Synthese und Untersuchung von Methanobactinderivaten als neue Wirkstoffe gegen Morbus Wilson

Abstract

Morbus Wilson (MW) ist eine autosomal rezessive Stoffwechselerkrankung, bei der eine Mutation des sogenannten „Wilson-Gens“ einen Defekt der Kupfer-transportierenden ATPase ATP7B hervorruft.Infolgedessen kommt es zu einer Akkumulation von Kupfer vorwiegend in der Leber, die sowohl eine schwerwiegende Schädigung dieses Organs als auch neurologische Defekte verursacht. Die zur Behandlung von MW bereits zugelassenen Therapieansätze auf Grundlage von niedermolekularen Chelatoren und der Gabe von Zink-reicher Nahrung zeigen nur eine eingeschränkte Wirksamkeit bei schweren Verläufen. Mit dem Ziel, einen neuartigen Therapieansatz zu entwickeln, wurde in vorangegangen Studien gezeigt, dass Methanobactin OB3b ein potentieller Wirkstoff gegen MW sein kann. Bei diesem Naturstoff handelt es sich um einen Vertreter von ribosomal produzierten, posttranslational modifizierten, peptidischen Kupfer-Chelatoren aus methanotrophen Bakterien. Diese Moleküle zeichnen sich durch eine außerordentlich hohe Affinität gegenüber diesem Metallion aus, die zu den höchsten, jemals in biologischen Systemen gemessenen gehört. Das Ziel dieser Arbeit war es, synthetische Studien zu Methanobactin OB3b durchzuführen. Dabei sollten zunächst strukturvereinfachte Naturstoffderivate als neue Wirkstoffe gegen MW ergänzend zu Methanobactin OB3b hergestellt werden. Darauf aufbauend sollte ein totalsynthetischer Ansatz von Methanobactin OB3b entwickelt werden. Eine besondere Herausforderung stellte die Synthese der Kupfer-Koordinationsmotive in Form von Enthiol-substituierten Oxazolonen dar. Ein weiteres Ziel war die Modifikation des Naturstoffes, um daraus bioaktive Sonden zu gewinnen, die für die Aufklärung des Wirkmechanismus in biologischen Untersuchungen in vitro und in vivo eingesetzt werden können. Im ersten Teil der Arbeit wird die erfolgreiche Synthese von strukturvereinfachten Naturstoffderivaten dargelegt. Es wurde eine Strategie erarbeitet, ein geschütztes Oxazolon über ein Thioamid mit einem Disulfid-enthaltenen Oligopeptid zu verknüpfen. Darüber hinaus werden in dem anschließenden Kapitel Fragmente einer möglichen Totalsynthese von Methanobactin OB3b beschrieben. In ersten Versuchen konnte die Verbindung zweier Fragmente und eine weitere Funktionalisierung erzielt werden. Abschließend wird die Naturstoffmodifikation von Methanobactin OB3b mittels Disulfide-Rebridging diskutiert. Im Weiteren wurden aus dem modifizierten Naturstoff bioaktive Sonden erhalten, mit denen auf zellulärer Ebene eine zeitabhängige Lokalisation in den Lysosomen nachgewiesen werden konnte. Mithilfe von in vivo Bildgebungsverfahren wurde eine zeitlich aufgelöste Bioverteilung in athymischen Mäusen ermittelt und eine bevorzugte Anreicherung in der Leber der Tiere sowie eine renale Exkretion der eingesetzten Sonde nachgewiesen.

Wilson's disease (MW) is an autosomal recessive metabolic disorder in which a mutation of the so-called "Wilson gene" causes a defect of the copper-transporting ATPase ATP7B. As a result, copper accumulates mainly in the liver, causing both severe organ damages and neurological defects. The therapeutic approaches already approved based on small molecule chelators and the administration of zinc-rich food show only limited efficacy in severe courses. With the aim of developing a novel therapeutic option, previous studies have shown that methanobactin OB3b may be a potential agent against MW. This natural product is a representative of ribosomally produced, posttranslationally modified, peptide copper chelators from methanotrophic bacteria. These molecules are characterized by exceptionally high affinity to this metal ion, which is among the highest ever measured in biological systems. The aim of this work was to perform synthetic studies on methanobactin OB3b. First, structurally simplified natural product derivatives were to be prepared as new active substances against MW complementary to methanobactin OB3b. Based on this, a total synthetic approach of methanobactin OB3b was to be developed. The synthesis of the copper coordination motifs in the form of enthiol-substituted oxazolones posed a particular challenge.Another goal was to modify the natural product to obtain bioactive probes that can be used to elucidate the mechanism of action in biological studies in vitro and in vivo. In the first part of the presented thesis, the successful synthesis of structurally simplified natural product derivatives is described. A strategy was worked out to link a protected oxazolone to a disulfide-containing oligopeptide via a thioamide. In addition, the fragments of a possible total synthesis of methanobactin OB3b are outlined in the subsequent chapter. In initial experiments, a linkage of two fragments followed by further transformations could be achieved. In the final chapter, the natural product modification of methanobactin OB3b by disulfide-rebridging is discussed. Furthermore, bioactive probes were obtained from the modified natural product, which could be used to detect time-dependent localization in lysosomes at the cellular level. Using in vivo imaging techniques, a time-resolved bio-distribution in athymic mice was determined and a preferential accumulation in the liver of the animals as well as a renal excretion of the applied probe was demonstrated.