Nucleotides as Antiviral Compounds. On the Feasibility of an Esterase-dependent Prodrug Strategy for 2-5A

Nukleotidien ja oligonukleotidien analogeilla on merkittävä rooli virusten aiheuttamien tautien hoidossa. Tämän kaltaiset yhdisteet voivat estää spesifisesti virusten proteiineja tai aktivoida luontaista immuunijärjestelmää, jossa 2-5A:ksi kutsutut lyhyet 2´,5´-sitoutuneet oligomeerit ovat keskeisiä tekijöitä. Nukleotideihin ja oligonukleotideihin pohjautuvien lääkkeiden tehokkuus riippuu pääasiassa aihiolääkestrategiasta, jolla niiden sisäänottoa soluun tehostetaan. Tavanomaisessa aihiolääkestrategiassa negatiivisesti varautuneet fosfaattiryhmät suojataan rasvaliukoisilla biohajoavilla suojaryhmillä, jotta molekyyli läpäisee solukalvon helpommin. Solun sisällä aihiolääke muuttuu aktiiviseksi lääkeaineeksi, kun suojaryhmät irtoavat solun entsyymien, kuten esteraasien vaikutuksesta. Väitöskirjassa arvioitiin esteraasin katalysoiman aihiolääkestrategian soveltuvuutta 2-5A-trimeerille syntetisoimalla kaksi erilaista 2-5A-aihiolääkekandidaattia ja tutkimalla 2-5A:n purkautumista karboksiesteraasi-entsyymin vaikutuksesta. Suojaryhmäsuunnitelma perustui esteraasilabiileihin 2,2-disubstituoituihin asyylioksipropyyliryhmiin ja asyylioksimetyyliryhmiin, joilla suojattiin trimeerien fosfaatti- ja 3´-hydroksyyliryhmät. Tulokset osoittivat, että esteraasilabiilien suojaryhmien irtoaminen 2-5A:sta hidastui merkittävästi, kun yhdisteeseen kertyi negatiivista varausta. Lisäksi suojaryhmien hajotessa muodostui elektrofiilisiä alkyloivia aineita, jotka ovat mahdollisesti toksisia. Näistä syistä johtuen kehitettiin kuusi uudenlaista 2,2,-disubstituoitua 4-asyylitio- 3-oksobutyyliryhmää fosfodiestereiden suojaamiseksi. Suojaryhmät irtoavat sekä esteraasin katalysoimana, että lämpötilan vaikutuksesta. Tämä on hyödyllinen ominaisuus silloin, kun entsyymin affiniteetti negatiivisesti varattuun substraattiin heikkenee. Suojaryhmien hydrolyyttinen ja entsymaattinen stabiilisuus on helposti säädeltävissä, jotta suojauksen purkautumisen nopeus voidaan optimoida. Vapautuneet suojaryhmät eivät ole merkittävästi alkyloivia, sillä niiden ei havaittu alkyloivan glutationia.

De medico agente et exspectante

Painovuosi nimekkeestä.

Prodrug strategies of antiviral nucleotides: Studies on enzymatically and thermally removable phosphate protecting groups

Antiviral nucleosides are compounds that are used against viruses, such as human immunodeficiency virus (HIV) and hepatitis C virus (HCV). To act as therapeutic agent, the antiviral nucleoside needs to be phosphorylated to nucleotide in the body in three consecutive phosphorylation steps by cellular or viral enzymes. The first phosphorylation to the nucleoside monophosphate is often inefficient and leads to poor antiviral activity. The antiviral efficacy can be improved by applying a prodrug strategy and delivering the antiviral nucleoside directly as its monophosphate. In prodrug strategies of antiviral nucleotides, the negative charges on the phosphate moiety are temporarily masked with protecting groups. Once inside the cell, the protecting groups are removed by enzymatic or chemical processes. Many prodrug strategies apply biodegradable protecting groups, the removal of which is triggered by esterase enzymes. Several studies have, however, demonstrated that the removal rate of the second and subsequent esterase labile protecting groups significantly slows down after the first protecting group is removed due to the negative charge on the phosphodiester intermediate, which disturbs the catalytic site of the enzyme. In this thesis, esterase labile protecting group strategies where the issue of retardation could be avoided were studied. Prodrug candidates of antiviral nucleotides were synthesized and kinetic studies on the chemical and enzymatic stability were carried out. In the synthesized compounds, the second protecting group is cleaved from the monophosphate some other mechanism than esterase triggered activation or the structure of prodrug requires only one protecting group. In addition, esterase labile protecting group which is additionally thermally removable was studied. This protecting group was cleaved from oligomeric phosphodiesters both enzymatically and thermally and seems most attractive of the studied phosphate protecting groups. However, the rate of the thermal removal still is too slow to allow efficient protection of longer oligonucleotides and needs optimization. Key words: antiviral, nucleotide, prodrug, protecting group, biodegradable