Sintesi e valutazione preclinica di ligandi per i recettori sigma utili per il trattamento dei tumori e per la gestione del dolore

The objectives of the present PhD thesis have been pursued with the defined interest in identifying new small molecules for therapeutic purposes. The work was conducted at the Department of Drug and Health Sciences (University of Catania), and at the Department of Chemistry and Applied Biosciences (ETH Zürich). The main approach was the establishment of new series of ligands able to bind sigma receptors (σRs), a class of receptor proteins accepted as valuable target for the management of different pathological states including neurological disorders, pain, and cancer. The first two series of compounds have been developed by combining selective σR ligands endowed with specific functional profile, together with chemical donors able to release therapeutic concentrations of hydrogen sulfide (H2S) or nitric oxide (NO), two gaseous entities known for their pharmacological capabilities. The goal was to obtain a synergistic effect when compared to the relative single entities. The compounds have been synthetized and evaluated for affinity and selectivity with competitive radioligand binding assays. Further pharmacological characterization let to dig up the precise mechanism of action and efficacy in disease models. A third series of compounds was developed in order to identify novel pure σR ligands for their use thereof. This chemical matter has been developed according to structure-affinity relationships approach consisting in the following steps: (i) design of new candidate ligands; (ii) in vitro radioligand binding assays; (iii) iterative compounds design based on affinity and selectivity; (iv) synthesis of the new compounds for further pharmacological evaluation. For chemical entities that ground their therapeutic value on the effect in the central nervous system (CNS), such as in the case of tumors or central analgesia, an important issue is their ability to cross the blood-brain barrier (BBB). This diffusion barrier between the blood and the CNS represents a sophisticated protection system against pathogens and toxic compounds. In this context, a useful statistical tool supporting the identification of parameters for BBB crossing has been developed allowing defining a set of rules that would prospectively be used to tune the properties of in-house synthetized ligands. The last stage of this PhD thesis was addressed to find out high affinity small molecules targeting the human tyrosinases TYR and TYRP1, two closely-related enzymes selectively expressed in neoplastic skin lesions. The methodologies employed included the use of DNA-encoded chemical library technology, beside to improve already known binders reported in literature.

Gli obiettivi di questa tesi di dottorato sono stati perseguiti con lo scopo di identificare nuove molecole di sintesi con efficacia terapeutica. Il lavoro è stato condotto presso il Dipartimento di Scienze del Farmaco e della Salute (Università degli Studi di Catania) e presso il Dipartimento di Chimica e Bioscienze Applicate (ETH di Zurigo). L’interesse principale è stato rivolto allo sviluppo di ligandi in grado di legare i recettori sigma (σ), una classe di proteine recettoriali coinvolte in diverse patologie, comprese le malattie neurologiche, il dolore e il cancro. Le prime due serie di molecole sono state sviluppate combinando ligandi selettivi per i recettori σ, aventi specifico profilo funzionale, insieme ad entità chimiche in grado di rilasciare concentrazioni terapeutiche di acido solfidrico (H2S) o ossido nitrico (NO), due specie gassose note per la loro azione farmacologica. L’obiettivo è stato quello di ottenere un effetto sinergico quando comparato all’effetto delle rispettive singole entità. I composti sono stati sintetizzati e la loro affinità di legame valutata attraverso saggi di binding recettoriale. Un’ulteriore caratterizzazione farmacologica ha permesso di analizzare il preciso meccanismo di azione e la loro efficacia in modelli di malattia. Una terza serie di composti è stata sviluppata al fine di identificare ligandi selettivi per i recettori σ. Questo obiettivo è stato perseguito sulla base delle correlazioni struttura-affinità ed è consistito in diverse fasi: (i) progettazione dei nuovi ligandi; (ii) saggi di binding recettoriale in vitro; (iii) progettazione iterativa dei composti basata sui valori di affinità e di selettività; (iv) sintesi dei nuovi composti per ulteriori valutazioni farmacologiche. Per quanto riguarda quelle entità chimiche la cui efficacia terapeutica si fonda su un’azione a livello del sistema nervoso centrale (SNC), come per esempio nel caso di tumori o analgesia centrale, un parametro importante da considerare è la loro capacità di attraversare la barriera emato-encefalica (BEE). Questa barriera, posta tra il sangue e il SNC, rappresenta un sofisticato sistema di protezione nei confronti di agenti patogeni oltre che di composti tossici. In questo contesto, è stato sviluppato un utile strumento statistico a supporto dell’identificazione di quei parametri necessari per l’attraversamento della BEE, e che consente di definire un insieme di regole che potrebbero essere utilizzate nella messa a punto delle proprietà chimico-fisiche dei ligandi sintetizzati. L’ultima fase di questa tesi di dottorato è stata indirizzata alla scoperta di molecole con elevata affinità per le tirosinasi umane TYR e TYRP1, due enzimi strettamente correlati ed espressi selettivamente a livello delle lesioni cutanee neoplastiche. Le metodologie impiegate hanno previsto l’uso di librerie chimiche codificate dal DNA, oltre al miglioramento di ligandi noti riportati in letteratura.