Von der Laborkuriosität zum klinischen Kandidaten
Entdeckung der pan-CDK Inhibitoren
Ulrich Lücking Small Molecule Innovation Medicinal Chemistry Berlin
Small Molecule Innovation 2018 2
Agenda
Einführung
Identifizierung von pan-CDK Inhibitor ZK 304709
Identifizierung von pan-CDK Inhibitor roniciclib
Medicinal Chemistry Berlin 2018 2
Krebserkrankungen
5-Jahres-Überlebensraten
Medicinal Chemistry Berlin 2018 3
Am
erica
n C
an
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r S
ocie
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urv
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an
ce
Rese
arc
h 2
00
8
Eine neue Strategie zur Therapie von Krebserkrankungen
Inhibition von Protein Kinasen
Medicinal Chemistry Berlin 2018 4
518 human
Protein kinases
Eine neue Strategie zur Therapie von Krebserkrankungen
Inhibition von Protein Kinasen
Medicinal Chemistry Berlin 2018 5
Zellzyklus und Überlebens-Signalwege
CDKs (Cyclin-Dependent-Kinases)
Medicinal Chemistry Berlin 2018 6
Ein pan-CDK Inhibitor blockiert den Zellzyklus und die Überlebens-Signalwege von Tumorzellen.
Eine neue Strategie zur Therapie von Krebserkrankungen
Inhibition von Protein Kinasen
Medicinal Chemistry Berlin 2018 7
Erste Ergebnisse
Leitstrukturoptimierung
Medicinal Chemistry Berlin 2018 9
IC50(CDK2) : 100 nM
N
NH
N
NH
Br
N
N
N OH
H
IC50(CDK2) : 1000 nM
IC50(CDK2) : 1000 nM
N O
N
O
H
H
OH
Schlechte Löslichkeit
(ca. 600 Verbindungen synthetisiert)
Limitierte Verbesserung der Aktivität
(ca. 150 Verbindungen synthetisiert) !
!
Identifizierung von ZK 304709
Klinischer Kandidat
Medicinal Chemistry Berlin 2018 10
N
NH
N
NH
Br
S
OH
NH2
O O
HCl
IC50 (CDK2): 6 nM:
IC50 (CDK9): 5 nM
IC50 (MCF7): 237 nM
IC50 (hCA-II): 514 nM
Swater : 8 mg/L
ZK 304709 IC50 (CDK2) : 100 nM
IC50 (MCF7): 4000 nM
Hohe Potenz gegen CDK-Familie und Krebszellen in vitro
Vielversprechende ADME Eigenschaften in vivo
Anreicherung in Erythrozyten Off-target Aktivität gegen Carboanhydrasen (CAs)
Limitierte Wasserlöslichkeit
Sehr gute Anti-Tumorwirksamkeit in Tiermodellen
Auswahl für die klinische Testung an Krebspatienten
Ergebnisse
Phase I Testung
Medicinal Chemistry Berlin 2018 11
N
NH
N
NH
Br
S
OH
NH2
O O
HCl
Dosis-Eskalationsstudie in Patienten (15 mg/Tag bis 360 mg/Tag).
Dosis-proportionale Zunahme der Wirkstoffspiegel im Blut bis 90 mg/Tag.
Keine weitere Erhöhung der Wirkstoffspiegel bei Dosen
> 90 mg/Tag und hohe Variabilität von Patient zu Patient.
Klinische Studie aufgrund der dosis-limitierten Absorption bei
hohen Dosen gestoppt.
Anreicherung in Erythrozyten über Off-target Aktivität gegen
Carboanhydrasen trägt möglicherweise zur hohen Variabilität bei.
Krankheitsstabilisierung bei 10 Patienten.
ZK 304709
!
!
!
Zurück ins Labor
Ergebnisanalyse klinische Testung / Ziele des Folgeprojektes
Medicinal Chemistry Berlin 2018 12
Erhöhung der Potenz um die therapeutische Dosis zu reduzieren.
Off-target Aktivität gegen Carboanhydrasen eliminieren.
!
!
