Riassunto analitico
La malattia di Alzheimer (AD) è una patologia neurodegenerativa progressiva che rappresenta la principale causa di demenza senile ed è una delle cause più comuni di disabilità e perdita di indipendenza negli anziani. Tutti i farmaci attualmente utilizzati nella terapia AD sono datati, agiscono esclusivamente sui sintomi e non sulle cause della patologia e sono dotati di numerosi effetti collaterali. Da qui nasce un bisogno urgente di identificare nuovi farmaci per una terapia in grado di rallentare o addirittura arrestare il decorso della malattia.
I recettori sigma sono oggi universalmente riconosciuti come una classe a sé stante di recettori di membrana divisi in due sottotipi, sigma-1 e sigma-2. I recettori sigma regolano una serie di funzioni fisiologiche e sono coinvolti in numerose patologie. Tali recettori sono espressi nelle aree del sistema nervoso centrale associate a memoria, emozione e movimento. Diversi studi hanno dimostrato che deficit nei livelli o nell’attività dei recettori sigma-1 sono associati a neurodegenerazione, mentre l'attivazione degli stessi da parte di agonisti è associata a neuroprotezione. Pertanto, il recettore sigma-1 rappresenta un target innovativo per lo sviluppo di nuove applicazioni terapeutiche nel campo delle malattie neurodegenerative.
Nell'ultimo decennio, il gruppo di ricerca nel quale ho svolto il mio lavoro di tesi sperimentale ha progettato e sintetizzato una libreria di oltre 120 ligandi, combinando diversi anelli eterociclici a cinque membri con appropriate ammine farmacoforiche (come benzilpiperidina e benzilpiperazina). Tra questi, il composto BS161 si è dimostrato il più interessante per l’elevata affinità, l'attività agonista e la selettività verso il sottotipo sigma-1 (pKi = 8.9, SI = 72).
Risultati preliminari sulle linee cellulari di neuroblastoma SH-SY5Y hanno evidenziato la capacità di questo ligando di proteggere le cellule neuronali da quattro diversi insulti citotossici.
In questo contesto, l'obiettivo del mio lavoro di tesi sperimentale è stato quello di progettare e sintetizzare nuovi analoghi strutturali del BS161. Sulla base del classico modello farmacoforico per la progettazione di ligandi del recettore sigma-1, sono stati individuati tre siti principali: al centro un'ammina ionizzabile affiancata da un sito primario (gruppo "A") e secondario (gruppo "B") di carattere idrofobico. Modelli più recenti hanno evidenziato l’importanza di un linker alifatico recante un sostituente polare, come S o O, tra l'ammina e il sito idrofobo secondario. A tal fine 16 nuovi derivati sono stati sintetizzati sostituendo la porzione 1-ossa-4-tiaspiro[4.5]-decanica del BS161 con bioisosteri alifatici. In particolare, tutte le possibili combinazioni derivanti dalla linearizzazione dell'anello 1-ossa-4-tiaspiro[4.5]-decanico sono state considerate. Il linker eterociclico del BS161 è stato quindi convertito in una catena alifatica etilica o propilica e collegato alla porzione idrofobica secondaria mediante un ponte etereo o tioetereo. Inoltre, si è voluto studiare il contributo del sito idrofobico secondario, sostituendo l'anello cicloesilico del BS161 con un anello fenilico. Per quanto riguarda il centro basico ionizzabile, sono stati sintetizzati sia i derivati benzilpiperazinici che quelli benzilpiperidinici al fine di valutare l'effetto della posizione dell'azoto basico su affinità e selettività.
Tutti i composti sintetizzati verranno saggiati per valutare l’affinità di legame nei confronti dei due sottotipi sigma-1 e sigma-2 e il loro profilo di selettività. Per i composti più affini verrà poi determinata l'attività intrinseca (sigma agonista/antagonista) e i migliori candidati verranno selezionati per la caratterizzazione in vitro/in vivo.
Il mio progetto di tesi sperimentale è stato finanziato dal fondo di ricerca di ateneo FAR JUNIOR 2018, progetto "SMILE".
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Abstract
Alzheimer’s Disease (AD) is a progressive neurodegenerative disorder and represents the leading cause of senile dementia and one of the most common causes of disability and loss of independence in elderly people. All drugs currently used in AD therapy are twenty-years old, have poor efficacy in preventing the progress of the disease, acting exclusively on the symptoms, and present adverse side effects and limitations. Thus, there is an urgent need to identify new drugs for a disease-modifying therapy.
Sigma receptors are nowadays recognized as an unique class of membrane receptors divided into two subtypes, sigma-1 and sigma-2. Sigma receptors regulate a number of physiological functions and their role has been evaluated in many disorders. Sigma receptors are highly expressed in areas of the central nervous system associated with memory, emotion and movement. Accumulating evidence indicates that deficits in sigma-1 receptor level or activity are associated with neurodegeneration, while sigma-1 receptor activation by agonists are associated with neuroprotection.
Therefore, sigma-1 receptor represents an innovative target for the development of novel therapeutic applications in neurodegenerative diseases.
In the past decade, the research group where I performed my master’s degree work designed and synthesized a library of over 120 brand-new sigma receptors ligands by combining different substituted five-membered heterocyclic rings with appropriate pharmacophoric amines (i.e. benzylpiperidine and benzylpiperazine). Among them, BS161 was outstanding for its nanomolar affinity, agonist activity and selectivity at sigma-1 receptor (pKi = 8.9, SI = 72). Preliminary results in SH-SY5Y neuroblastoma cells showed the ability of BS161 to protect neuronal cells from four different cytotoxic insults.
In this context, the aim of my work, as a part of the FAR JUNIOR 2018 ‘SMILE’ project, was to design and synthetize new analogues of BS161. On the basis of the classic pharmacophore model for the design of sigma-1 receptor ligands three major sites were considered: a central ionizable amine flanked by a primary (group “A”) and a secondary (group “B”) hydrophobic sites. More recently, the requirement of an aliphatic linker with a polar substituent, such as S or O, between the amine and the secondary hydrophobic site, was described as an important feature for binding. Accordingly, 16 new derivatives were synthesized by replacing the 1-oxa-4-thiaspiro[4.5]decan portion of BS161 with bioisosteric aliphatic linkers. All the possible combinations deriving from the linearization of the oxathiolane ring were considered. The heterocyclic linker of BS161 was therefore converted in an ethylic or propylic aliphatic chain and connected to the secondary hydrophobic moiety by means of an ether or a sulphide linker. Moreover, the importance of a saturated or aromatic carbocycle, as secondary hydrophobic site, was investigated by replacing the cyclohexyl ring of the lead compound with the phenyl ring. As far as concern the ionizable amine, both benzylpiperazine and benzylpiperidine derivatives were prepared in order to evaluate the effect of the position of the basic nitrogen on affinity and selectivity.
All the synthesized compounds will be assayed for binding affinities and subtype selectivity at sigma-1 receptor and sima-2 receptor. For the more active compounds the intrinsic activity (agonist/antagonist) will be determined and the best candidates will be selected for in vitro/in vivo characterization.
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