Edgar Sawatzky

• Although the physiological roles of BChE are not yet determined to date, the importance of this enzyme is continuously increasing as it was found to be associated with several disorders like diabetes mellitus type 2, cardiovascular diseases, obesity and especially with Alzheimer’s disease (AD). In consequence, for investigations of BChE’s pathological role in these diseases and to find new medication strategies, the development of selective and potent inhibitors is necessary. For this purpose, the current work progresses in five chapters onAlthough the physiological roles of BChE are not yet determined to date, the importance of this enzyme is continuously increasing as it was found to be associated with several disorders like diabetes mellitus type 2, cardiovascular diseases, obesity and especially with Alzheimer’s disease (AD). In consequence, for investigations of BChE’s pathological role in these diseases and to find new medication strategies, the development of selective and potent inhibitors is necessary. For this purpose, the current work progresses in five chapters on the exploration of the chemical, physical and biochemical properties of tetrahydroquinazoline based carbamates which were previously reported to be selective BChE inhibitors with potency in the low nanomolar range. 1) A Novel Way to Radiolabel Human Butyrylcholinesterase for PET through Irreversible Transfer of the Radiolabeled Moiety: PET-radiotracers represent an innovative tool to determine the distribution and the expression of a biological target in vivo. BChE lacks to a large degree of such tracers with a few exceptions. In this work, methods were developed to incorporate the radioisotopes 11C and 18F into the carbamate moiety of an tetrahydroquinazoline based inhibitor. In contrast to reversibly acting PET-probes, the described radiotracers were proven by kinetic studies to transfer the radioisotope covalently onto the active site of BChE, thus labeling the enzyme directly and permanently. 2) Discovery of Highly Selective and Nanomolar Carbamate-Based Butyrylcholinesterase Inhibitors by Rational Investigation into Their Inhibition Mode: To investigate the role of the tetrahydroquinazoline carrier scaffold on BChE inhibition, carbamate based inhibitors were synthesized. These compounds were successively used to perform kinetic investigations to determine their inhibition mode. Based on these data, a plausible binding model was postulated explaining the influence of the tetrahydroquinazoline carrier scaffold for binding at BChE’s active site just before carbamate transfer takes place. Additionally, these compounds feature neuroprotective properties and prevent oxidative stress induced cell death in their carbamate form as well as after the release of the tetrahydroquinazoline carrier scaffold. 3) Dual Addressing of Butyrylcholinesterase by Targeting the Catalytic Active Site (CAS) and the Peripheral Anionic Site (PAS): Compounds which are dual-targeting the CAS and the PAS of BChE are the most potent and selective BChE inhibitors to date with inhibition values in the picomolar range. In this work, a strategy is described how to turn tetrahydroquinazoline based carbamates into dual binding BChE inhibitors. These inhibitors feature a carbamate moiety which is covalently transferred onto the CAS of BChE, and in addition provide a second pharmacophore connected via a linker to the carbamate moiety which is proposed to target the PAS. Preliminary results reveal a high tolerance of BChE towards different linker lengths without decrease in affinity. 4) Investigation into Selective Debenzylation and Ring Cleavage of Quinazoline based Heterocycles: The tetrahydroquinazoline system is well investigated in terms of its synthesis and its selective oxidation. To explore the reactivity of this system, a tetracyclic tetrahydroquinazoline was exposed to common reduction agents. These experiments revealed a high sensitivity of the tetrahydroquinazoline core towards several reduction conditions 5) Experimental and Theoretical Investigation into the Stability of Cyclic Aminals: Tetrahydroquinazolines are known to degrade in acidic media through hydrolysis of their aminal system; but literature is lacking of a systematic investigation into this behavior. Therefore, different tetrahydroquinazolines were synthesized and exposed to phosphate buffered systems with defined pH-values. A clear increase of the hydrolysis rate of the aminal system was determined in dependency of an increasing acidic media. Computational studies predicted and experimental studies proved that hydrolysis takes place in an acidic environment while the condensation of this system is preferred in neutral or basic aqueous media.…
