Search

Every year, 200 million people are infected and 200 000 die from Schistosomiasis, a parasitic disease caused by trematodes of the genus Schistosoma. This disease is mainly treated by praziquantel (PZQ) since the 1970s. In the past years, decreased sensitivity of the parasites towards PZQ was observed. Therefore, the concern of upcoming resistance is increasing and the need for new antischistosomal agents is urgent. The schistosomal aldose reductase (AR) was identified to be a potential target as it is believed that it plays a crucial role in the defence mechanism of the parasite towards its host. Inhibitors of the human AR were tested in vitro against Schistosoma mansoni couples and showed a good antischistosomal potency (Cooperation with the GREVELDING group). Starting point of this thesis was a biaryl alkyl carboxylic acid which was synthesised by PATRICK MÄDER in the SCHLITZER group. Aim of this thesis was to synthesize compounds based on the biaryl alkyl carboxylic acid and to test these in vitro against Schistosoma mansoni. Within the scope of this thesis, 170 compounds were synthesized and evaluated biologically with different modifications in order to establish structure activity relationships (SAR) for this substance class. The modifications included: • Derivatisation of the carboxyl group by synthesizing carboxylic amides • Derivatisation of the linker by reduction of the carbonyl group, by synthesizing pentadiene- and benzoic acid-derivatives and by synthesizing hydrazones • Replacement of the thiophene ring by an oxazole, thiazole and furan • Derivatisation of the hydroxyl group by synthesizing sulfonic acid- and carboxylic acid esters The SAR evaluation led to the conclusion that the carbonyl group is not essential for antischistosomal activity. The derivatisation of the hydroxyl group led to a compound with an activity up to 10 µM. Summing up, the biological activity of this compound class was improved from 100 µM to 10 µM. Furthermore, a second project was to gain knowledge in the synthesis of ebselen-derivatives and to elaborate whether this compound class has a promising biological activity against Schistosomes. In this project, seven different compounds with an exchanged aniline group were synthesized. The biological activity of these compounds ranged up to 5 µM, which is comparable to PZQ in the used in vitro assay. It was found that these compounds not only possess a very good antischistosomal activity but also promising neuroprotective properties (Cooperation with the CULMSEE group)., Schistosomiasis ist mit 200 Millionen Infektionen und 200 000 Todesfällen im Jahr nach Malaria die zweithäufigste Tropenkrankheit. Sie wird seit den 1970ern hauptsächlich durch ein Medikament, Praziquantel, behandelt. Aufgrund der jahrelangen Verwendung dieses Medikamentes wird eine aufkommende Resistenz der Parasiten gegen Praziquantel befürchtet. Daher ist die Erforschung des Parasiten und die Entwicklung neuer Wirkstoffe essenziell. Es wird vermutet, dass die schistosomale Aldosereduktase (AR) eine wichtige Rolle in der Abwehr der Schistosomen gegenüber der Immunantwort des Wirts spielt. Inhibitoren der humanen Aldosereduktase wurden daraufhin in vitro gegen Schistosoma mansoni Paare getestet (Kooperation mit AG GREVELDING). Ausgangspunkt der Arbeit war eine von PATRICK MÄDER aus der AG SCHLITZER dargestellte Biarylalkylcarbonsäure. Ausgehend von dieser Verbindung sollten Derivate dargestellt und diese in vitro an Schistosoma mansoni Paaren getestet werden. Im Rahmen dieser Arbeit konnten 170 verschiedene Derivate dargestellt und auf ihre biologische Aktivität hin untersucht werden. Dabei wurden zahlreiche Struktur-Wirkungs-Beziehungen (SAR) erhalten. Die adressierten Derivatisierungspunkte beinhalteten: • Derivatisierung der Carbonsäurefunktion durch die Synthese von Carbonsäure-amiden • Derivatisierung der Alkylkette am Thiophen durch die Reduktion der Keto-Carbonylgruppe, die Darstellung von Pentadien- und Benzoesäure-Derivaten und die Darstellung von Hydrazonen • Austausch des Thiophens durch ein Oxazol, Thiazol und Furan, sowie • Derivatisierung der Hydroxygruppe durch Darstellung von Sulfonsäure- und Carbonsäureestern Durch die SAR konnte erarbeitet werden, dass die Carbonylgruppe für die antischistosomale Aktivität nicht essenziell ist. Die Derivatisierung der Hydroxylgruppe führte zu einer Aktivitätssteigerung. Durch diese Modifikationen konnte die biologische Aktivität dieser Substanzklasse von 100 µM auf 10 µM erhöht werden. Als Nebenprojekt wurde die antischistosomale Aktivität der Ebselen-Substanzklasse untersucht. Ziel war es, sich zunächst mit der Chemie des Selens vertraut zu machen, einige Derivate darzustellen, diese gegen Schistosoma mansoni zu testen und anschließend zu evaluieren, ob eine Erforschung dieser Substanzklasse als sinnvoll erachtet wird. Im Rahmen dieser Promotion wurden sieben Ebselen-Derivate dargestellt. Diese zeichneten sich durch hohe antischistosomale Aktivität aus und bieten sich daher als neue antischistosomale Substanzklasse an. Von den sieben Derivaten waren vier bei einer Substanzkonzentration von 25 µM und eines bei 5 µM wirksam. Außerdem zeigten sie in Untersuchungen gute bis sehr gute neuroprotektive Eigenschaften (Kooperation mit AG CULMSEE). Diese Ergebnisse stellen unter Beweis, dass die Ebselen-Substanzklasse in zwei verschiedenen Indikationen (gegen Schistosomiasis und als Neuroprotektiva) vielversprechend ist und daher eine gründliche Erforschung dieser Substanzklasse sinnvoll erscheint.

