Synthesis of inhibitors and substrates for the inhibition, visualization and targeting of proteases

Abstract

Tato disertační práce se zabývá syntézou inhibitorů a substrátů několika klinicky významných proteáz. Práce využívá racionální návrh cílových sloučenin vycházející z dostupných krystalových struktur v kombinaci se známými syntetickými postupy. Práce je rozdělena do tří částí, z nichž každá je zaměřena na jinou proteázu nebo třídu proteáz. První část popisuje novou třídu biomimetických makrocyklických inhibitorů lidského katepsinu D, inspirovanou krystalovou strukturou s přírodním inhibitorem pepstatinem A. Zvýšená exprese katepsinu D je spojována s rozvojem některých druhů nádorového bujení, proto jsou inhibitory této proteázy potenciálními terapeutickými nástroji. Bylo syntetizováno 27 inhibitorů, které odhalily několik trendů ve vztahu mezi strukturou a aktivitou napříč jednotlivými vazebnými místy. Optimalizací skeletu byly získány inhibitory s nanomolární aktivitou. Druhá část se zabývá syntézou modifikovaných inhibitorů proteáz z Porphyromonas gingivalis (gingipainů). Jde o patogenní bakterie způsobující paradentózu, u kterých je také studován vztah k vývoji Alzheimerovy nemoci. Tyto inhibitory gingipainů byly základem vývoje chemických nástrojů pro detekci a kvantifikaci gingipainů. Struktura těchto sloučenin vychází ze známých inhibitorů KYT-36 a KYT-1. Úspěšně se podařilo syntetizovat čtyři...

This dissertation thesis focuses on the synthesis of inhibitors and substrates of various clinically relevant proteases. It employs rational design guided by available crystal structures, along with known synthetic methodologies. The thesis is organized into three sections, each targeting a different protease or class of proteases. In the first section, a novel class of biomimetic macrocyclic inhibitors of human cathepsin D is reported, inspired by the crystal structure with a natural inhibitor, pepstatin A. Increased expression of cathepsin D is associated with the development of several cancer types, and inhibitors of this protease are thus regarded as potential anti- cancer therapeutics. A total of 27 inhibitors were synthesized, and several trends in structure-activity relationships across individual binding subsites were revealed. Scaffold optimization yielded highly potent inhibitors with low-nanomolar activity. The second section addresses the synthesis of modified inhibitors of proteases from Porphyromonas gingivalis (gingipains). These are pathogenic bacteria causing periodontitis that are also implicated in the development of Alzheimer's disease. The inhibitors served as a basis for the development of novel chemical biology tools for the detection and quantification of gingipains. The...