Synthesis and biological profiling of bioactive molecules for the investigation of monoamine transporters

Abstract

The monoamine transporters (DAT – dopamine transporter, NET – norepinephrine transporter and SERT – serotonin transporter) constitute the most important mechanisms for termination of neurotransmission. The key biological role of monoamine transporters (MATs) is to maintain the homeostasis of endogenous monoamine neurotransmitters dopamine, serotonin and norepinephrine by selectively mediating their uptake from the extracellular synaptic and extrasynaptic space into the presynaptic neuron. This thesis is divided into 3 main parts, all having investigation of Mas as their main objective: (i) synthesis and biological evaluation of widely abused cathinone – mephedrone and its metabolites; (ii) synthesis and biological evaluation of para-substituted methcathinones for investigation of DAT/SERT selectivity; (iii) design and synthetical studies towards a photoswitchable derivative of antidepressant reboxetine. (i) Monoamine transporters are main targets of many psychostimulants. Synthetic cathinones belong to the most popular new psychoactive substances (NPS). We focused on mephedrone, one of the most widely abused cathinone. In this work we synthesized a majority of phase I metabolites in enantiomerically pure form and evaluated their pharmacological profile in vitro. Most of the metabolites were fully efficacious inhibitors on all three MATs, hence they might contribute to the overall psychostimulant effect of mephedrone. We revealed that mephedrone’s metabolism proceeds in stereoselective manner and that the most abundant metabolite, nor-mephedrone, is predominantly excreted in its S-form. (ii) Synthetic cathinones are recognized for their addictive as well as their therapeutic potential. para-CF3-Methcathinone shows an unusual SERT over DAT selectivity compared to other para substituted derivatives of methcathinone. To account for this finding, we synthesized several other para substituted methcathinones with diverse steric and electronic properties of the para substituent and systematically tested them. It was revealed that para-CF3-methcathinone acts as allosteric modulator of SERT. The selectivity towards SERT might be an indication of lower abuse and higher therapeutic potential. To investigate this hypothesis, we performed preliminary in vivo behavioral studies which showed that (S)-para-CF3-methcathinone does indeed decrease anxiety in mice and does not show psychostimulatory properties at the effective dose. (iii) MATs have been the main pharmacological targets for treatment of depression since 1950s. With rapid growth in the field of photopharmacology in mind, we decided to synthesize a photoswitchable azobenzene derivative of reboxetine; a selective norepinephrine reuptake inhibitor used in treatment of major depression. Since there is no crystal structure of hNET we used a homology model and performed molecular docking to identify the best position in the reboxetine molecule to install the azobenzene photoswitch. We established a modified asymmetric de novo synthetic route towards this photoswitchable ligand, obtaining a crucial building block for final introduction of the azobenzene moiety.

Die Monoamintransporter (DAT – Dopamintransporter, NET – Norepinephrintransporter und SERT – Serotonintransporter) ermöglichen die Entfernung von freigesetzten Neurotransmittern aus dem synaptischen Spalt, womit die Signalübertragung beendet und die Homöostase von diesen Neurotransmittern im zentralen Nervensystem erhalten wird. Diese Arbeit besteht aus drei Hauptteilen, wobei alle die Untersuchung der Monoamintransporter in Fokus haben: (i) Synthese und Untersuchung der biologischen Aktivität eines der meist missbrauchten Cathinone – Mephedron und dessen Metaboliten; (ii) Synthese und biologische Erforschung von para-substituierten Methcathinonen zur Untersuchung von DAT/SERT Selektivität; (iii) Design und synthetische Studien von einem Licht-schaltbaren Azobenzol-Derivat des Antidepressivums Reboxetine. (i) Die Monoamintransporter stellen oft Hauptziele verschiedener Psychostimulantien dar. Synthetische Cathinone gehören zu den populärsten neuen psychoaktiven Substanzen (NPS). Im Zentrum unserer Untersuchungen stand der populärste Cathinon auf dem illegalen Markt – Mephedron. Trotz der kurzen Plasmahalbwertzeit werden langhaltende Effekte in Menschen berichtet. Dieses Phänomen könnte auf Anwesenheit aktiver Metaboliten hinweisen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde die Mehrheit der Phase I Mephedronmetaboliten in ihrer enantiomerenreinen Form synthetisiert und deren pharmakologisches Profil in vitro untersucht. Die meisten Metaboliten zeigten sich als völlig wirksame Inhibitoren auf allen drei Monoamintransportern, was darauf hindeutet, dass sie zum psychostimulatorischen Gesamteffekt vom Mephedron beitragen können. Wir haben weiterhin bewiesen, dass der Metabolismum vom Mephedron stereoselektiv verläuft und der häufigste Metabolit, Normephedron, wird überwiegend in dessen S-Form ausgeschieden. (ii) Cathinone erwecken Aufmerksamkeit in der wissenschaftlichen Kommunität, weil sie nicht nur über suchterzeugende, sondern auch über therapeutische Eigenschaften verfügen. Im Vergleich zu anderen para substituierten Methcathinonderivaten zeigt para-CF3-Methcathinon eine ungewöhnliche SERT über DAT Selektivität. Um diese Feststellung näher zu untersuchen, wurden mehrere para substituierte Methcathinone mit unterschiedlichen sterischen und elektronischen Eigenschaften des para-Substituenten synthetisiert und systematisch getestet. Es stellte sich heraus, dass para-CF3-Methcathinon als allosterischer Modulator auf SERT wirkt. Die SERT-Selektivität könnte auf niedrigeres Missbrauchspotenzial und höheres therapeutisches Potenzial hinweisen. Um diese Hypothese genauer zu überprüfen, wurden vorläufige in vivo Studien durchgeführt. (S)-para-CF3-Methcathinon tatsächlich erniedrigt Stress in Mäusen, wobei es keine psychostimulatorischen Effekte unter der aktiven Dosis zeigt. (iii) Schon seit 1950 sind die Monoamintransporter die wichtigsten pharmakologischen Ziele zur Behandlung der Depression. Die kürzlich erfolgten Fortschritte der Photopharmakologie im Hinterkopf behaltend, wollten wir ein Licht-schaltbares, Azobenzol-Derivat vom Reboxetine synthetisieren. Es wurde Molekulardocking am Homologiemodell durchgeführt und die beste Position am Reboxetinmolekül für Modifizierung identifiziert. Eine modifizierte de novo synthetische Route wurde festgelegt und ein essentieller Synthesebaustein für die finale Transformation wurde erhalten.