Neurodegenerative Erkrankungen werden durch verstärkten neuronalen Zelltod verursacht. Apoptose ist die bekannteste Form des Zelltods und nach wie vor ein aktuelles Forschungsthema. Die Arbeitsgruppe von Pellechia entwickelte das neuroprotektive Molekül BI-6C9, welches ein Protein, das am Apoptose-Signalweg beteiligt ist, hemmen kann. BI-6C9 weist in vitro, jedoch nicht in vivo gute neuroprotektive Fähigkeiten auf. Nachteilig ist die schlechte Wasserlöslichkeit. Vorarbeiten in der Arbeitsgruppe Schlitzer identifizierten zwei Heterozyklen mit potenziell neuroprotektiven Strukturmerkmalen: 1-(4-Aminophenyl)-1H-pyrazolo[3,4-d]pyrimidin-4(5H)-on und 3-Phenylthiazolidin-2,4-dion. Sie wurden basierend auf dem Fragment BI-2A7 entwickelt, das Teil von BI-6C9 ist und selbst nur geringe neuroprotektive Fähigkeiten aufweist. Die neuroprotektiven Eigenschaften und die Toxizität aller Verbindungen wurden durch MTT-Tests in der Arbeitsgruppe Culmsee in Marburg getestet. Die synthetisierten Derivate der Pyrazolo[3,4-d]pyrimidinone umfassten Moleküle mit unterschiedlichen Substitutionsmustern am Arylrest in 1-Position sowie Derivate mit Substituenten in 6-Position. 3-Arylsubstituierte Thiazolidin-2,4-dione wurden mit verschiedenen Benzaldehyden kondensiert, um 3-arylsubstituierte 5-Benzylidenthiazolidin-2,4-dione zu erhalten. Die im Arbeitskreis Schlitzer begonnene Synthese von Substanzen, die auf der Struktur von BI-6C9 basierten, wurde erfolgreich fortgesetzt. Dies umfasste die Verwendung verschiedener Kopfgruppen sowie von Bausteinen mit fluoreszierenden oder antioxidativen Eigenschaften. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf Derivaten mit Aminosäureresten. Eine Vielzahl von Aminosäuren wurde mit vier verschiedenen Grundstrukturen umgesetzt, die sich in der phenylringverbindenden Gruppe unterschieden. Die entstandenen Substanzreihen wurden auf Struktur-Wirkungs-Beziehungen untersucht. Benzophenon- und Diphenylthioether-basierte Verbindungen zeigten meist nur geringe neuroprotektive Fähigkeiten, jedoch ausgeprägte Neurotoxizität. Die Verwendung von 4-(4-Nitrophenylsulfanyl)anilin als Edukt ergab Substanzen mit besserer Neuroprotektion, die jedoch immer noch stark neurotoxisch waren. Derivate, die ausgehend von N-Phenyl-p-phenylen-1,4-diamin mit verschiedenen Aminosäuren synthetisiert wurden, führten zu wasserlöslichen Verbindungen mit nur geringer oder keiner Neurotoxizität. Die neuroprotektiven Fähigkeiten dieser Substanzen begannen bei deutlich niedrigeren Konzentrationen im Vergleich zu vergleichbaren Verbindungen mit anderer Grundstruktur. Die besten getesteten Verbindungen zeigten neuroprotektive Wirkung bei deutlich niedrigeren Konzentrationen als BI-6C9, waren wasserlöslich und nicht neurotoxisch., The aim oft the present work was the development of new neuroprotective compounds to prevent apoptosis. Neurodegenerative diseases are caused by significantly increased neuronal cell death. Apoptosis is the best-known type of cell death and still a current research topic. The working group of Pellechia developed the neuroprotective molecule BI-6C9. BI 6C9 inhibits a proteine which is involved in the apoptosis signaling pathway and showed good neuroprotective abilities in vitro but not in vivo. A disadvantage is its poor water solubility. Preliminary work in the Schlitzer working group identified two heterocycles with potentially neuroprotective structural features, 1-(4-aminophenyl)-1H-pyrazolo[3,4-d]pyrimidin-4(5)-one and 3-phenylthiazolidine-2,4-dione. They were developed based on the fragment BI-2A7, which is part of BI-6C9 and shows little neuroprotective abilities itself. Neuroprotective abilities and toxicity of all compounds were tested in the Culmsee working group in Marburg. The synthesized derivatives of the pyrazolo[3,4-d]pyrimidinones included molecules with different substitution patterns on the aryl moiety in 1-position as well as derivatives with substituents in 6-position. 