Inhibitors of Human and Malaria Parasite Dihydroorotate Dehydrogenase

Abstract

In the first part of the PhD work, small chemical entities (fragments) found to inhibit human dihydroorotate dehydrogenase (DHODH), were chemically optimized. As part of an ample program at Active Biotech to find new drugs against autoimmune diseases, expanded fragments were repeatedly designed, synthesized and evaluated in a human DHODH assay. Potent inhibitors were identified within three classes of compounds; fenamic acids, 4-hydroxycoumarins and N-(alkylcarbonyl)anthranilic acids. In each class, compounds with submicromolar IC50 values were found. Co-crystals were obtained for human DHODH in complexes with a fenamic acid and an anthranilic acid.

The second half of the project is concerned with the synthesis of new classes of compounds for potential treatment of malaria by selective inhibition of the recently characterized enzyme Plasmodium falciparum DHODH (PfDHODH). The search for malaria-combating compounds acting through novel mechanisms is particularly important in light of the growing resistance against today’s malaria drugs. The PfDHODH has recently been discovered to differ significantly in structure from human DHODH, which opened up possibilities for the development of efficient and selective inhibitors of PfDHODH. A novel chemical class of moderate activity, salicylamides, discovered in the first part dealing with human DHODH, was systematically modified and resulting in the discovery of selective PfDHODH inhibitors with low micromolar IC50 values.

Another approach used to find novel compound classes against PfDHODH was the in silico design, which focused on polar key interactions and overall fit in the binding site. A pyranopyrrolone scaffold structure was identified and provided inhibitors of poor-to-moderate activity. The pyranone moiety of the pyranopyrrolones was subsequently used as the basis for the design of new classes of inhibitors. 4-Aminopyranone and 4-aminocoumarin derivatives were discovered to possess submicromolar activity against PfDHODH with selectivity compared to human DHODH and, in addition, they inhibited proliferation of P. falciparum parasites in whole cells.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Pyrimidiner är DNA-byggstenar som är essentiella för cellens överlevnad och delning. I mänskliga celler finns pyrimidiner att tillgå antingen genom återupptag eller genom biosyntes (nysyntes). Biosyntesen av pyrimidiner sker i flera steg och i ett av dem spelar enzymet Dihydroorotat dehydrogenas (DHODH) en avgörande roll genom att katalysera en oxidationsreaktion. När cellen är i vila tillgodoses cellens behov av pyrimidiner huvudsakligen via återupptag men när celldelningen är mycket omfattande fylls behovet genom biosyntes. Om nysyntesen hämmas t.ex. genom att blockera DHODH, bromsas den snabba celldelning, vilket kan utnyttjas för utveckling av läkemedel för att t.ex. bota cancer eller undertrycka oönskat immunsvar vid autoimmuna sjukdomar eller transplantation.

I delarbete I och II vidareutvecklades kemiska fragment som visat sig hämma humant DHODH. Programmet omfattade design och syntes av expanderade fragment följt av analys av de tillverkade substansernas förmåga att hämma DHODH-enzymet. Potenta hämmare (s.k. inhibitorer) identifierades inom tre substansklasser, där de bästa substanserna kan betraktas som mycket lovande läkemedelskandidater.

Malaria parasitens DHODH är ett attraktivt mål för läkemedelsutveckling. Parasiten, till skillnad från människan, kan inte ta upp pyrimidiner från omgivningen och biosyntesen av pyrimidiner är därmed livsnödvändig. En oroväckande snabb utveckling av resistens hos malariaparasiten mot befintliga läkemedel utgör ett stort globalt problem och understryker ett behov att finna nya malarialäkemedel med nya verkningsmekanismer, där DHODH är ett tänkbart målenzym. Det övergripande målet för doktorandarbetet var att identifiera nya substansklasser som är verksamma mot malaria genom att selektivt blockera DHODH hos malaria parasiten Plasmodium falciparum (Pf). För att hitta nya kemiska startpunkter mättes hämningen av P. falciparum parasitens DHODH på cirka 150 humana enzyminhibitorer, bl.a. de som identifierade i delarbete I och II. Med hjälp av dessa data och med kännedom om hur substanserna binder till enzymet öppnades möjligheten att syntetiskt modifiera och omvandla funna startmolekyler till malaria hämmare.

I delarbete III optimerades en substansklass, salicylamider, från att vara mediokra hämmare av både humant och parasitiskt enzym till att selektivt hämma P. falciparum DHODH. Med en salicylamid som kemisk startpunkt, syntetiserades substanser med metodiskt varierade kemiska grupper i olika positioner. Hämning av malaria enzymet mättes och resultatet utvärderades i en datormodell, där strukturen hos substanserna kunde jämfördes med dess passform i enzymets bindningsficka.

Strukturen hos parasitens enzym har nyligen kartlagts (2005) och kan nu jämföras med strukturen hos det humana, vilket banar väg för design av nya molekyler med selektiv verkan mot P. falciparum DHODH.

I delarbete IV beskrivs framtagandet av två nya klasser enzyminhibitorer, 4-aminopyranoner och 4-aminokumariner. Dessa designades med P. falciparum enzymets struktur som utgångspunkt, s.k. ”de novo” design. En ny kemisk startpunkt togs fram som i en datormodell bedömdes ha god passform i enzymets bindningsficka och därmed hypotetiska möjligheter att hämma P. falciparum DHODH. Syntesen av olika derivat utifrån den nya kemiska startpunkten ledde till tre olika klasser, varav 4-aminopyranoner och 4-aminokumariner innehöll substanser som hämmade enzymet vid koncentrationer runt en mikro-molar och därunder. Selektiviteten för P. falciparum DHODH jämfört med humant DHODH var mycket god, över 100 gånger för de bästa hämmarna. Förmågan hos några substanser att hämma parasiternas tillväxt i celler från humant blod bestämdes också, och visade även här en god aktivitet. Slutligen konstaterades att toxiciteten på en typ av immunceller (Jurkat T-celler) var låg.

Sammanfattningsvis, uppnåddes doktorandarbetets mål genom att potenta hämmare av P. falciparum DHODH enzymet upptäcktes som visar lovande resultat på levande celler utan att riskera undertrycka människans immunförsvar via det humana DHODH enzymet. 4-Aminopyranonerna och 4-aminokumarinerna är lovande läkemedelskandidater redo att gå vidare för utvärdering av andra läkemedelsrelevanta egenskaper, såsom t.ex. metabolisk och kemisk stabilitet, vilket sannolikt kommer leda till att ytterligare designarbete och syntes.

• author: Fritzson, Ingela
• supervisor: Ulf Nilsson
• opponent: Mikael, Elofsson, Umeå Universitet
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Organic Chemistry
• keywords: DHODH, Synthesis, Inhibitors., Dihydroorotate dehydrogenase
• pages: 170 pages
• defense location: Kemicentrum, Getingevägen 60, sal K:B
• defense date: 2011-05-27 09:30:00
• ISBN: 978-91-7422-275-3
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Organic chemistry (S/LTH) (011001240)
• id: d43db0fb-d932-49a4-9dad-28d3eac2eec4 (old id 1938203)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:36:35
• date last changed: 2018-11-21 20:59:45