Semi-synthesis, synthesis and preclinical evaluation of sigma receptors ligands for the treatment of neuropathic pain [Semi-sintesi, sintesi e valutazione preclinica dei ligandi dei recettori sigma per il trattamento del dolore neuropatico]

Neuropathic pain (NP) is a chronic condition affecting 7–10% of the general population with chronic pain, caused by nerve damage or malfunction in the peripheral or central nervous system. Its complex physiology makes current treatments ineffective and often laden with side effects, leaving many patients without relief. In response to this challenge, the present PhD thesis investigates over sigma receptors (SRs) as therapeutic targets, with the primary goal of developing selective small molecules for each SRs subtype: sigma-1 (S1R) and sigma-2 (S2R). Various core structures were explored, including morphane, piperazine, N-methylpiperidin-4-amine, tetrahydropyrrolo[3,4-c]pyrazole and diazaspiro[4.4]nonane scaffolds, aiming to identify potent SR modulators. Novel morphane derivatives were synthesized – starting from the commercially available natural product (R)-Carvone – investigating modifications at various positions on this scaffold. Notably, the indolomorphane (compound 19) and quinolinomorphane (compound 22) exhibited nanomolar S1R affinity (Ki S1R = 58 nM, and 20 nM, respectively), reinforcing the value of exploring three-dimensional ligand structures rich in sp3-hybridized carbon atoms for drug discovery. The N-methyl piperidine scaffold combined with phenylacetate groups led to the discovery of potent and high selective S1R ligands AD353 (Ki S1R = 0.54 nM) and AD408 (Ki S1R = 9.9 nM), which demonstrated an in vitro safety profile and full and dose-dependent antiallodynic effects in vivo, acting as S1R antagonists with potential therapeutic applications for mechanical hyperalgesia and allodynia. Compounds having tetrahydropyrrolo[3,4-c]pyrazole were developed displaying negligible SRs affinity. Only AD417 significantly bound the S1R (Ki S1R = 75 nM) displaying also a reduced K+ human Ether-à-go-go-Related Gene (hERG) channel inhibition (IC50 = 5.8 μM). S2R-selective ligands featuring the diazaspiro[4.4]nonane moiety, such as AD263 (Ki S1R = 79.9 nM; Ki S2R = 4.1 nM), AD223 (Ki S1R = 62.7 nM; Ki S2R = 4.1 nM), and AD359 (Ki S1R = 1406 nM; Ki S2R = 11.7 nM) were identified. In these compounds the phenylacetate and phenylacetamide groups proved to induce a noteworthy enhancement in S2R affinity and selectivity. The safety profile of the most promising developed compounds was generally favorable over WS1 and HMC3 cell lines. In in vivo mouse model of NP AD223 and AD263 and AD359 exerted significant dose-dependent antiallodynic effects. These findings lay a strong foundation for further optimization of SRs ligands, especially in treating NP.

Il dolore neuropatico (NP) è una condizione cronica che colpisce il 7−10% della popolazione generale affetta da dolore cronico, un’alterazione dei segnali a livello del sistema nervoso periferico o centrale. La sua complessa fisiologia rende i trattamenti attuali inefficaci e spesso con di effetti collaterali, lasciando molti pazienti senza risoluzione dei sintomi. Pertanto, la presente tesi di dottorato ha volta la propria attenzione sui recettori sigma (SR) come nuovi bersagli terapeutici, con l'obiettivo primario di sviluppare piccole molecole selettive per ciascun sottotipo di SR: sigma-1 (S1R) e sigma-2 (S2R). Sono state esplorate varie strutture, tra cui quella morfanica, piperazinica, piperidinica, spirociclica e impalcature di tetraidropirrolo[3,4-c]pirazololica, con l'obiettivo di identificare potenti modulatori dei SR. Sono stati sintetizzati nuovi derivati del morfano, partendo dal prodotto naturale disponibile in commercio (R)-Carvone, studiando modifiche in varie posizioni. In particolare, l'indolomorfano 19 (Ki S1R = 58 nM) e il chinolinomorfano 22 (Ki S1R = 20 nM) hanno mostrato un'affinità nanomolare per il S1R, giustificando l'esplorazione di strutture di ligandi tridimensionali ricche di atomi di carbonio ibridati sp3. Lo scaffold N-metil piperidinico combinato con gruppi fenilacetato ha portato alla scoperta di potenti ligandi S1R altamente selettivi quali AD353 (Ki S1R = 0.54 nM) e AD408 (Ki S1R = 9.9 nM), che hanno dimostrato un profilo di sicurezza in vitro ed effetti antiallodinici completi e dose-dipendenti in vivo, agendo come antagonisti S1R con potenziali applicazioni terapeutiche per iperalgesia meccanica e allodinia. Sono stati sviluppati composti aventi come nucleo centrale il tetraidropirrolo[3,4-c]pirazolo i quali hanno mostrano possedere un'affinità trascurabile per i target. Solo AD417 ha migliorato significativamente il legame al S1R (Ki S1R = 75 nM), mostrando anche una ridotta inibizione del canale hERG K+ (IC50 = 5.8 μM). Inoltre, ligandi che presentano il diazaspiro[4.4]nonano come nucleo ed i gruppi fenilacetato e fenilacetammidico, quali AD263 (Ki S1R = 79.9 nM; Ki S2R = 4.1 nM), AD223 (Ki S1R = 62.7 nM; Ki S2R = 4.1 nM) e AD359 (Ki S1R = 1406 nM; Ki S2R = 11.7 nM), hanno dimostrato un notevole miglioramento nell'affinità e nella selettività verso il S2R. Il profilo di sicurezza dei composti sviluppati più promettenti è stato generalmente favorevole nelle linee cellulari WS1 e HMC3. Nel modello murino in vivo di NP, AD223 e AD263 e AD359 hanno esercitato significativi effetti antiallodinici dose-dipendenti. Nel complesso, lo studio fornisce preziose informazioni sulla progettazione di ligandi targetizzanti i SR, gettando solide basi per un'ulteriore ottimizzazione, in particolare nel trattamento di NP.