3-Arylsubstituted thiazolidine-2,4-diones were condensed with various benzaldehydes to obtain 3-arylsubstituted 5-benzylidene-thiazolidine-2,4-diones. Preliminary work based on a scaffold-hopping strategy included the synthesis of compounds based on BI-6C9 with changes in the different molecule building blocks, e.g. using phenoxyaniline instead of diphenylthioethers as starting material. Continued synthesis of BI-6C9-derived compounds including building blocks with fluorescent or antioxidative properties was performed successfully. Another focus was put on derivatives with amino acid moiety. A variety of amino acids was reacted with four different core structures differing in the group linking the phenyl rings to yield several compound series in order to establish structure-activity relationships. Benzophenone- and diphenylthioether-based compounds mostly showed low neuroprotective abilities and toxic effects. Using 4-(4-nitrophenylsulfanyl)aniline as starting material yielded substances with better neuroprotection but were still toxic. Derivatives based on N phenyl-p-phenylene-1,4-diamine and different amino acids resulted in water soluble, less neurotoxic compounds. The neuroprotective abilities of these substances started at lower concentrations compared to similar compounds with other phenyl-linking groups. The best compounds tested showed neuroprotective effects at ten-fold lower concentration compared to BI-6C9 in combination with water solubility.

Schistosomiasis is one of the most prevalent parasitic infections worldwide, affecting over 240 million people in the tropics and subtropics, while over 780 million people are at risk of infection. The disease is usually caused by one of three schistosome species mainly affecting human: S. japonicum, S. mansoni and S. haematobium. Since the 1980s, Praziquantel is the drug of choice for the treatment of schistosomiasis, because it is orally effective against all schistosome species with a one time treatment. However, the long-term utilization of one drug may result in drug-resistant parasites. Importantly, decreased susceptibility of S. mansoni and S. haematobium to Praziquantel has already been observed. Thus, there is an urgent need to develop novel antischistosomal compounds. Based on an initially tested series of compounds the substance class of biarylalkyl carboxylic acid derivatives was established as antischistosomal agents. In a first optimization series, the influence of the substitution pattern of the terminal phenyl ring was investigated. Introduction of a hydroxy substituent in position 3 of the terminal phenyl ring resulted in an increase of activity. New phenotypes were observed. In a second series, the influence of the chain length of the linker as well as the need of the carbonyl group in the linker was examined. Initial results indicated that the extension of the linker to a methylene unit resulted in a slight increase in activity. In the third optimization series, the carboxylic acid was functionalized. Improvement of activity was observed for the carboxamides. Combination of the most active residues resulted in a strong increase in activity and observation of new promising phenotypes. The efficacy against S. mansoni in vitro and the absence of toxicity make this class of compounds promising antischistosomal agents for future investigation. Based on the structure of disulfiram the substance class of dithiocarbamate derivatives was established as antischistosomal agents. First derivatives were synthesized with altered substituents of the sulfur of the dithiocarbamate. Especially the introduction of electron-poor, substituted benzyl residues at the sulfur of the dithiocarbamate resulted in a significant increase of activity. A total of 73 derivatives were synthesized. In this case, seven substituents have been found, and their introduction resulted in seven compounds with an activity up to a concentration of 10 µM. Three of the best seven derivatives showed also an activity at 5 µM. In vitro, these compounds are as effective as PZQ and revealing novel phenotypes. Following this, the influence of the substitution pattern at the nitrogen of the dithiocarbamate was investigated. Another 45 derivatives were synthesized. The introduction of (substituted) piperazine residues leading to an increase of activity. Imidazole-1-carbodithionates were also established as another promising class of compounds. A total of six imidazole derivatives are as effective as PZQ and revealed promising phenotypes. A total of 49 combinatorial derivatives were synthesized with the seven most effective substituents at the sulfur or the nitrogen of the dithiocarbamate. Six of these compounds were active at 5 µM, thus being as effective as PZQ again. Even at 1 µM, one of the derivatives exhibited clear antischistosomal activity. In a final optimization series the antischistosomal activity and the cytotoxic profile of the substance class of the dithiocarbamates were further improved. Especially the piperazinesulfonamide derivatives revealed a very good antischistosomal activity with promising phenotypes. Lethal effects occurred at low micromolar concentrations, which is a feature of this class of compounds. Two of the sulfonamide derivatives were also five times as effective as PZQ in vitro. All together, more than 300 dithiocarbamate derivatives were synthesized. By studies with adult schistosomes in an established in vitro model, 35 were selected which were effective against the worms at a concentration of 5 µM each or lower. Under the applied laboratory conditions, these compounds showed a significantly improved antischistosomal activity compared with PZQ. First structure activity relationships were also established. Multiple phenotypes were recorded. This suggested an effect of the compounds on one target molecule, which may be involved in different physiological processes, or different molecules organizing these processes. In either case this is very attractive with respect to applied aspects. Provided that different targets are hit by one single compound, or even a compound mix, this will significantly reduce the probability of resistance development because in that case more than one mutation has to occur at the same time under selection pressure. In addition, both classes of compounds may be modified extensively to provide other potential drug candidates for fighting schistosomiasis., Vernachlässigte Tropenerkrankungen beschreiben eine Gruppe von Infektionskrankheiten, welche mehr als 1,5 Milliarden Menschen betreffen und für schätzungsweise 550.000 Todesfälle pro Jahr verantwortlich sind. Ein enormer Teil dieser Erkrankungen wird durch Helminthen ausgelöst, wobei die durch Schistosoma spp. ausgelöste Schistosomiasis den größten Teil darstellt. Mit Praziquantel und Oxamniquin, welches nur gegen S. mansoni wirksam ist, stehen nur zwei Wirkstoffe zur Bekämpfung der Schistosomiasis zur Verfügung. Beide Wirkstoffe werden seit Jahrzehnten teils exzessiv eingesetzt. Erste Anzeichen für eine Resistenzentwicklung wurden bereits beobachtet. Die Entwicklung neuer antischistosomaler Wirkstoffe ist daher dringend notwendig. Basierend auf einer initial getesteten Serie wurde die Substanzklasse der Biarylalkylcarbonsäure Derivate als antischistosomale Wirkstoffe etabliert. In einer ersten Optimierungsserie wurde der Einfluss des Substitutionsmusters des terminalen Phenyl Rings untersucht, wobei die Einführung eines Hydroxy Substituenten in Position 3 des terminalen Phenyl Rings einen Anstieg der Aktivität zur Folge hatte. Neue phänotypische Effekte konnten beobachtet werden. In der zweiten Optimierungsserie wurde die Carbonsäure funktionalisiert. Die entsprechenden Carbonsäureamide zeigten eine gesteigerte antischistosomale Aktivität. Abschließend wurden die besten Substituenten jeder Serie miteinander kombiniert. Bis zu Konzentrationen von 25 µM kam es neben dem Auftreten mehrerer phänotypischer Effekte zu einem starken Anstieg der antischistosomalen Aktivität mit letalen Effekten. Die besten Derivate der Verbindungsklasse zeigen bis zu einer Konzentration von 10 µM eine deutliche antischistosomale Wirkung und weisen ein günstiges zytotoxisches Profil auf. Basierend auf der Grundstruktur des Disulfirams wurde die Substanzklasse der Dithiocarbamat Derivate als antischistosomale Wirkstoffe etabliert. Zunächst wurden Derivate mit veränderten Substituenten am Schwefel des Dithiocarbamats dargestellt. Dabei zeigte sich, dass vor allem die Einführung elektronenarmer, substituierter Benzylreste am Schwefel des Dithiocarbamats einen deutlichen Anstieg der antischistosomalen Aktivität zur Folge hatte. Es wurden insgesamt 73 Derivate dargestellt und in vitro getestet. Dabei wurden sieben Substituenten gefunden, deren Einführung eine Wirksamkeit bei einer Konzentration von 10 µM zur Folge hatte. Drei der besten sieben Derivate waren zudem bei 5 µM wirksam und somit der Wirksamkeit von Praziquantel ebenbürtig, wobei neuartige Phänotypen beobachtet wurden. Im Anschluss daran wurde der Einfluss des Substituenten am Stickstoff des Dithiocarbamats überprüft. Weitere 45 Derivate wurden dargestellt und in vitro getestet. Durch die Einführung eines (substituierten) Piperazin Strukturelements konnten neue Substitutionsmuster gefunden werden, deren Einführung ebenfalls einen Anstieg der antischistosomalen Aktivität zur Folge hatte. 