Synthesis and evaluation of photoswitchable monoamine transporter inhibitors

Abstract

Die Monoamintransporter SERT (Serotonintransporter), DAT (Dopamintransporter) und NET (Norepinephrintransporter) sind essentielle regulatorische Elemente der Signalübertragung in Synapsen. Diese Transmembranproteine nehmen ausgeschüttete Neurotransmitter (Serotonin, Dopamin und Norepinephrin) aus dem synaptischen Spalt wieder auf und beenden dadurch die Signalübertragung. Dadurch haben Monoamintransporter großen Einfluss auf neuronale Zustände wie Stimmung, Schlaf, Aggressionsverhalten und Hunger. Eine Fehlfunktion kann zu schwerwiegenden Krankheiten wie Depression, Angststörungen, ADHS und Parkinson führen. Über die letzten Jahrzehnte wurden zahlreiche pharmakologisch aktive Substanzen entwickelt, die die Wiederaufnahme von Neurotransmitter durch Monoamintransporter inhibieren. Viele Wiederaufnahmehemmer sind vor allem als Antidepressiva klinisch im Einsatz. Schwerwiegende Nebenwirkungen stellen jedoch eine große Herausforderung dar und ein tieferes Verständnis über die Funktionsweise von Monoamintransportern hätte weitreichende Folgen für die Entwicklung von neuen Medikament aber auch für die Weiterentwicklung des Wissens über die Funktionsweise unseres Nervensystems. Die präzise und reversible Wirkungsweise von Licht-schaltbaren biologisch aktiven Verbindungen stellt enorme Möglichkeiten für deren Entwicklung und Einsatz in Forschungsfragen dar. Das Forschungsfeld der Photopharmakologie hat in den letzten Jahren großes Interesse geweckt und riesige Fortschritte erzielt. In dieser Arbeit haben wir es uns zum Ziel gesetzt, Licht-schaltbare Inhibitoren für den Serotonintransporter zu entwickeln um Untersuchungen dieses wichtigen Proteins unter Verwendung von Licht als vielseitig kontrollierbarer Stimulus zu ermöglichen. Basierend auf den viel-untersuchten SERT Inhibitoren Escitalopram und Paroxetin haben wir Azobenzol und Hemithioindigo Derivate konzipiert und synthetisiert. Die photophysikalischen Parameter dieser Verbindungen wurden genau untersucht. Für die lichtabhängigen Messungen der bioaktiven Verbindungen haben wir (UV) LED well plates konstruiert um robuste und verlässliche Messungen unter Lichteinfluss zu gewährleisten. Aus allen untersuchten Verbindungen ging das Paroxetin basierte Azobenzol Derivat DD-482 als vielversprechende Verbindung hervor. In Zell-basierten Untersuchungen zeigte der Licht-geschaltene Inhibitor eine 11-fach höhere inhibitorische Aktivität als die thermodynamisch stabile Ausgangsverbindung wenn mit 365 nm Licht bestrahlt wurde. In elektrophysiologischen Untersuchungen war die Licht-geschaltene Verbindung in der Lage, den durch Serotonin ausgelösten Strom zu hemmen während das andere Photo-Isomer inaktiv blieb. Wir konnten den Aktivitätsunterschied der beiden Isomere mit Hilfe von computergestützten Untersuchungen an der hSERT Kristallstruktur erklären. Wenn das Azobenzol Fragment mit UV Licht isomerisiert wird, so führt das zu einer Verringerung der Sterik in einem Bereich des Moleküls, der andernfalls die Bindungen an den Transporter erschwert. Dadurch kann die Licht-geschaltene Verbindung ähnlich der Basis-Verbindung Paroxetin binden.

The monoamine transporters SERT (serotonin transporter), DAT (dopamine transporter) and NET (norepinephrine transporter) are essential regulatory features in neurotransmission. These transmembrane proteins are responsible for the reuptake of released neurotransmitters (serotonin, dopamine and norepinephrine) from the synaptic cleft and thereby terminate synaptic signaling. In consequence, transporters influence important neurological processes like mood, sleep, aggression behavior and hunger. A malfunction is linked to many serious diseases like depression, anxiety, ADHD and Parkinsons disease. Over the last decades a rich collection of pharmacologically active compounds was developed to inhibit reuptake. Many reuptake inhibitors are in clinical use best known as antidepressants. Severe side effects remain a great challenge and further insights into the functionality of transporter proteins would have tremendous implications for drug discovery and a deeper understanding of brain related processes. The precise and reversible mode of action of photoswitchable bioactives poses a great opportunity for novel tool compounds. The research field of photopharmacology has attracted enormous interest and tremendous progress was made in the past years. In this work we sought to develop photoswitchable SERT inhibitors as novel photoswitchable tool compounds to study this important transporter with light as an accurate inhibitory stimulus. Based on well-studied SERT inhibitors escitalopram and paroxetine we rationally designed and synthesized azobenzene and hemithioindigo analogs. The compounds photophysical parameters were thoroughly investigated. For the light-dependent biological evaluation, we developed (UV) LED well plates which allowed robust and reliable photocontrolled measurements in in-vitro assays. From all the assessed derivatives paroxetine based azobenzene analog DD-482 emerged as a promising lead compound. In a cell-based uptake inhibition assay the photoswitched inhibitor displayed an 11-fold higher activity compared to its thermodynamically stable configuration when 365 nm light was used for irradiation. In electrophysiological experiments, the photo-activated form was able to block the serotonin-induced current while the natural form remained ineffective. We were able to rationalize the activity difference of the two photo-isomers by computational studies on the hSERT crystal structure. When the azobenzene moiety is isomerized with UV light, the sterical bulk in an important area of the compound decreases which otherwise hinders binding and the (Z)-isomer can bind to the transporter in a similar fashion as the parent compound paroxetine.