• Obwohl die physiologische Funktion der BChE zum aktuellen Zeitpunkt noch nicht vollständig aufgeklärt ist, so ist die Bedeutung dieses Enzyms hinsichtlich seiner möglichen Involvierung bei Diabetes mellitus Typ 2, kardiovaskulären Erkrankungen, Übergewicht und der Alzheimer-Erkrankung stetig steigend. Die Entwicklung von selektiven und hochwirksamen Inhibitoren ist daher notwendig um die Rolle der BChE im pathologischen Verlauf dieser Erkrankungen beurteilen zu können und ggf. neue Therapiemöglichkeiten zu eröffnen. In der hier durchgeführtenObwohl die physiologische Funktion der BChE zum aktuellen Zeitpunkt noch nicht vollständig aufgeklärt ist, so ist die Bedeutung dieses Enzyms hinsichtlich seiner möglichen Involvierung bei Diabetes mellitus Typ 2, kardiovaskulären Erkrankungen, Übergewicht und der Alzheimer-Erkrankung stetig steigend. Die Entwicklung von selektiven und hochwirksamen Inhibitoren ist daher notwendig um die Rolle der BChE im pathologischen Verlauf dieser Erkrankungen beurteilen zu können und ggf. neue Therapiemöglichkeiten zu eröffnen. In der hier durchgeführten Arbeit wurde in fünf Kapiteln die chemischen, physikalischen und pharmakologischen Eigenschaften von Tetrahydrochinazolin basierten Carbamaten untersucht. 1) Eine neuartige Methode zur PET-Radiomarkierung der menschlichen BChE durch den irreversiblen Transfer eines radioaktiv markierten Carbamatrestes: PET-Radiopharmaka (auch Radiotracer genannt) werden häufig verwendet, um die Verteilung biologischer Zielmoleküle in vivo bestimmen zu können. In der hier präsentierten Arbeit wurden Methoden entwickelt, um die beiden PET-Radioisotope 11C und 18F in den Carbamatrest eines Tetrahydrochinazolin basierten Inhibitors zu integrieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen, reversibel agierenden PET-Radiotracern konnte bei den hier beschriebenen Radiotracern mittels kinetischer Untersuchungen gezeigt werden, dass sie den radioaktiv markierten Rest kovalent auf die BChE übertragen können, sodass das Enzym direkt und kontinuierlich radioaktiv markiert wird. 2) Entwicklung hochselektiver Carbamat-basierter BChE Inhibitoren durch rationale Untersuchung ihres Bindemoduses: Um den Einflusses des Tetrahydrochinazolingerüstes zur Hemmung der BChE untersuchen zu können, wurden veschiedenartige Tetrahydrochinazolin basierete Inhibitoren synthetisiert. Der Bindemodus dieser Verbindungen wurde dabei eingehend mittels ihrer Inhibitionskinetik untersucht. Auf Grundlage der dabei erhaltenen Daten konnte mithilfe computergestützter Methoden ein Bindemodell entwickelt werden, welches den Einfluss des Tetrahydrochinazolingerüstes zur Bindung des gesamten Inhibitors in das aktive Zentrum der BChE qualitativ wiederspiegelt bevor die eigentliche Inhibition durch den Carbamattransfer auf das aktive Zentrum stattfindet. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die hier synthetisierten Verbindungen neuroprotektive Eigenschaften aufweisen, indem sie oxidativem Stress entgegenwirken. 3) Duale Adressierung des katalytisch aktivem Zentrums (CAS) und der peripheren anionischen Bindestelle (PAS) der Butyrylcholinesterase: Verbindungen, welche sowohl die CAS als auch die PAS der BChE simultan adressieren, gehören zu den potentesten und selektivsten BChE Inhibitoren mit Inhibitionswerten im pikomolarem Bereich. In der hier vorliegenden Arbeit wurde eine Strategie entwickelt, wie Tetrahydrochinazolin basierte Inhibitoren so modifiziert werden müssen, damit diese ebenfalls als dual-aktive Inhibitoren wirksam werden. Diese Inhibitoren weisen eine Carbamatfunktionalität auf, welche kovalent auf die CAS der BChE übertragen wird, und besitzen darüber hinaus ein zweites Pharmakophor, welches über einen Linker mit dem Carbamatrest chemisch verknüpft ist und an die PAS bindet. 4) Untersuchungen zur selektiven Debenzylierung und Ringspaltung von Chinazolin basierten Heterozyklen: Das Tetrahydrochinazolinsystem ist in der Literatur ausgiebig hinsichtlich seiner Synthese und selektiven Oxidation beschrieben worden. Um den Einfluss reduktiver Bedingungen auf dieses System zu untersuchen, wurde ein tetrazyklisches Tetrahydrochinazolin gezielt mit verschiedenen Reduktionsmitteln umgesetzt. Informationen über die Reaktivität des Tetrahydrochinazolinsystems sind unumgänglich bei der Entwicklung neuer Verbindungen auf Grundlage dieses Systems, um Nebenreaktionen zu vermeiden. 5) Experimentelle und Theoretische Untersuchungen zur Stabilität zyklischer Aminale: Tetrahydrochinazoline weisen ein Aminalsystem auf, welches im sauren Milieu hydrolytisch gespalten werden kann. Um die Stabilität dieses Systems systematisch zu untersuchen, wurden Tetrahydrochinazoline synthetisiert und in einem wässrigen Phosphat-gepuffertem System mit definiertem pH-Wert inkubiert. Bei diesen Untersuchungen konnte ein klarer Zusammenhang zwischen einem sinkendem pH-Wert und einer beschleunigten Zersetzung der Testsubstanzen beobachtet werden. Außerdem konnte mittels quantenmechanischen Berechnungen und weiteren Experimenten gezeigt werden, dass diese Reaktion im alkalischen oder neutralem Milieu reversibel ist.…