49 kombinatorischen Derivate mit den jeweils sieben wirksamsten Substituenten am Schwefel beziehungsweise am Stickstoff des Dithiocarbamats wurden im Anschluss dargestellt und in vitro getestet. Sechs der 49 Verbindungen sind bei einer Konzentration von 5 µM aktiv und somit in vitro genauso wirksam wie Praziquantel. Ein Derivat zeigt auch bei einer Konzentration von 1 µM eine sehr gute antischistosomale Aktivität und ist somit um den Faktor 5 wirksamer als Praziquantel. In einer abschließenden Optimierungsserie wurden die antischistosomale Aktivität sowie das zytotoxische Profil der Substanzklasse der Dithiocarbamate weiter verbessert. Vor allem die Piperazinsulfonamid Derivate zeigen eine sehr gute antischistosomale Aktivität mit vielversprechenden Phänotypen. Zudem zeichnen die aufgetretenen letalen Effekte bei niedrigen mikromolaren Konzentrationen diese Substanzgruppe aus. Zwei der Sulfonamid Derivate sind ebenfalls um den Faktor 5 wirksamer als Praziquantel. Aus den über 300 dargestellten Dithiocarbamat Derivaten gingen 35 Verbindungen hervor, die bei einer Konzentration von 5 µM oder niedriger gut bis sehr gut wirksam waren und eine teils deutlich verbesserte antischistosomale Aktivität zeigten. Am Ende dieser Arbeit stellt eine Verbindung (Schl32329) das beste Derivat dieser Verbindungsklasse dar. Das Derivat zeigte bis zu einer Konzentration von 1 µM eine sehr gute antischistosomale Aktivität mit multiplen Phänotypen sowie einem letalen Effekt nach 72 Stunden. Zudem zeigte die Verbindung in beiden Zelllinien bei der höchsten gemessenen Konzentration von 100 µM keine zytotoxischen Effekte und weist damit einen Selektivitätsindex ≥ 100 auf. Die multiplen Effekte der Verbindungen lassen darauf schließen, dass eine Wirkung auf verschiedene Zielstrukturen anzunehmen ist. Zudem können beide Verbindungsklassen noch umfassend modifiziert werden, um weitere potentielle Wirkstoff Kandidaten für die Bekämpfung der Schistosomiasis bereit zu stellen.

Zur Behandlung der Infektionskrankheit Malaria sind nur wenige Arzneimittel erhältlich. Auf Grund zunehmender Resistenzentwicklung gegen diese Substanzen, ist es unabdingbar neue Zielstrukturen für künftige Wirkstoffentwicklung zu identifizieren. Wird ein Erythrozyt von einem Malariaparasiten infiziert, bilden sich die so genannten Novel Permeation Pathways bzw. New Permeability Pathways (NPP)in der Membran des Erythrozyten aus und machen diese durchlässig für verschiedene Substanzen. Die molekulare Identität der NPP ist noch nicht aufgeklärt. Allerdings könnten sie als neue Zielstruktur in der Arzneistoffentwicklung dienen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue Inhibitoren der NPP in P. falciparum infizierten Erythrozyten designt, synthetisiert und im iso-osmotischen Hämolyseassay getestet. Diese Substanzen können in drei Klassen eingeteilt werden: Biotin-, 2-Aminobenzoesäure- und Thiazolidin-2,4-dionderivate. Besonders die Aktivität der Thiazolidin-2,4-dionderivate zeigte sich vergleichbar mit den besten bisher bekannten Inhibitoren der NPP (z.B. NPPB). Jedoch führte jede Substanzklasse zu neuen Erkenntnissen über die NPP und den Einfluss verschiedener funktioneller Gruppen auf die NPP-Inhibition. Einige Verbindungen wurden konzipiert fluoreszierende Funktionalitäten zu tragen. Ihre Aufnahme in den infizierten Erythrozyten und ihre Verteilung in den einzelnen Kompartimenten konnte daher fluoreszenzmikroskopisch verfolgt werden. Die in dieser Arbeit aufgezeigten Syntheserouten ermöglichen eine schnelle Darstellung weiterer aktiver Derivate. Die hergestellten Verbindungen können für weitere Charakterisierung der molekularen Identität der NPP genutzt werden., Against the infectious disease malaria only a very limited number of active agents is available. Growing resistances against these substances urge the need to identify new targets for potential drug-candidates. When a red blood cell (RBC) is infected by a malaria-parasite so called New Permeability Pathways or Novel Permeation Pathways (NPP) are created within the RBC’s membrane and make it permeable to various substances. The molecular structure of the NPP has not yet been identified, but might serve as a new target in drug-discovery. Within this thesis new inhibitors of the NPP of RBCs infected with Plasmodium falciparum were designed, synthesized and tested in the iso-osmotic haemolysis assay. These substances can be categorised into three different classes: Derivatives of biotin, 2-aminobenzoic acid and thiazolidin-2,4-dione. Especially the activity of the thiazolidin-2,4-dione-derivatives proofed to be comparable to the best yet known inhibitors of the NPP (e.g. NPPB). However, each class helped acquire more knowledge about the NPP and the influence of different moieties on NPP-inhibition. Several compounds were designed carrying a fluorescent motive. Their uptake and distribution inside the infected RBCs could therefore be monitored by fluorescence microscopy. The synthesis routes described in this thesis will allow quick access to additional active derivatives. The synthesized compounds can be used for further identification of the molecular structure of the NPP.