Verbesserung der Löslichkeit / Absorption. ! N
NH
N
NH
Br
S
OH
NH2
O O
HCl
ZK 304709
Eliminierung der CA-Aktivität
Medicinal Chemistry Berlin 2018 13
S
NH
N
O
N N
Br
NH
OH
R
R´
O
S
NH
NH2
O
N N
Br
NH
OH
OR
R'
ZK 304709
N–Alkylation ortho–Substitution
Model:
ZK 304709 in complex with hCA-II Interactions between hCA-II and
aryl sulfonamides
3 Strategien um unerwünschte Aktivität an CAs auszuschalten:
Einführung von Substituenten am Sulfonamid: Molekül instabil
… ohne die Aktivität gegen CDKs zu beeinträchtigen.
NH
N N
Br
NH
OH
R
New functional group
Eliminierung der CA-Aktivität
Medicinal Chemistry Berlin 2018 14
S
NH
N
O
N N
Br
NH
OH
R
R´
O
S
NH
NH2
O
N N
Br
NH
OH
OR
R'
ZK 304709
N–Alkylation ortho–Substitution
Model:
ZK 304709 in complex with hCA-II Interactions between hCA-II and
aryl sulfonamides
3 Strategien um unerwünschte Aktivität gegen CAs auszuschalten:
Einführung von Substituenten am Sulfonamid: instabil
Einführung von Substituenten neben dem Sulfonamid: Hohe Dosis, schlechte Löslichkeit
… ohne die Aktivität gegen CDKs zu beeinträchtigen.
NH
N N
Br
NH
OH
R
New functional group
Eliminierung der CA-Aktivität
Medicinal Chemistry Berlin 2018 15
S
NH
N
O
N N
Br
NH
OH
R
R´
O
S
NH
NH2
O
N N
Br
NH
OH
OR
R'
ZK 304709
N–Alkylation ortho–Substitution
Model:
ZK 304709 in complex with hCA-II Interactions between hCA-II and
aryl sulfonamides
3 Strategien um unerwünschte Aktivität gegen CAs auszuschalten:
Einführung von Substituenten am Sulfonamid: instabil
Einführung von Substituenten neben dem Sulfonamid: hohe Dosis, schlechte Löslichkeit
Einführung einer neuen funktionellen Gruppe
… ohne die Aktivität gegen CDKs zu beeinträchtigen.
NH
N N
Br
NH
OH
R
New functional group
Sulfoximine
Medicinal Chemistry Berlin 2018 16
NR3
R1 S
O
R2
H
acidic (adjustable by R 3):R3 = Me; pKa = 32 (in DMSO)
R3 = Ts; pKa = 23 (in DMSO)
nucleophilic and basic nitrogen: pKa NH2
+ = 2.7 (in water)R3 = H, acidic :pKa = 24 (in DMSO)
asymmetric sulfur:configurationally stable
Scheme adapted from: a) Regglin, Synthesis 2000, 1; b) Meanwell, JMC 2011, 2529.
Stabil
Neue Optionen für Drug Design (neuartiger Baustein)
Vielfältige Interaktionsmöglichkeiten mit anderen Molekülen
Hohe Wasserlöslichkeit
Eine vergessene funktionelle Gruppe
Sulfoximine in der Medizinalchemie
Medicinal Chemistry Berlin 2018 17
RU-31156 (Sudexanox)
Preclinical: Allergic skin disorders (Roussel)
SO
NN
OHS
O
NH2
ONH
Suloxifen
Clinical: Spasmolytic and antiasthmatic agent (Gödecke AG)
Buthionine sulfoximine (BSO)
Phase I: Melanoma, neuroblastoma (NCI)
Kein Medikament mit einer Sulfoximingruppe auf dem Markt
Sehr wenige Beispiele von der Verwendung von Sulfoximinen in der Medizinalchemie
O
O
OH
O
S
O NH
Vorschlag die Sulfoximingruppe in Leitstruktur einzuführen, stieß auf große Skepsis…!
Sulfoximine CDK Inhibitor
Proof of concept
Medicinal Chemistry Berlin 2018 18
IC50 (CDK2): 16 nM
IC50 (CDK1): 110 nM
IC50 (MCF7): 1500 nM
IC50 (hCA-2): >10000 nM !
