Assessment of In-House Natural Product and Synthetic Compound Libraries Based on In vitro Inhibition of Cholinesterases

The first line medication for mild to moderate Alzheimer s disease (AD) is based on cholinesterase inhibitors which prolong the effect of the neurotransmitter acetylcholine in cholinergic nerve synapses which relieves the symptoms of the disease. Implications of cholinesterases involvement in disease modifying processes has increased interest in this research area. The drug discovery and development process is a long and expensive process that takes on average 13.5 years and costs approximately 0.9 billion US dollars. Drug attritions in the clinical phases are common due to several reasons, e.g., poor bioavailability of compounds leading to low efficacy or toxic effects. Thus, improvements in the early drug discovery process are needed to create highly potent non-toxic compounds with predicted drug-like properties. Nature has been a good source for the discovery of new medicines accounting for around half of the new drugs approved to market during the last three decades. These compounds are direct isolates from the nature, their synthetic derivatives or natural mimics. Synthetic chemistry is an alternative way to produce compounds for drug discovery purposes. Both sources have pros and cons. The screening of new bioactive compounds in vitro is based on assaying compound libraries against targets. Assay set-up has to be adapted and validated for each screen to produce high quality data. Depending on the size of the library, miniaturization and automation are often requirements to reduce solvent and compound amounts and fasten the process. In this contribution, natural extract, natural pure compound and synthetic compound libraries were assessed as sources for new bioactive compounds. The libraries were screened primarily for acetylcholinesterase inhibitory effect and secondarily for butyrylcholinesterase inhibitory effect. To be able to screen the libraries, two assays were evaluated as screening tools and adapted to be compatible with special features of each library. The assays were validated to create high quality data. Cholinesterase inhibitors with various potencies and selectivity were found in natural product and synthetic compound libraries which indicates that the two sources complement each other. It is acknowledged that natural compounds differ structurally from compounds in synthetic compound libraries which further support the view of complementation especially if a high diversity of structures is the criterion for selection of compounds in a library.

Koliiniesteraasien estäjiä käytetään lievän tai keskivaikean Alzheimerin taudin ensisijaisena lääkehoitona. Koliiniesteraasien estäjät pidentävät asetyylikoliini-hermovälittäjäaineen vaikutusta hermosynapseissa, mikä johtaa Alzheimerin taudin oireiden lievenemiseen. Viitteet koliiniesteraasien estäjien mahdollisista vaikutuksista myös taudin etenemiseen ovat lisänneet kiinnostusta tätä tutkimusalaa kohtaan. Lääkkeen keksimis- ja kehittämisprosessi on aikaa vievää ja kallista. Keskimäärin aikaa kuluu 13,5 vuotta ja koko prosessi maksaa noin 0,9 miljardia Yhdysvaltain dollaria. Lääkekandidaatin hylkääminen kesken kliinisten kokeiden on yleistä. Syitä hylkäämiseen on useita esim. huono biologinen hyötyosuus, mikä voi johtaa muun muassa heikkoon tehoon. Lääkkeenkeksimisprosessin alkuvaiheiden kehittäminen parantaa mahdollisuuksia löytää tehokkaita ja turvallisia lääkkeenkaltaisia yhdisteitä. Lääkkeenkaltaisten yhdisteiden etuna on se, että niiden käyttäytyminen on ennustettavissa siirryttäessä lääkkeenkeksimisvaiheesta eteenpäin lääkekehitykseen. Luonto on ollut hyvä lähde uusien lääkeaineiden etsimisessä. Noin puolet viimeisten kolmen vuosikymmenen aikana markkinoille hyväksytyistä lääkeaineista on peräisin luonnosta. Nämä yhdisteet on joko eristetty suoraan luonnosta, ne ovat luonnonaineiden synteettisiä johdoksia tai rakenne on muuten matkittu luonnosta peräisin olevista yhdisteistä. Toinen tapa tuottaa uusia molekyylejä lääkkeenkeksimisprosessia varten on synteettisen kemian hyödyntäminen. Näissä molemmissa lähestymistavoissa on omat hyvät ja huonot puolensa. Uusien lääkeainekandidaattien seulominen in vitro perustuu siihen, että kohde, joka tässä työssä oli proteiini, altistetaan kirjastoissa oleville näytteille ja mitataan muuttuuko kohteen toiminta. Koejärjestely täytyy validoida seulontaa varten, jotta seulonnan tulokset ovat laadukkaita ja luotettavia. Kun seulotaan tuhansia näytteitä, on kokeen miniatyrisoiminen ja automatisoiminen välttämätöntä liuosten ja tutkittavien yhdisteiden kulutuksen vähentämiseksi sekä prosessin nopeuttamiseksi. Tässä työssä tutkittiin näytekirjastoja, jotka sisälsivät luonnosta peräisin olevia uutteita ja puhdasaineita tai synteettisiä yhdisteitä. Näytekirjastoista seulottiin yhdisteitä, jotka estävät ensisijaisesti asetyylikoliiniesteraasia ja toissijaisesti butyryylikoliiniesteraasia. Työssä arvioitiin myös kahden kokeen toimivuutta ja käyttökelpoisuutta seulonnassa. Lisäksi kokeet muokattiin sopimaan monentyyppisten näytekirjastojen seulontaan, koska uutekirjastojen ja puhdasainekirjastojen ominaisuudet asettavat erilaisia haasteita koejärjestelyille. Kokeiden validoinnilla varmistettiin, että seulonnassa saatavista tuloksista tulee luotettavia. Työssä löydettiin useita koliiniesteraasien estäjiä, joiden estovaikutukset erosivat toisistaan selektiivisyyden ja tehon osalta. Uusia koliiniesteraasien estäjiä löytyi sekä luonnonkirjastoista että synteettisestä kirjastosta, mikä osoittaa näiden lähteiden täydentävän toisiaan lääkkeenkeksimisprosessissa. On yleisesti tiedossa, että luonnosta peräisin olevat yhdisteet eroavat rakenteellisesti synteettisten näytekirjastojen yhdisteistä. Molempia lähteitä kannattaa hyödyntää lääkkeenkeksimisprosessissa, erityisesti rakenteellisen monimuotoisuuden ollessa seulontaan valittavien yhdisteiden kriteeri.