Trypanosoma- und Leishmania-Parasiten lösen verheerende Infektionskrankheiten in den Tropen aus, die von der Weltgesundheitsorganisation zu den vernachlässigten Tropenkrankheiten gezählt werden. Die aktuell zugelassenen Chemotherapeutika erfüllen die an Arzneimittel zur Behandlung dieser Krankheiten gestellten Anforderungen zu einem großen Teil nicht. Obwohl die Forschungsaktivitäten in den letzten Jahren deutlich zugenommen haben, ist die Entwicklung neuer Wirkstoffe gegen die Parasiten dringend nötig. Paullon-N5-acetamide waren eine vielversprechende Wirkstoffgruppe gegen die einzelligen Erreger. Entsprechend substituierte Paullone hemmen die Proliferation der Protozoen durch eine Inhibition der Trypanothionsynthetase (TryS), eines essenziellen, an der parasitären Redoxhomöostase beteiligten und parasitenspezifischen Enzyms, das nicht in den Wirtsorganismen vorkommt. Paullone eignen sich jedoch nicht als mögliche neue Wirkstoffe, weil sie keine angemessenen Eigenschaften im Sinne der druglikeness besitzen und beispielsweise nur schlecht in wässrigen Medien löslich sind. Die wässrige Löslichkeit ist eine wichtige Eigenschaft von Arzneistoffen zur Behandlung von Tropenkrankheiten, denn die Arzneistoffe sollten aufgrund der infrastrukturellen Verhältnisse der betroffenen Länder oral appliziert werden können. Das Ziel dieser Dissertation war es, durch molekulare Operationen die Paullone so zu vereinfachen, dass Verbindungen entstehen, die die TryS inhibieren, das Parasitenwachstum unterdrücken und gleichzeitig eine verbesserte druglikeness und Löslichkeit besitzen. Im Rahmen der Arbeit wurden verschiedene Struktur-Aktivitäts- und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen rund um ein Strukturelement der Paullone, einen Indolylacetamid-Grundkörper, aufgestellt. So wurden Substituenten identifiziert mit denen die antiparasitäre Wirkung gegenüber Trypanosoma brucei brucei-Blutstromform-Parasiten und/oder die druglikeness-Eigenschaften modifiziert werden können. Viele der identifizierten antiparasitären Verbindungen besitzen jedoch eine hohe Lipophilie, die vermutlich zu deren mangelhafter wässriger Löslichkeit beiträgt. Dennoch wurden auch Verbindungen gefunden, die angemessene Löslichkeitseigenschaften besitzen. Nach vorläufigen Ergebnissen hemmt jedoch keine der untersuchten Verbindungen die ursprünglich als Zielenzym adressierte Trypanothionsynthetase von Leishmania infantum. Es sind also andere Zielstrukturen für die antitrypanosomale Wirkung verantwortlich. Die Ergebnisse der vorgelegten Arbeit können als Basis für die Entwicklung neuer Chemotherapeutika zur Behandlung parasitärer vernachlässigter Tropenerkrankungen dienen., Trypanosoma and Leishmania parasites cause devastating infectious diseases in the tropics, which are categorized by the World Health Organization as neglected tropical diseases. To a large extent, the currently approved chemotherapeutic agents do not meet the requirements placed on drugs for the treatment of these diseases. Although research activities have increased significantly in recent years, the development of new agents against the parasites is urgently needed. Paullone-N5-acetamides have been a promising group of agents against the unicellular pathogens. Appropriately substituted paullones inhibit protozoan proliferation by inhibiting trypanothione synthetase (TryS), an essential enzyme involved in parasitic redox homeostasis that is specific to parasites and does not occur in mammalian hosts. However, paullones are not suitable as potential new drugs because they lack appropriate properties in terms of druglikeness and, for example, are poorly soluble in aqueous media. Aqueous solubility is an important property of drugs for the treatment of tropical diseases, because the drugs should be able to be applied orally due to the infrastructural conditions of the affected countries. The aim of this dissertation was the structural simplification of paullones through molecular operations to find compounds that inhibit TryS, suppress parasite growth, and at the same time have improved druglikeness and solubility. As part of the work, various structure–activity and structure–property relationships were established around a structural element of paullones, an indolylacetamide backbone. Thus, substituents modifying antiparasitic activity against Trypanosoma brucei brucei bloodstream form parasites and/or druglikeness properties were identified. However, many of the identified antiparasitic compounds possess high lipophilicity, which probably contributes to their poor aqueous solubility. Nevertheless, compounds possessing adequate solubility properties were also found. However, according to preliminary results, none of the investigated compounds inhibits the trypanothione synthetase of Leishmania infantum, which was originally addressed as a target enzyme. Thus, other targets are responsible for the antitrypanosomal effect. The results of the presented work may serve as a basis for the development of new chemotherapeutic agents for the treatment of parasitic neglected tropical diseases.

