Resumen de Síntesis y evaluación biológica de nuevos compuestos basados en el anillo de indano
RESUMEN El anillo de indano es una estructura bicíclica presente en numerosas moléculas que poseen una gran variedad de actividades farmacológicas como por ejemplo: antiinflamatoria, neuroprotectora, antiviral, antihipertensiva, antimalárica, etc.
En la idea de preparar sustancias potencialmente activas en el campo de la farmacología se ideó el presente proyecto de tesis de doctorado, el cual se estructura en dos capítulos, el primero dedicado a la preparación de sustancias potencialmente dotadas de actividad antiviral y/o antitumoral y el segundo destinado a la preparación de derivados con potenciales propiedades neuromoduladoras.
Capítulo 1. Síntesis y evaluación biológica de nuevos carbanucleósidos, portadores de bases púricas o pirimidínicas, basados en el anillo de indano.
Los análogos de nucleósidos constituyen un grupo de compuestos estructuralmente relacionados con los nucleósidos naturales, que son los eslabones fundamentales de los ácidos nucleicos (ADN y ARN), siendo conocida la importancia biológica de ambos en la transmisión de la información genética, la transcripción y la síntesis proteica.
En los últimos años, uno de los campos de investigación más activos tanto en el ámbito de la química terapéutica antitumoral como antivírica lo constituye la introducción de pequeñas modificaciones sobre este tipo de moléculas, reemplazando así estos nucleósidos naturales por análogos modificados que mantengan una alta similitud estructural pero que sean capaces de bloquear los procesos enzimáticos del virus o de las células malignas. De esta forma, aprovechando las diferencias enzimáticas existentes entre célula normal y maligna o entre célula huésped y virus, se busca también una toxicidad selectiva hacia los segundos.
Las modificaciones realizadas sobre la estructura de los compuestos naturales pueden afectar a la parte del azúcar (o pseudoazúcar), a la base púrica o pirimidínica, o bien a ambas partes, dando lugar a un gran número de compuestos denominados análogos de nucleósidos.
Uno de los descubrimientos más importantes en el campo de los análogos de nucleósidos ha sido el desarrollo de los Análogos Carbacíclicos de Nucleósidos (ACN) o Carbanucleósidos. Esta familia de compuesto surge por una modificación estructural sobre los nucleósidos naturales en los cuales el átomo de oxígeno glicosídico del ciclo de furanosa se ve sustituido por un átomo de carbono.
Estructuralmente, la presencia de un enlace carbono-nitrógeno en lugar del enlace N-glicosídico clásico de los nucleósidos naturales repercute en una mayor estabilidad química y metabólica, por lo que los carbanucleósidos serán más resistentes a la degradación enzimática por hidrolasas, pese a lo cual, y dada su similitud estructural pueden ser sustratos de los enzimas que los fosforilan y los hacen activos para poder integrarse en las cadenas de ADN y ARN, inhibiendo así la replicación del genoma del virus o de la célula cancerígena, o bien actuando como inhibidores suicidas las enzimas que intervienen en el metabolismo de los nucleósidos.
Aunque la mayoría de los ACN son de origen sintético, cabe destacar el aislamiento de fuentes naturales de moléculas como la aristeromicina (aislada del enantiómero (-) como un metabolito del Streptomyces citricolor) y diversos compuestos del grupo de las neplanocinas (en particular la neplanocina A, aislada de la Ampullariella regularis), lo que condujo a las síntesis de compuestos de interesante actividad biológica dentro de la quimioterapia antitumoral y antiviral.
Así, son especialmente prometedoras algunas moléculas como el (-)-carbovir, un potente y selectivo inhibidor del VIH-1 in vitro, y su análogo ciclopropilamínico, el abacavir.
