Lead optimization of highly potent and selective CYP11B1 inhibitors for the treatment of Cushing’s syndrome and chronic wounds

Abstract

The key characteristic of Cushing’s syndrome is an abnormally elevated cortisol plasma level. This can be controlled by inhibition of 11ß-hydroxylase (CYP11B1), the enzyme catalyzing the last step of the biosynthesis of cortisol. In the present thesis, lead optimization of the first reported selective CYP11B1 inhibitors resulted in an inhibitor with a 50-fold improved potency for human CYP11B1 (IC50= 2 nM). Additional investigations revealed a promutagenic potential of the inhibitor and a low oral bioavailability in rats (F= 2%). Subsequent structural modifications resulted in a similarly potent and selective compound exhibiting no toxicity and a high oral bioavailability in rats (F= 50%). A good candidate for further in vivo studies was identified, which exceeds the clinically used inhibitor metyrapone in terms of CYP11B1 potency and selectivity. Previous studies have shown that inhibition of cortisol biosynthesis in skin leads to accelerated wound healing. Here, CYP11B1 inhibitors were optimized for topical application to avoid systemic side effects. The resulting very potent, selective CYP11B1 inhibitor exhibited high stability toward human plasma (as a substitute for wound fluid) and low stability toward HLS9 (t1/2 = 19 min) for rapid metabolic clearance after absorption. The inhibitor was able to accelerate wound healing in human skin at the applied concentration of 5 µM.

Charakteristisch für die Krankheit Morbus Cushing ist ein abnormal erhöhter Cortisol-Plasmaspiegel. Dieser kann durch Hemmung des Enzyms 11ß-Hydroxylase (CYP11B1), welches den letzten Schritt der Biosynthese von Cortisol katalysiert, reguliert werden. Hier führte eine gezielte Strukturoptimierung von CYP11B1-Inhibitoren zu einer 50-fach potenteren Verbindung bezüglich des humanen CYP11B1-Enzyms. Zusätzliche Untersuchungen offenbarten ein promutagenes Potential des Inhibitors und eine geringe orale Bioverfügbarkeit in Ratten (F = 2%). Nachfolgende strukturelle Modifikationen resultierten in einer ähnlich potenten und selektiven Verbindung, die keine Toxizität aufweist und eine hohe orale Bioverfügbarkeit in Ratten (F = 50%) zeigt. Somit gelang die Identifizierung eines geeigneten Kandidaten für weitere in vivo Studien, welcher den klinisch verwendeten Inhibitor Metyrapon bezüglich CYP11B1-Potenz und -Selektivität übertrifft. Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Hemmung der Cortisol-Biosynthese in der Haut zu einer beschleunigten Wundheilung führt. Hierfür wurden CYP11B1-Inhibitoren für eine Anwendung auf der Haut optimiert. Die dabei erhaltene Verbindung zeigte sowohl eine hohe Stabilität gegenüber menschlichem Plasma (als Ersatz für Wundflüssigkeit) als auch eine geringe metabolische Stabilität für eine schnelle Ausscheidung nach der Absorption. Der Inhibitor war in der Lage, die Wundheilung in der menschlichen Haut bei einer Anwendungskonzentration von 5 µM zu beschleunigen.