Schistosomiasis oder Bilharziose ist eine Infektionskrankheit, die durch Saugwürmer der Gattung Schistosoma verursacht wird und zu akuten und chronischen Erkrankungen des Wirts führt, die insbesondere in armen Gemeinden in tropischen und subtropischen Gebieten erhebliche gesundheitliche und wirtschaftliche Auswirkungen haben. Aktuellen Schätzungen der Weltgesundheitsorganisation (WHO) zufolge benötigten im Jahr 2019 mindestens 236,6 Millionen Menschen eine präventive Behandlung, 105,4 Millionen wurden behandelt. Derzeit steht für diese Arzneistofftherapie nur ein einziges Medikament - Praziquantel (PZQ) – zur Verfügung. Aus diesem Grund müssen neue antischistosomale Verbindungen entwickelt werden. In enger Zusammenarbeit mit dem Labor von Prof. Grevelding wurden von der Gruppe von Prof. Schlitzer, ausgehend von dem früheren Medikament und Aldehyddehydrogenase-Hemmer Disulfiram, Dithiocarbamate mit antischistosomaler Aktivität gefunden. In diesen Vorarbeiten von Patrick Mäder und Georg A. Rennar wurden Substanzen mit in vitro antischistosomaler Aktivität im niedrigen mikromolaren Bereich identifiziert. Die vorliegende Arbeit stellt die Fortsetzung der Entwicklung der Dithiocarbamate und der eigenen Vorarbeiten des Autors auf dem Gebiet der strukturell verwandten Dithiocarbazate als potenzielle Anthelmintika dar. Im Mittelpunkt des ersten Teils der Arbeit stand die Untersuchung der biologischen Wirkung einer weiteren Verzweigung der Dithiocarbazat-Struktur. Zu diesem Zweck wurden zunächst die bestmöglichen unverzweigten Dithiocarbazat-Analoga identifiziert und anschließend weiter derivatisiert. Nach umfangreicher Optimierung der Synthesebedingungen konnten verzweigte Dithiocarbazate erhalten werden. Während sich N-unverzweigte Dithiocarbazate als weniger antischistosomal aktiv erwiesen als Dithiocarbamate, konnte die Aktivität durch weitere N-Substitution gesteigert werden. So wurden Verbindungen mit einer in vitro antischistosomalen Aktivität von 5 µM erhalten, womit sie im gleichen Aktivitätsbereich wie die besten Dithiocarbamate liegen. Die verzweigten Dithiocarbazate - mit einem N-Aminopiperazin - wurden aufgrund der aufwendigen Synthese vereinfacht. Die resultierenden verzweigten Dithiocarbamate - mit einem 4-Aminopiperidin - waren jedoch deutlich weniger wirksam. Der zweite Teil der Arbeit befasste sich mit der Weiterentwicklung der Dithiocarbamate. Bei dieser Substanzklasse ging es zunächst darum, die Nitrobenzylgruppe zu ersetzen und neue funktionelle Gruppen auf der Seite des Stickstoffsubstituenten zu evaluieren. Durch die Einführung von heteroaromatischen Substituenten wurde nur ein Derivat mit einer dem Nitrobenzyl-Derivat vergleichbaren Aktivität identifiziert. Der Austausch der Sulfonamid- oder S,S-Dioxid-Gruppen auf der Stickstoffseite gegen Sulfonimidamid- oder Sulfoximin-Strukturen führte zu einem drastischen Verlust an antischistosomaler Aktivität. Dieser Aktivitätsrückgang konnte durch weitere Substitution dieser neuen, medizinisch-chemisch interessanten funktionellen Gruppen nicht kompensiert werden. Da durch diese Modifikationen keine weiteren Entwicklungskandidaten identifiziert werden konnten, wurden insgesamt sieben, bereits in früheren Arbeiten erhaltene, Dithiocarbamate weiter charakterisiert. In Zusammenarbeit mit der Firma Merck KGaA wurden in vitro ADMET-Daten erhoben. Die meisten Verbindungen erwiesen sich als schlecht löslich, zeigten aber ansonsten keine wesentlichen limitierenden Eigenschaften. Anschließend wurden die beiden vielversprechendsten Kandidaten in einem in-vivo-Modell auf ihre antischistosomale Aktivität getestet. Leider erwies sich eine Verbindung als inaktiv und die andere als nur mäßig aktiv, gepaart mit einem hohen Toxizitätspotenzial. Da die beiden in vivo evaluierten Verbindungen keine Grundlage für die weitere Entwicklung boten, wurden in dieser Arbeit erste Ansätze für ein strukturbasiertes Inhibitor-Design einer schistosomalen Aldehyd-Dehydrogenase (ALDH) entwickelt. Darüber hinaus wurde durch die Synthese von fluoreszenzmarkierten Dithiocarbamaten und durch Docking-Studien eine mögliche Wirkungsweise der Dithiocarbamate untersucht. Darüber hinaus wurden potenzielle Metabolite eines Dithiocarbamat-Derivats synthetisiert und anschließend mittels NMR und Kristallstrukturanalyse charakterisiert., Schistosomiasis or bilharzia is an infectious disease caused by blood flukes of the genus Schistosoma and leads to acute and chronic conditions of the host, resulting in considerable health and economic effects especially in poor communities in tropical and subtropical areas. Recent estimates of the World Health Organization (WHO) showed that at least 236.6 million people required preventive treatment in 2019 with 105.4 million being treated. Since this large-scale treatment relies on only one single drug – praziquantel (PZQ) – new antischistosomal compounds need to be