Este último surgió en un intento de incrementar la biodisponibilidad oral del carbovir y maximizar de esta forma la actividad anti-VIH, resultando ésta equivalente o superior a la de la azidotimidina (AZT), primer fármaco aprobado por la FDA para el tratamiento del VIH. Su penetración en el cerebro y médula espinal (lugares reservorio del virus) es tan buena como la de la AZT. De este modo, la activación intracelular del abacavir le permitió superar las deficiencias farmacológicas y toxicológicas de otros nucleósidos inhibidores de la transcriptasa inversa.
Estos dos compuestos son ciclopentenil carbanucleósidos y sus actividades anti-VIH han estimulado el desarrollo de nuevos carbanucleósidos en los cuales el carbociclo es un anillo de ciclopentano.
Una de las líneas de trabajo de nuestro grupo de investigación es la síntesis y posterior evaluación biológica como antivirales y/ antitumorales de nuevos carbanucleósidos en los que el pseudoazúcar está formado por un anillo de indano. Así en los últimos años hemos preparado y evaluado biológicamente diferentes series de nuevos 1¿-homonucleósidos (I) y 5¿-nor-1¿-homonucleósidos (II) derivados del indano.
Estos fueron sintetizados con el objetivo de incrementar la liposolubilidad de los compuestos y de facilitar su acceso al sistema nervioso central, que como ya hemos mencionado es un importante reservorio del VIH y de otros virus.
Para ello hemos reemplazado el anillo de ciclopenteno, presente en ambos compuestos, por un anillo de indano, es decir, sustituimos la nube ¿ alquénica por una nube ¿ aromática.
Para finalizar el trabajo inicialmente previsto restaba preparar los ¿auténticos¿ análogos de nucleósidos derivados del anillo de indano, es decir, aquellos en los que la unión de la base y del grupo hidroxilo se realiza de idéntica manera que en los nucleósidos naturales.
Por lo que y como objetivo concreto de este primer capítulo, se prepararon tanto los análogos púricos (IIIa) como pirimidínicos (IIIb) de estos análogos carbanucleosídicos derivados del indano.
Por lo tanto podemos concluir que en este capítulo se describe la síntesis de nuevos carbanucleósidos derivados del anillo de indano con un pseudoazúcar basado en el indanol, en el cual se incluye el doble enlace del anillo de ciclopenteno en el anillo de benceno.
Además los nuevos derivados sintetizados fueron sometidos a un proceso inicial de evaluación farmacológica, frente a una importante variedad de virus, mostrando, algunos de ellos, cierta actividad.
Capítulo 2. Desarrollo de nuevos neuroprotectores derivados del indano como nueva estrategia terapéutica para el tratamiento de las enfermedades neurodegenerativas.
Las enfermedades neurodegenerativas (END) suponen, junto con las enfermedades vasculares y las oncológicas, la principal causa de mortalidad y morbilidad en la población española. En la actualidad, alrededor de 800.000 personas están diagnosticadas en nuestro país con alguna enfermedad neurodegenerativa.
Estos trastornos se caracterizan por una disminución en el número de células en determinadas poblaciones neuronales, lo cual se refleja clínicamente en una sintomatología específica. Se conocen más de 100 enfermedades neurodegenerativas; las de Alzheimer, Parkinson, Huntington, y la Esclerosis Lateral Amiotrófica son las más importantes ya sea por su frecuencia o por su gravedad.
En este segundo capítulo centraremos nuestra atención en las enfermedades de Parkinson y de Alzheimer.
La enfermedad de Parkinson es un trastorno neurológico crónico y progresivo caracterizado por una sintomatología predominantemente motora, como bradicinesia, temblor en reposo, rigidez y alteraciones posturales.
Afecta al 2% de las personas mayores de 65 años por lo que se calcula, en este momento, que en España viven cerca de 150.000 pacientes, situándose como la segunda enfermedad neurodegenerativa más frecuente, después del Alzheimer.
