetylcholine receptors (mAChRs), serotonin receptors, cannabinoid receptors, and gonadotropin-releasing hormone receptors. This concept has even been extended to other receptors, for examples nicotinic receptors and other proteins, such as acetylcholinesterases and the tyrosine kinase receptors TrkA and TrkC. The reasons to pursue a bitopic ligand approach are various. An improved affinity for the target GPCR and/or an improved selectivity either at the level of receptor subtype, or at the level of signaling pathway. Another advantage of bitopic ligands over purely allosteric ligands is that the former rely on the appropriate presence of endogenous agonist tone to mediate their effects, whereas a bitopic ligand would engage the orthosteric site irrespective of the presence or absence of endogenous tone. By way of introduction to the hybrid approach, a review of the concept of hybrids compounds targeting the cholinergic system is presented in section A of this thesis. Recent updates in hybrid molecule design as a strategy for selectively addressing multiple target proteins involved in Alzheimer's disease (AD) is here reported . This represents the potential and the growing interest in hybrid compound as pharmacological tools to achieve receptor subtype selectivity and/or, to study the overall functional activity of the receptor. Until now, muscarinic acetylcholine receptors (mAChRs) have proved to be a particularly fruitful receptor model for the development and characterization of bitopic ligands. In this thesis, several examples of new muscarinic bitopic approach are reported in the results section. A study of bipharmacophoric ligands composed of the muscarinic positive allosteric modulators (BQCAderived compounds) linked with chain of various lengths to different orthosteric building blocks is reported in the result part 1. Synthesis and examination of the potential pharmacological characteristic of Oxotremorine-BQCAd compounds and Xanomeline-BQCAd hybrid derivatives are described in results parts 2 and 4, respectively. Moreover, the bitopic concept has even been extended to other proteins, such as acetylcholinesterase. In the result part 5 an overview of the new Tacrine-Xanomeline hybrids aiming to improve the inhibitory potency of the acetylcholinesterase and simultaneously to increase the cholinergic tone, via the xanomelinic portion acting on the M1 receptor is given. A new trivalent approach is presented for the first time to deepen the study of the M1 muscarinic receptor in the result part 6. Moreover, the synthesis of a new series of iperoxo-derived alkane, bis(ammonio)alkane-type and rigidified chain ligands is given in the result part 7 together with some prospects for further research.
N2  - Mit zunehmendem Alter der Bevölkerung  werden altersbedingte Krankheiten, insbesondere neurodegenerative Erkrankungen wie die Alzheimer-Krankheit (AD), häufiger und stellen darüber hinaus ein soziales und wirtschaftliches Problem für die Gesellschaft dar1,2. AD ist eine schwere altersabhängige neurodegenerative Erkrankung des Gehirns, die mit Gedächtnisverlust und einer Abnahme der kognitiven Funktionen verbunden ist und immer weiter fortschreitet.  Die Krankheit ist derzeit unheilbar und aufgrund des demographischen Wandels wird ein starker Anstieg an Betroffenen erwartet. Daher beschäftigt sich eine Vielzahl wissenschaftlicher Studien mit der Prävention und der Behandlung von AD. Derzeit besteht das Hauptziel darin, die Ursachen und Mechanismen dieser Krankheit durch innovative Grundlagenforschung zu verstehen. AD ist ein komplexes Zusammenspiel verschiedener pathologischer Merkmale2,4. Diese besonderen Merkmale der Krankheit, die gleichzeitig auftreten, müssen untersucht und gleichzeitig untersucht werden, um wirksame und selektive Medikamente zu entwickeln.
Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit zwei Zielstrukturen der cholinergen Hypothese zur Entstehung von AD: dem muskarinischen M1-Rezeptor5,6 und der AChE7 unter Verwendung des Hybridisierungsansatzes.  Zunächst wurden vermeintlich selektive M1 Agonisten entwickelt und synthetisiert. Diese sollten die cholinerge Transmission verstärken um die cholinerge Funktion in Alzheimer Patienten zu verbessern. Hierbei wurde die Hybridisierung durch die kovalente Verbindung einer allosterischen und einer orthosterischen Einheit in einem Molekül durchgeführt. ...
KW  - Ligand <Biochemie>
KW  - Bitopic Ligands
KW  - Muscarinrezeptor
KW  - M1 Muscarinic Receptor
KW  - Bitopische Liganden
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-248815
ER  - 
TY  - THES
A1  - Geyer, Florian
T1  - Targeting of M\(_2\) and M\(_4\) Muscarinic Receptor Subtypes with New Dualsteric Ligands
T1  - Entwicklung von neuen dualsterischen Liganden für die Muskarinrezeptor-Subtypen M\(_2\) und M\(_4\)
N2  - As part of the parasympathetic nervous system, muscarinic receptors are involved in the regulation of numerous functions in the human body. However, targeting a specific subtype of muscarinic receptors is challenging due to the high degree of similarity within the binding site of the endogenous neurotransmitter acetylcholine. Therefore, this study focused on the investigation of dualsteric ligands. Such hybrid ligands target the orthosteric acetylcholine binding site and, simultaneously, a distinct allosteric binding site. Since allosteric binding regions show significant structural differences throughout muscarinic receptor subtypes, it was aimed to produce selective ligands by means of combination of two pharmacophores in one molecule. Herein, the thienopyridine derivatives LY2033298 and LY2119620 were chosen as allosteric moieties. Based on literature studies, the investigated allosteric modulators were analyzed in terms of adequate attachment points for the combination with an orthosteric agonist. As orthosteric units, muscarinic superagonist iperoxo, xanomeline, and TMA were applied in this work. Since the distance between orthosteric and allosteric moieties plays a crucial role for dualsteric ligand binding, the linker chain length was also varied. Pharmacological investigations of the synthesized hybrid ligands were perfomed via FRET- and BRET-assay measurements.
N2  - Als Teil des parasympathischen Nervensystems sind muskarinische Acetylcholinrezeptoren an der Regulation einer Vielzahl von Prozessen des menschlichen Körpers beteiligt. Die fünf unterschiedlichen Subtypen der Muskarinrezeptoren weisen allerdings kaum Abweichungen innerhalb der Bindestelle für den körpereigenen Neurotransmitter Acetylcholin auf, sodass eine subtypspezifische Rezeptoraktivierung immer noch eine große Herausforderung darstellt.[9, 19] Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich deswegen mit dem Design dualsterischer Liganden, welche gleichzeitig die orthosterische Bindestelle für Acetylcholin sowie eine weitere, allosterische Bindestelle adressieren. Da sich die allosterischen Bindestellen der verschiedenen Muskarinrezeptoren teilweise deutlich voneinander unterscheiden, war das Ziel dieser Studie die Herstellung selektiver Liganden durch die Kombination zweier Pharmakophore.[8, 60, 61] ...
KW  - GTP-bindende Proteine
KW  - Muscarinrezeptor
KW  - muscarinic receptors
KW  - dualsteric ligands
KW  - hybrid ligands
KW  - bitopic ligands
KW  - M2
KW  - M4
KW  - Hybridliganden
KW  - Bitopische Liganden
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-271506
ER  -