Inhibition of steroidogenic cytochrome P450 enzymes as treatments for the related hormone dependent diseases

Abstract

Steroidogenic CYPs are crucial enzymes in the biosyntheses of steroid hormones, which are responsible for the maintenance of gender characteristics, as well as for the regulation of carbohydrate metabolism, immune system and homeostasis of electrolytes and fluids. It has been established that abnormal concentrations of these hormones are associated with some complicated diseases. Therefore, the control of these hormone levels as promising therapies are imperative. To attain this goal, the inhibition of steroidogenic CYP enzymes catalyzing the production of these hormones is an elegant way. Since androgen stimulates the proliferation of prostate cancer cells, the inhibition of CYP17, which is the crucial enzyme in androgen biosynthesis, was proposed as a promising therapy. In mimicking the natural steroidal substrates, series of biphenyl methylene heterocycles were designed. After the evolution from imidazoles to pyridines, potent and selective CYP17 inhibitors were identified, for example IV-16, which exceed the drug candidate Abiraterone in terms of inhibitory potency and selectivity patterns. Considering the fact that mutated androgen receptor can be activated by cortisol and in some prostate cancer patients high cortisol levels lead to Cushing’s syndrome, dual inhibitors of CYP17 and CYP11B1 are designed by combining important structure features of both inhibitors. Compound III-6 was successfully obtained as a lead for dual inhibition, although the inhibitory potency and selectivity over CYP11B2 requires further improvement. Moreover, high aldosterone levels are widely acknowledged to show some deleterious effects on heart, vessels, kidney, brain and central nerve system. Due to its pivotal role in aldosterone biosynthesis, CYP11B2 is a superior target for the treatment of diseases related to high aldosterone levels. Based on the previously identified lead compounds, a series of novel heterocycle substituted 4,5-dihydro-[1,2,4]triazolo[4,3- a]quinolines were designed, synthesized and biologically evaluated. The resulted compound VI-24 exhibits an IC50 of 4 nM and excellent selectivity over CYP11B1, which shares 93% of homology with CYP11B2. CYP11B2 inhibition is also considered necessary for breast cancer patients under aromatase inhibitor therapy because the estrogen deficiency caused by menopausal and the application of aromatase inhibitor eventually increases aldosterone concentration. Design via hybridization of both CYP19 and CYP11B2 inhibitors leads to compound V-11 as a promising dual inhibitor.

Steroidogene CYP-Enzyme sind für die Biosynthese von Steroidhormonen essentiell. Letztere sind verantwortlich für die Ausbildung von Geschlechtsmerkmalen und deren Aufrechterhaltung sowie für die Regulation des Kohlenhydratstoffwechsels, des Immunsystems und der Homöostase von Elektrolyten und Flüssigkeit. Es ist schon lange bekannt, dass von der Norm abweichende Hormon-Konzentrationen mit schwerwiegenden Krankheiten verbunden sind. Eine Kontrolle der Hormonspiegel stellt daher eine vielversprechende therapeutische Option dar. Zur Erreichung dieses Ziels ist die Hemmung steroidogener CYP-Enzyme, die die entsprechende Hormon- Biosynthese katalysieren, ein eleganter Weg. Da Androgene die Proliferation von Prostatakarzinomzellen stimulieren, ist die Hemmung von CYP17, dem Schlüssel-Enzym in der Androgen Biosynthese, die Strategie der Wahl. Als Mimetika der natürlichen steroidogenen Substrate, wurde eine Serie an Biphenylmethylen-Heterocyclen konzipiert. Durch Weiterentwicklung von den Imidazolen zu den Pyridinen, konnten potente und selektive CYP17 Hemmstoffe identifiziert werden, z. B. IV-16, das bezüglich Hemmpotenz und Selektivität den Arzneistoffkandidaten Abirateron übertrifft. Nach dem bekannt geworden war, dass ein mutierter Androgen-Rezeptor durch Cortisol aktiviert werden kann und dass in einigen Prostatakarzinompatienten hohe Cortisolspiegel zu Cushing-Syndrom führen, wurden duale Hemmstoffe von CYP17 und CYP11B1 konzipiert, in dem entscheidende Strukturmerkmale von beiden Hemmstofftypen strukturell vereint wurden. Verbindung III-6 wurde dabei als Leitverbindung für einen dualen Hemmstoff erhalten. Dies war zweifelsohne ein Erfolg, wenn gleich Hemmpotenz und Selektivität gegenüber CYP11B2 weiter optimiert werden sollten. Es ist weiterhin bekannt, dass hohe Aldosteronspiegel einige sehr negative Effekte auf Herz, Blutgefäße, Niere, Gehirn und zentrales Nervensystem aufweisen. CYP11B2 ist ein hervorragendes Target für die Behandlung dieser Krankheiten, da es eine entscheidende Rolle in der Aldosteron-Biosynthese spielt. Basierend auf den kürzlich identifizierten Leitverbindungen, wurde eine Serie von neuen heterocyclisch substituierten 4,5-Dihydro-[1,2,4 ]triazolo[4,3-a]Chinolinen konzipiert, synthetisiert und biochemisch evaluiert. Die resultierende Verbindung VI-24 zeigt einen IC50 Wert von 4 nM und eine exzellente Selektivität gegenüber CYP11B1, das eine 93%ige Homologie zu CYP11B2 aufweist. Die Hemmung von CYP11B2 wird auch als notwendig für Brustkrebspatientinnen unter Aromatasehemmer-Therapie angesehen, da der Estrogenmangel, hervorgerufen durch Menopause oder Applikation von Aromatasehemmstoffen, zur Ausbildung hoher Aldosteronkonzentrationen führt. Durch Hybridisierung von Aromatase - und CYP11B2 - Inhibitoren wurde letztendlich Verbindung V-11 als vielversprechender dualer Hemmstoff erhalten.