La enfermedad cursa con una degeneración neuronal en la sustancia negra, sobre todo en la parte compacta, con la aparición de inclusiones intracelulares llamados Cuerpos de Levy. Esto se traduce en una disminución de los valores de dopamina, cuando disminuyen estos niveles aparecen las alteraciones motrices propias de la enfermedad.
Su etiopatología es desconocida y probablemente multifactorial, estando implicados factores genéticos, ambientales, daño oxidativo y alteraciones en el plegamiento proteico y en el funcionamiento mitocondrial lo que deriva en un envejecimiento cerebral acelerado o apoptosis.
La estrategia terapéutica actualmente vigente, desde el punto de vista farmacológico, se basa principalmente en la potenciación de la actividad dopaminérgica central.
El fármaco más usado y actualmente más eficaz para elevar los niveles deficitarios de dopamina, dada la imposibilidad de administrar directamente la propia dopamina por su incapacidad para atravesar la barrera hematoencefálica, es la L-dopa, precursor directo de la dopamina en el sistema nervioso central (SNC). Se administra por vía oral junto con la carbidopa o la benserazida, inhibidores reversibles de la dopadescarboxilasa (DCC) periférica evitando la degradación de la L-dopa y aumentando su paso al SNC en un 70%. Tanto la carbidopa como la benserazida no atraviesan la barrera hematoencefálica, por lo que solo impiden la acción de la dopadescarboxilasa a nivel periférico.
A su vez, la catecol-orto-metil-transferasa (COMT) es un enzima que se encarga también de metabolizar la L-dopa, por lo que debemos administrar inhibidores de estae enzima como la entacapona.
Otra forma de incrementar la concentración de dopamina se consigue con la administración de inhibidores selectivos e irreversibles de la monoamino oxidasa B (MAO-B). Dentro de estos inhibidores destacan la selegilina y la rasagilina, los cuales bloquean el metabolismo de la dopamina inducido por MAO-B y prolongan el tiempo de acción de la misma en la sinapsis nigroestriada.
La selegilina utilizada en monoterapia proporciona una eficacia sintomática moderada, sin embargo no hay pruebas concluyentes de que este fármaco administrado en etapas tempranas retrase de forma significativa la evolución de la enfermedad.
Cuando se administra conjuntamente con L-dopa, disminuye la cantidad necesaria de esta última pero tampoco retrasa la progresión de la enfermedad ni previene las discinesias a largo plazo. No existe una evidencia clara de que este fármaco presente un efecto neuroprotector.
Además, presenta una serie de efectos secundarios debido a los metabolitos anfetamínicos que genera.
La rasagilina se obtuvo como resultado de la búsqueda para crear un inhibidor selectivo de la MAO-B carente de estos efectos secundarios propios de la selegilina.
Fue aprobada por la FDA en mayo del 2006 para el tratamiento de la enfermedad de Parkinson como monoterapia en la fase inicial y como coadyuvante de la L-dopa en fases más avanzadas.
Además la rasagilina genera como metabolito principal el aminoindano el cual también presenta una actividad antiparkinsoniana per se.
Cabe destacar que la rasagilina si presenta una actividad neuroprotectora adicional debido a un efecto antiapoptótico, siendo éste un tipo de muerte celular en las enfermedades neurodegenerativas. Estudios de relación estructura-actividad demostraron que el radical propargilo es esencial para esta neuroprotección.
La unión de la rasagilina con el enzima implica una serie de interacciones de Van der Waals con algunos de los aminoácidos presentes en la cavidad. El anillo de indano de la rasagilina se sitúa perpendicular a la cara re del FAD, la fracción aromática interacciona con las cadenas laterales de determinados residuos claves como son Tyr 398, Tyr 435 y Tyr 188. El grupo propargilo de la rasagilina se alinea con el átomo de nitrógeno 5 del FAD, uniéndose a éste de forma covalente y el átomo de nitrógeno 10 de la rasagilina establece el único puente de hidrógeno con una de las cuatro moléculas de agua ordenadas presentes en la cavidad. Todas estas interacciones se establecen, fundamentalmente, por la misma cara de la molécula.
