Synthese, Testung und 3D-QSAR von ABCG2-Inhibitoren

Abstract

Die Behandlung von Krebserkrankungen baut im Allgemeinen auf verschiedenen Säulen auf, wobei die Chemotherapie eine der wichtigsten Therapiemethoden darstellt. Ein häufiges Versagen der Chemotherapie beruht auf der intrinsischen oder erworbenen Resistenz der Krebszellen gegenüber verschiedensten Zytostatika. Dieses Phänomen wird als Multidrug-Resistenz (MDR) bezeichnet. Einer der Mechanismen der MDR beinhaltet den aktiven Transport von Chemotherapeutika durch Membranproteine der ABC-Transporter Familie wie ABCB1, ABCC1 und ABCG2. <br /> Ziel der vorliegenden Arbeit war es, auf Basis verschiedener chemischer Grundstrukturen, potente Inhibitoren des ABC-Transporters ABCG2 zu entwickeln. Durch Hemmung des Transportproteins sollte die ABCG2-vermittelte Multidrug-Resistenz aufgehoben werden. Abgeleitet von Natur- und Arzneistoffen wurden Botryllamide, Monocarbonylanaloga des Curcumins (MACs) und substituierte Pyrimidine synthetisiert und <em>in vitro</em> untersucht. Die biologischen Untersuchungen umfassten die Hemmwirkung und Selektivität der Substanzen gegenüber ABCG2, sowie ihre zytotoxischen Eigenschaften. Für die aktivsten Verbindungen wurde ihr Vermögen zur Aufhebung der ABCG2-vermittelten MDR gegenüber dem Zytostatikum SN-38 untersucht. Zur Ableitung von Struktur-Wirkungsbeziehungen wurden computerchemische Methoden wie die 3D-QSAR oder Free-Wilson-Analyse angewandt. <br /> Von den untersuchten Verbindungen stellten die Pyrimidine als Substanzklasse potente Inhibitoren von ABCG2 dar. Die aktivsten Vertreter zeigten mit IC₅₀-Werten unter 100 nmol/l eine größere Hemmwirkung als der Referenz-Standard Ko143, einer der stärksten ABCG2-Inhibitoren, der bislang in der Literatur beschrieben wurde. Das Inhibitionsvermögen der Pyrimidine wird vor allem durch elektronenziehende Substituenten erhöht. Der Einfluss der Substituenten war am Phenylring in Position 4 ausgeprägter als am Phenylring in Position 2 und stellte somit eine essenzielle Struktur-Wirkungsbeziehung für die Aktivität der Pyrimidine dar. Es zeigte sich eine hohe Selektivität der Pyrimidine für ABCG2, verglichen mit den anderen MDR-relevanten ABC-Transportern ABCB1 und ABCC1. Die aktivsten Verbindungen zeigten ebenfalls eine geringe Zytotoxizität, was sich in hohen therapeutischen Quotienten der Modulatoren widerspiegelte. <br /> Für die fünf aktivsten Pyrimidinderivate wurde ihr Vermögen zur Aufhebung der ABCG2-vermittelten Multidrug-Resistenz untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass bei Zugabe einer Modulator-Konzentration von 1 µmol/l eine nahezu vollständige Aufhebung der MDR <em>in vitro</em> erreicht werden konnte. <br /> Die im Rahmen der Arbeit entstandenen Daten können zur weiteren Synthese und Optimierung potenter Inhibitoren von ABCG2 beitragen. Vor allem die Pyrimidine stellen eine interessante Substanzklasse dar. Mit dem hohen inhibitorischem Vermögen und Selektivität der Verbindungen gegenüber ABCG2, sowie ihrer geringen Zytotoxizität stellen die aktivsten Vertreter potenzielle Kandidaten für die Überwindung der ABCG2-vermittelten MDR <em>in vivo</em> dar.

<strong>Synthesis, Investigation and 3D-QSAR Analysis of ABCG2 Inhibitors</strong> <br /> Cancer is one of the main causes of death worldwide. Despite the significant development of methods of cancer healing during the past decades, chemotherapy still remains the main method for cancer treatment. Occurrence of intrinsic or acquired resistance of cancer cells to various cytostatic drugs is one of the major obstacles in chemotherapy. This phenomenon is known as multidrug resistance (MDR). One of the mechanisms by which human cancers develop multidrug resistance is overexpression of certain ATP-binding cassette (ABC) transporters such as ABCB1, ABCC1 and ABCG2. <br /> Aim of this study was to develop potent inhibitors of the ABC transporter ABCG2 based on different chemical scaffolds. The strategy was to overcome ABCG2-mediated multidrug resistance by inhibiting the transport protein. Botryllamides, mono-carbonyl analogues of curcumin (MACs) and substituted pyrimidines, derived from natural and medicinal substances, were synthesized and investigated. Several biological studies were carried using the compounds to determine their inhibitory potential for ABCG2, selectivity, toxicity and efficacy to reverse the ABCG2-mediated MDR to the cytostatic agent SN-38. Computational methods such as 3D-QSAR or Free-Wilson analysis were used to derive structure-activity relationships. <br /> Of the examined substances, pyrimidines were potent inhibitors of ABCG2. Most active compounds inhibited with IC₅₀ values below 100 nmol/l, revealing a higher inhibitory effect in comparison to Ko143, which is considered as one of the most potent inhibitors of ABCG2 in literature. The inhibitory potency of pyrimidines is mainly increased by electron-withdrawing substituents on the phenyl ring in position 4 thus represented an essential feature for structure-activity relationship. Pyrimidines showed a high selectivity for ABCG2 compared to other MDR-relevant ABC transporters such as ABCB1 and ABCC1. Most active compounds showed low cytotoxicity, which yielded in high therapeutic ratios of the modulators. <br /> The MDR reversing property was examined for the five most active pyrimidine derivatives. Full reversal of the resistance of the ABCG2 overexpressing cell lines towards SN-38 was observed at concentrations around 1 µmol/l. <br /> The collected data in this work can contribute to synthesis and further optimization of potent ABCG2 inhibitors. Among all investigates substance classes, pyrimidine compounds were the most active compounds, showing high inhibitory potency and selectivity for ABCG2. Their low cytotoxicity and ability to reverse ABCG2-mediated MDR is a promising starting point for transfer of the <em>in vitro</em> experiments to <em>in vivo</em> studies.