Pharmacophore aided hit identification, structural optimization and biological evaluation of benzothiazole derivatives as new potent and selective non-steroidal inhibitors of 17beta-hydroxysteroid dehydrogenase type 1

Abstract

17beta-Hydroxysteroid dehydrogenase 1 (17beta-HSD1) catalyzes the conversion of the weakly active estrone (E1) to the highly active estradiol (E2). Recently, 17β-HSD1 came into the focus of interest as a novel therapeutic target for the treatment of estrogen dependent diseases like breast cancer (BC) and endometriosis. Two new classes of non-steroidal 17beta-HSD1 inhibitors were designed and synthesized as potential therapeutics. The search started from the pharmacophore screening of in house library (molecules with MW < 350). The virtual hits were experimentally validated, and, finally, a new core structure ([5-(2-hydroxyethyl)-4-methyl-1,3-thiazol-2-yl](3-hydroxyphenyl)methanone) with a moderate inhibitory activity for 17beta-HSD1 was identified. Rigidification of the flexible hydroxy ethyl chain led to a benzothiazole derivative which already showed high inhibitory potency towards the target enzyme. Further structural modifications - OH substitution pattern, addition and variation of small substituents on different position of the phenyl moiety – via the synthesis of 70 new compounds led the discovery of two new classes of potent 17beta-HSD1 inhibitors with IC50 values in the low nanomolar range. In order not to counteract the therapeutic efficacy of 17β-HSD1 inhibitors it is important that the compounds are selective towards 17β-HSD2 since this enzyme catalyses the reverse reaction (oxidation of E2 to E1) and furthermore to avoid intrinsic estrogenic and systemic effects, the inhibitors should not show affinity to the estrogen receptors alpha and beta. Besides an excellent selectivity over 17beta-HSD2 and the estrogen receptors (ERs) alpha and beta, the most promising compounds of this study showed good cell permeability (T47-D), fair metabolic stability in human liver microsomes and moderate hepatic CYP inhibition. High inhibitory potency and selectivity was also found towards marmoset monkey 17beta-HSD1 and 17beta-HSD2 indicating that these compounds are suitable for in vivo evaluation in this animal endometriosis model. In conclusion, the present thesis provides an extensive structure-activity study regarding 17beta-HSD1 inhibition which might be useful for the developement of a clinically applicable therapeutic for the treatment of estrogen-dependent diseases.

17ß-Hydroxysteroid Dehydrogenase 1 (17ß-HSD1) katalysiert die Biosynthese vom schwach wirksamen Estron (E1) zum hoch potenten Estradiol (E2). In den letzten Jahren ist 17ß-HSD1 als neuartiges therapeutisches Target zur Behandlung von Estrogen-abhängigen Krankheiten, wie Burstkrebs und Endometriose in den Fokus gekommen. In dieser Arbeit wurden zwei neue Klassen nicht-steroidaler 17ß-HSD1 Hemmstoffe designet, synthetisiert und biochemisch evaluiert. Zum Einstieg wurde basierend auf ko-krystallisierte steroidale Inhibitoren ein Pharmakophor-Modell erstellt. Dieses wurde dann zum Screening einer in In-house Substanzbibliothek (MW < 350) genutzt. Die besten virtuellen Hits wurden experimentell validiert und ([5-(2-hydroxyethyl)-4-methyl-1,3-thiazol-2-yl](3-hydroxyphenyl)methanone) wurde als neue Core-Struktur mit moderater Hemmwirkung identifiziert. Rigidisierung der flexiblen Hydroxyethyl-Seitenkette führte zur Synthese eines Benzylimidazol-Derivates, welches eine beachtliche Steigerung der Aktivität zeigte. Weitere strukturelle Variationen, wie z.B. Veränderung der OH-Position, Einfügen bzw. Ersetzen neuer Substituenten an unterschiedlichen Positionen des Phenyl-Ringes, führten zur Synthese von mehr als siebzig Verbindungen, die in zwei Klassen potenter HSD1-Hemmstoffe unterteilt werden können. IC50-Werte im niedrigen nanomolaren Bereich wurden erzielt. Um der therapeutischen Effizienz dieser 17ß-HSD1 Inhibitoren nicht entgegenzuwirken ist es wichtig, dass diese Verbindungen selektiv gegen 17ß-HSD2 sind, da dieses Enzym die Rückreaktion (Umwandlung von E2 wird in E1) katalysiert. Des weiteren sollen potentielle 17ß-HSD1 Hemmstoffe auch keine Affinität zu den Estrogen-Rezeptoren a und ß aufweisen, um systemische Wirkungen zu vermeiden. Abgesehen von einer exzellenten Selektivität gegen 17ß-HSD2 sowie beider Estrogenrezeptoren zeigten die vielversprechendsten der synthetisierten Substanzen auch eine gute Permeabilität in T47-D Zellen, eine akzeptable metabolische Stabilität in humanen Lebermikrosomen und nur eine moderate Hemmung einiger hepatischer CYP Enzyme. Beide neuen Substanzklassen wiesen eine hohe Hemmung von 17ß-HSD1 sowie Selektivität gegen 17ß-HSD2 von Callithrix jacchus auf, was sie für eine in vivo Testung an diesem Endometriose-Model in Frage kommen läßt. Zusammenfassend ist festzustellen, daß in dieser Doktorarbeit eine ausführliche Struktur- Wirkungs-Studie von 17ß-HSD1 Inhibitoren beschrieben ist, die eine wichtige Rolle für die weitere Entwicklung von Therapeutika zur Behandlung von Estrogen-abhängigen Erkrankungen spielen kann.