Por todo ello, en nuestro grupo de investigación y aprovechando la experiencia adquirida en los últimos años en la síntesis de derivados de indano, nos ha parecido interesante iniciar una línea destinada a la preparación de potenciales agentes neuroprotectores derivados del indano como una nueva estrategia terapéutica para el tratamiento de las enfermedades neurodegenerativas.
Por lo tanto, como primer objetivo del segundo capítulo nos hemos propuesto la síntesis de nuevos derivados y/o análogos de rasagilina diferentemente sustituidos en la posición 3 del anillo de indano (IV), en forma racémica, y en la posición 2 del mismo (V y VI), en forma enantioméricamente pura, portadores de uno o dos grupos propargilo sobre el átomo de nitrógeno, con el objetivo de generar nuevos puntos de anclaje con la MAO-B que incrementen la afinidad y potencien la acción inhibitoria.
Esto nos permitirá estudiar el efecto de la inclusión de diferentes sustituyentes en la posición 3 o 2 del anillo de indano en las propiedades inhibitorias sobre la MAO-B, lo cual nos proporcionará datos útiles para la optimización a la hora de continuar con la síntesis de este tipo de derivados.
Los actuales enfoques terapéuticos sugieren que los fármacos que actúan como un único target pueden ser insuficientes para el tratamiento de enfermedades neurodegenerativas multifactoriales como la enfermedad de Parkinson (EP), de Alzheimer (EA), de Huntington (EH) y la Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA), todas ellas caracterizadas por la coexistencia de múltiples etiopatologías. Éstas incluyen, entre otros, estrés oxidativo y formación de especies reactivas de oxígeno, plegamiento y agregación proteica, disfunción mitocondrial, inflamación, acumulación de metales en sitios de neurodegeneración, etc.
Esto hace que sea poco probable que una única acción farmacológica proporcione una solución satisfactoria y completa a este tipo de pacientes. Por ello se hace necesario el uso de compuestos que incorporen en una misma molécula varias acciones farmacológicas, y que trabajen de forma sinérgica, es decir, será necesario el uso de fármacos de acción dual.
Un fármaco de acción dual es un compuesto híbrido que contiene dos (o más) dominios estructurales con diferentes funciones biológicas, es decir, contiene dos (o más) farmacóforos distintos combinados en una misma molécula. Entre estos fármacos de acción dual se encuentran los inhibidores duales (contienen en una única molécula una actividad inhibitoria dual), los cuales en la actualidad están ganando importancia tanto en el ámbito científico como clínico.
Recientemente se ha desarrollado un nuevo inhibidor dual, el ladostigilo [(N-propargil-3R-aminoindan-5-il)etil metil carbamato], útil para el tratamiento de la EA, EP y demencias con cuerpos de Lewy que contiene la estructura de la rasagilina.
Éste fue diseñado con el objetivo de mantener la actividad neuroprotectora exhibida por la rasagilina y de presentar los requerimientos terapéuticos necesarios para retrasar la progresión de estas enfermedades neurodegenerativas. Para ello combina en una única molécula los grupos farmacóforos de la rasagilina (inhibidor selectivo de la MAO-B) y de la rivastigmina (inhibidor de la acetil y butirilcolinesterasa).
Posee múltiples actividades terapéuticas ya que reduce la apoptosis y estimula el procesamiento de la proteína precursora de amiloide (PPA) reduciendo así la posibilidad de generación de ß-amiloide tóxico.
Así, el hecho de combinar la inhibición de la MAO-B con la inhibición de la acetilcolinesterasa lo convierte en un potencial candidato para el tratamiento de la enfermedad de Alzheimer, una enfermedad neurodegenerativa cada vez más frecuente, habiendo en España alrededor de 600.000 pacientes diagnosticados.
