Gamma-secretase modulators and inhibitors in Alzheimer's disease: influence of genetic background on efficacy and mechanism of action

According to the amyloid hypothesis, Alzheimer’s disease (AD) is caused by aberrant production or clearance of the amyloid-β (Aβ) peptides, and in particular of the longer more aggregation-prone Aβ42. The Aβ peptides are generated through successive proteolytic cleavage of the amyloid precursor protein (APP) by the β-site APP cleaving enzyme (BACE) and γ-secretase. γ-secretase produces Aβ peptides with variable C-termini ranging from Aβ34 to Aβ48, presumably by sequential trimming of longer into shorter peptides. γ-secretase is a multiprotein complex consisting of at least four different proteins and the presenilin proteins (PS1 or PS2) contain the catalytic center of the complex. In 2001 several non-steroidal anti-inflammatory drugs were identified as the founding members of a new class of γ-secretase modulators (GSMs) that can selectively reduce production of Aβ42. Concomitantly, these GSMs increase Aβ38 production indicating closely coordinated generation of Aβ42 and Aβ38 and a potential precursor-product relationship between these peptides. GSMs seem to exert their activity by direct modulation of γ-secretase. Support for this hypothesis is drawn from the finding that some PS mutations associated with early-onset familial AD (FAD) can modulate the cellular response to GSMs and to γ-secretase inhibitors (GSIs), which inhibit production of all Aβ peptides and are known to directly interact with PS. A particularly interesting FAD PS mutation is PS1-ΔExon9, a complex deletion mutant that blocks endoproteolysis of PS1 and renders cells completely non-responsive to GSMs. Studies presented in this thesis show that the diminished response of PS1-ΔExon9 to GSMs is mainly caused by its lack of endoproteolytic cleavage. Furthermore, we were able to demonstrate that a reduced response to GSMs and GSIs is not limited to PS1-ΔExon9 but is a common effect of aggressive FAD-associated PS1 mutations. Surprisingly, we also found that while the Aβ42 response to GSMs is almost completely abolished by these PS1 mutations, the accompanying Aβ38 increase was indistinguishable to wild-type PS1. Finally, the reduced response to GSIs was confirmed in a mouse model with transgenic expression of an aggressive FAD-associated PS1 mutation as a highly potent GSI failed to reduce Aβ42 levels in brain of these mice. Taken together, our findings provide clear evidence for independent generation of Aβ42 and Aβ38 peptides, and argue that the sequential cleavage model might be an oversimplification of the molecular mechanism of γ-secretase. Most importantly, our results highlight the significance of genetic background in drug discovery efforts aimed at γ-secretase, and indicate that the use of cellular models with transgenic expression of FAD-associated PS mutations might confound studies of the potency and efficacy of GSMs and GSIs. Therefore, such models should be strictly avoided in the ongoing preclinical development of these promising and potentially disease-modifying therapeutics for AD.

Selektive und duale COX-1-, COX-2-Inhibitoren aus der Reihe der Methanone

Zusammenfassung: Prostaglandine (PG) sind wichtige biologische Entzündungsmediatoren, die aus der Arachidonsäure (AA) durch das Enzym Cyclooxygenase (COX) entstehen. Trotz einiger unerwünschter Wirkungen, sind Cyclooxygenase-Hemmer Mittel der Wahl zur Unterdrückung entzündlicher Prozesse. Von der Cyclooxygenase existieren zwei Isoenzyme: COX-1 und COX-2. Eine selektive Hemmung der COX-2 bzw. eine duale Hemmung der COX-1 und COX-2 wird als erfolgversprechendes Prinzip zur Behandlung von entzündlichen Erkrankungen diskutiert.Ziel der Arbeit war die Synthese und in vitro Testung sowie die Erstellung von Struktur-Wirkungs-Beziehungen selektiver bzw. dualer Hemmstoffe der COX-1/-2. Zusätzlich wurden die Substanzen auf inhibitorische Aktivität gegenüber der 5- und 12-Lipoxygenase untersucht.Ausgehend von der Struktur selektiver Hemmstoffe der COX-2 bzw. von dualen COX-1/ COX-2-Inhibitoren sowie von marktüblichen nichtsteroidalen Antirheumatika (NSAR), wurde das Diarylmethanon-Element als Basis gewählt. An diesem Strukturelement wurden Modifikationen vorgenommen, um selektive Hemmstoffe der COX-2 bzw. duale COX-1/ COX-2-Hemmstoffe zu erhalten.Die synthetisierten Verbindungen lassen sich in [4-(Methylsulfanyl)phenyl]- und [4-(Methylsulfonyl)phenyl](aryl)methanone, N-(Aroylphenyl)sulfonamide und -amide sowie (Hydroxyphenyl)(2-thienyl)methanone unterteilen.In der Reihe der [4-(Methylsulfanyl)phenyl](aryl)methanone sind potente Hemmstoffe sowohl der COX-1 als auch der COX-2 erhalten worden. Im Gegensatz dazu zeigen die [4-(Methylsulfonyl)phenyl](aryl)methanone gegenüber COX-1 und COX-2 keine inhibitorische Aktivität. Mit dem 2-Thienylderivat wurde ein potenter, dualer Hemmstoff beider Cyclooxygenase-Isoenzyme identifiziert, dessen Wirkstärke (bezüglich der COX-2) auf den Austausch von Phenyl gegen 2-Thienyl zurückzuführen ist.Die N-(Aroylphenyl)sulfonamide und -amide bilden die umfangreichste Gruppe bei den durchgeführten Untersuchungen, wobei besonders die regioisomeren N-(2-Aroylphenyl)sulfonamide und -amide eingehender studiert wurden. Auf der Basis der (2-Aroylphenyl)sulfonamide läßt sich für die Hemmung der COX-1 eine Struktur-Wirkungs-Beziehungen formulieren, die anhand Hilfe geeigneter Verbindungen überprüft wurde. Die Untersuchungen wurden zum Teil auch auf die 3- und 4-Regioisomeren ausgedehnt, wobei sich die erhaltenen Struktur-Wirkungs-Beziehungen bestätigten. Die Arylsulfonamide inhibieren bevorzugt die COX-1. Auch (4-Aroylphenyl)sulfonamide wurden auf mögliche inhibitorische Aktivität untersucht. Die Einbindung des Amidstickstoffs in ein Indolin- bzw. Tetrahydrochinolin-Ringsystem oder des Sulfonamids in ein 1,3-Propansultam führte in jedem Falle zu wenig aktiven Verbindungen gegenüber der COX-1. N-(2-Aroylphenyl)amide zeigten in Übereinstimmung mit der Hypothese an der COX-1 eine gute inhibitorische Aktivität.Aus der Reihe der (Hydroxyphenyl)(2-thienyl)methanone wurden die freien Alkohole, die Methylether und verschiedene Ester dargestellt und auf COX-1-Aktivität untersucht. Acetate, aber auch Phenole sind die potentesten Inhibitoren der COX-1. Als günstigte Positionen für die 2-Thienylcarbonyl-Einheit am Hydroxyphenylrest erweist sich die ortho- bzw. para-Position.