N
NH
N
NH
Br
S
O NH
IC50 (hCA-2): 403 nM
N
NH
N
NH
Br
S
OH
NH2
O O Racemate
2 N
NH
N
NH
Br
S
O
N
NH
N
NH
Br
S
mCPBA, DCM
33%
NaN3, H2SO4
DCM, 45°C, 20%
Gute Aktivität gegen CDK in vitro
Keine Inhibition der Carbonanhydrasen
Hohe Stabilität
Startpunkt für weitere Optimierung
IC50 (CDK1): 10 nM
IC50 (MCF7): 30 nM
IC50 (CDK2): 10 nM
Roniciclib (BAY 1000394)
Medicinal Chemistry Berlin 2018 19
N
NH
N
O
CF3
SNHO
OHR
R
R
IC50 (CDK2): 9 nM
IC50 (CDK1): 7 nM
IC50 (CDK4): 11 nM
IC50 (CDK9): 9 nM
IC50 (MCF7): 15 nM
IC50 (mean): 16 nM*
IC50 (hCA-II): >10000 nM
Sw (flask, pH 7): 182 mg/L
* Anti-proliferative activity in a panel of 25 tumor cell lines (mean IC50)
BAY 1000394 IC50 (CDK2) : 16 nM
N
NH
N
NH
Br
SNHO
IC50 (CDK1): 110 nM
IC50 (MCF7): 1500 nM
Potentester pan-CDK Inhibitor des Projektes
Keine Aktivität gegen CA keine Anreicherung in Erythrozyten
Gute Löslichkeit in Wasser
Gute ADME Eigenschaften in Tieren
Racemate
Neue Methodik
Forschungssynthese
Medicinal Chemistry Berlin 2018 20
Toxische und potentiell explosive Mischung aus NaN3/H2SO4 für die Synthese der Sulfoximingruppe
konnte durch neue, sichere Rh(II)-katalisierte Methode ersetzt werden (Bolm, Org Lett 2004,1305). !
N N
Cl
I
Cl
N N
O
CF3
NH
S
O N
OBn
O
CF3
N N
O
I
Cl
OBn
N N
O
CF3
Cl
OBn
N+
S
O
O S
O N
CF3
O
NH2
N+
S
O
O
O
N+
O
O
S
O N
CF3
O
N N
O
CF3
NH
S
O NH
OHd) e) f)
c)a)
g-i)
b)
a) H5IO6, FeCl3, MeCN, rt; b) CF3C(O)NH2, PhI(OAc)2, MgO, [Rh2(OAc)4], DCM, rt; c) H2, Pd/C, EtOH, THF, rt; d) ROH, NaH, Et2O, 0°C 40°C;
e) CF3Si(CH3)3, KF, CuI, NMP, THF, 80°C; f) 47, 4 N HCl in dioxane, MeCN, 80°C; g) H2, Pd/C, EtOH, rt; h) K2CO3, MeOH, rt; i) chiral HPLC.
Roniciclib
Anti-Tumorwirksamkeit im Tiermodell
Medicinal Chemistry Berlin 2018 21
HeLa-MaTu xenograft studies (nude mice): Tumour growth inhibition (qd, p.o.) Body weight changes
Continuous oral dosing Intermittent oral dosing Continuous and intermittent
oral dosing
Ronciclib
Ergebnisse der Leitstrukuroptimierung
Medicinal Chemistry Berlin 2018 22
BAY 1000394
22
N
NH
N
NH
Br
S
OH
NH2
O O
HCl
ZK 304709
R
N
NH
N
O
CF3
SNHO
OHR
R
R
Erhöhung der Potenz um die therapeutische Dosis zu reduzieren
Off-target Aktivität gegen Carboanhydrasen eliminieren
!
!
Verbesserung der Löslichkeit / Absorption !
Therapeutisch Dosis (Maus): 2 mg/kg/d (50-fold lower than ZK304709)
Keine Aktivität gegen CA keine Anreicherung in Erythrozyten
Löslichkeit in Wasser: 182 mg/L (22-fold more than ZK 304709)
Ronciclib wurde in Phase II aufgrund von Problemen mit der Verträglichkeit eingestellt.
Auch kein pan-CDK Inhibitor der Konkurrenz konnte die Zulassung erreichen.
Zellzyklus und Überlebens-Signalwege
CDKs (Cyclin-Dependent-Kinases)
Medicinal Chemistry Berlin 2018 23