La enfermedad de Alzheimer afecta a las partes del cerebro que controlan el pensamiento, la memoria y el lenguaje. Se caracteriza por el deterioro funcional y la pérdida progresiva de neuronas, traduciéndose en una disminución gradual de la memoria y de otras funciones cognitivas, lo que lleva a la demencia. Es un trastorno grave y degenerativo producido por la pérdida gradual de neuronas cerebrales, cuya etiopatología no es del todo conocida, existiendo tres principales hipótesis: el déficit de acetilcolina, la acumulación de amiloide y/o tau y los trastornos metabólicos. 1. La hipótesis colinérgica fue propuesta por primera vez en 1976 y desde entonces se han desarrollado fármacos anticolinérgicos que están solo indicados para el tratamiento de la enfermedad en un estadío leve a moderado.
Se basa en la observación de que en los cerebros de pacientes con EA se produce una pérdida de la función colinérgica en el SNC contribuyendo significativamente a los síntomas cognitivos asociados a la enfermedad y a la edad avanzada, ofreciendo una orientación clara para las estrategias terapéuticas. Una progresiva pérdida de receptores nicotínicos a los largo del curso de la enfermedad también ha sido descrita, y se ha puesto de manifiesto el papel que juegan estos receptores en los déficits de memoria y aprendizaje.
Esta hipótesis no ha mantenido un apoyo global debido a que los medicamentos que tratan la deficiencia colinérgica tiene reducida efectividad en la prevención o cura del Alzheimer, a pesar de ello, el uso de este tipo de inhibidores se ha establecido como la primera línea de tratamiento en pacientes con EA de leve a moderada.
Los inhibidores de la acetilcolinesterasa (IAChEs) tienen efectos beneficiosos sobre síntomas cognitivos, funcionales y del comportamiento. En la actualidad existen tres inhibidores colinérgicos aprobados por la FDA para el tratamiento del Alzheimer: donepezilo (1998), rivastigmina (2000) y galantamina (2001). Los dos primeros inhiben selectivamente la acetilcolinesterasa, mientras que la galantamina actúa como un ligando alostérico de receptores nicotínicos de la acetilcolina, aumentando la liberación pre- y post-sináptica de la misma, mejorando la transmisión colinérgica.
El tratamiento de EA con este tipo de inhibidores es solo paliativo o sintomático ya que estos fármacos no actúan sobre los mecanismos patogénicos de la enfermedad. El efecto terapéutico más común de estos fármacos es el retraso de la progresión de los síntomas clínicos respecto al deterioro previsto.
La memantina es el cuarto fármaco aprobado por la FDA para el tratamiento de la EA. Se trata de un antagonista no competitivo del receptor de N-metil-D-aspartato (NMDA) del glutamato, de afinidad moderada que puede proteger a las neuronas de la excitotoxicidad mediada por este neurotransmisor, sin impedir la actividad fisiológica de dichos receptores. Al igual que los IAChES, la memantina retarda el avance de la demencia pero no detiene el declive.
2. La hipótesis amiloide mantiene que la acumulación de la proteína ß amiloide en depósitos de ß amiloide es el evento patológico clave que conduce a la neurodegeneración en la EA.
Una de las características que definen patológicamente la enfermedad de Alzheimer son las placas neuríticas o seniles y los ovillos neurofibrilares. Se demostró que el principal componente de las placas seniles era la sustancia amiloide y que el proceso patológico que conduce a la formación de ovillos neurofibrilares, con elevado contenido en proteína tau hiperfosforilada, comenzaría supuestamente por un desequilibrio entre la producción y el aclaramiento del péptido betaamiloide (Aß).
Las terapias basadas en esta teoría se encuentran en fases avanzadas de desarrollo y tienen como objetivo la producción, agregación o acumulación del péptido Aß. Los modelos sugieren que las terapias anti-Aß pueden ser eficaces si se analizan como agentes para prevenir o retrasar el desarrollo de la enfermedad, sin embargo los resultados obtenidos en pacientes están demostrando que son menos eficaces de lo que se pensaba.
3. La hipótesis metabólica sugiere que el deterioro de la señalización de la insulina en el cerebro podría jugar un papel importante en el desarrollo de trastornos neurodegenerativos, ya que en estas circunstancias las neuronas están más expuestas a influencias tóxicas.
Sin embargo, todavía existe controversia sobre el papel que desempeña la señalización de la insulina en la regulación del metabolismo de la glucosa en el cerebro, en las funciones de memoria y aprendizaje y en el desarrollo de las enfermedades neurodegenerativas.
Con todo, el tratamiento de estos pacientes con insulina durante períodos largos de tiempo no es razonable, ya que esto puede agravar la desensibilización de los receptores de insulina.
Podemos concluir que existen diversas hipótesis y eventos bioquímicos que tratan de explicar las causas de la EA, como la degeneración de las neuronas colinérgicas, la formación de placas seniles y ovillos neurofibrilares, estrés oxidativo, deposición de hierro en sitios de lesión neuronal, procesos inflamatorios, excitotoxicidad, apoptosis, pérdida de factores neurotróficos, etc.
Por lo tanto, el enfoque terapéutico actual, en el que los candidatos a fármacos están diseñados para poseer diversas propiedades farmacológicas y actuar sobre múltiples objetivos, ha estimulado el desarrollo de los fármacos de acción dual.
Además, muchos estudios han sugerido que la inhibición de la MAO y de la AChE podría disminuir la deposición de ß-amiloide, y por lo tanto inhibidores de estos enzimas podrían ser buenos candidatos a fármacos para el tratamiento de la EA. Como ya hemos mencionado, como principal representante de este grupo de candidatos a fármacos tenemos el ladostigilo.
En base a este razonamiento nuestro grupo ha sintetizado, como segundo objetivo de este capítulo, una serie de compuestos quiméricos mediante la fusión de la rasagilina con un resto carbamato con el fin de preparar compuestos multimodales. Por ello nos ha parecido de interés transformar los diferentes hidroxiderivados preparados por nosotros en carbamatoderivados, tanto de tipo 1,3 (VII), nuevamente en su forma racémica, como de tipo 1,2 (VIII y IX), en forma en forma enantioméricamente pura, con el objetivo de sintetizar candidatos a fármacos con actividad dual del tipo de la presentada por el ladostigilo.
Estos compuestos presentan una serie de variaciones estructurales con respecto al ladostigilo: 1. El agrupamiento carbamato situado en el ladostigilo en el anillo aromático se dispone ahora en los carbonos 3 (VII) y 2 (VIII y IX) del anillo de ciclopentano.
2. La estructura etilmetilcarbamato se reemplaza por una estructura dimetil o dietilcarbamato.
3. Los nuevos derivados pueden presentar uno o dos grupos propargilo sobre la fracción amino.
Por lo tanto en este segundo hemos puesto a punto un método sintético que permite obtener nuevos derivados de rasagilina sustituidos tanto en la posición 3 como en la posición 2 del anillo de indano y que, en determinados casos, incorporan un segundo grupo propargilo sobre el átomo de nitrógeno de la misma.
Además hemos puesto a punto un método sintético que nos permite obtener nuevos derivados del ladostigilo sustituidos tanto en la posición 3 como en la posición 2 del anillo de indano, también portadores de uno o dos grupos propargilo sobre el átomo de nitrógeno.
Finalmente estos compuestos han sido sometidos a un proceso inicial de evaluación farmacológica, al objeto de conocer la capacidad inhibitoria que presentan frente a la MAO, las colinesteresas y para conocer su capacidad neuroprotectora tanto en ausencia como en presencia de agentes neurotóxicos, así como a un estudio teórico de QSAR.