developed. In close collaboration with the lab of Prof. Grevelding, dithiocarbamates with antischistosomal activity were found by the group of Prof. Schlitzer, starting from the former drug and aldehyde dehydrogenase inhibitor disulfiram. In this preliminary work by Patrick Mäder and Georg A. Rennar substances with in vitro antischistosomal activities in the low micromolar range were identified. The present work represents the continuation of the development of dithiocarbamates and the author's own preliminary work in the field of structurally related dithiocarbazates as potential anthelmintics. The centrepiece of the first part of the work was the investigation on the biological effects of a further branching of the dithiocarbazate structure. To this end, the best possible unbranched dithiocarbazate analogs were first identified and then further derivatized. After extensive optimization of the synthesis conditions branched dithiocarbazates could be obtained. While N-unbranched dithiocarbazates were found to be less antischistosomally active than dithiocarbamates, the activity was increased by further N-substitution. Thus, compounds with an in vitro antischistosomal activity of 5 µM were obtained, placing them in the same activity range as the best dithiocarbamates. Due to the elaborate synthesis, the branched dithiocarbazates – containing a N-aminopiperazine – were simplified, but the resulting branched dithiocarbamates – containing a 4-aminopiperidine – were considerably less effective. The second part of the work concerned on the further development of the dithiocarbamates. In this substance class, the initial focus was on replacing the nitro benzyl group and on evaluating new functional groups on the side of the nitrogen substituent. By the introduction of heteroaromatic substituents only one derivative with an activity comparable to the nitro benzyl derivative was identified. The exchange of the sulfone amide or S,S-dioxide moieties on the nitrogen side for sulfonimidamide or sulfoximine structures led to a tremendous loss of antischistosomal activity. This decline in activity could not be compensated by further substitution of these new, medicinal-chemically interesting functional groups. Since no additional development candidates were identified through these modifications, a total of seven dithiocarbamates already obtained in earlier work were further characterized. In cooperation with Merck KGaA, in vitro ADMET-data were obtained and most of the compounds were found to be poorly soluble but otherwise showed no major limiting properties. Subsequently, the two most promising candidates were tested in an in vivo model for their antischistosomal activity. Unfortunately, one compound was found to be inactive and the other was only moderately active, paired with a high toxicity potential. Since the two compounds evaluated in vivo failed to provide a basis for further development, initial approaches for a structure-based inhibitor design of a schistosomal aldehyde dehydrogenase (ALDH) were developed in this work. In addition, by synthesis of fluorescence labelled dithiocarbamates and through docking studies a possible mode of action of the dithiocarbamates was investigated. Furthermore, potential metabolites of a dithiocarbamate derivative were synthesized and subsequently characterized by means of NMR and X-ray crystallography.

Since the beginning of the 21st century, there have been repeated large outbreaks caused by RNA viruses (EBOV, SARS-CoV-1, MERS-CoV, SARS-CoV-2, Zika virus). The Ebola epidemic in West Africa in 2014 and the ongoing COVID-19 pandemic (coronavirus disease 2019) represent a global threat to humanity and highlight the need for antiviral drugs to combat the current and future pandemics. Due to the high mutation rate of RNA viruses, the risk of developing resistance through new variants is always present, since RNA viruses can quickly adapt to new conditions. In this case, the inhibition of virus-specific proteins could lead to a loss of the efficacy of antiviral drugs. Addressing host factors with antiviral drugs, on the other hand, could minimize the risk of this resistance development. One promising target is the DEAD-box helicase eIF4A which is used by different RNA viruses for the translation of their viral proteins. As a natural eIF4A inhibitor, Silvestrol in particular is a very interesting target because it inhibits a broad spectrum of RNA viruses in a nanomolar range. Considering its potential as antiviral drug, it could also be used to treat new emerging viruses. An disadvantage is its complex structure and the resulting difficult synthesis. Therefore, this thesis focuses on the development of small molecules that have a similar structure and inhibition as Silvestrol, but are more drug-like. The main focus of this thesis was the synthesis of novel eIF4A-inhibitors by using a ligand and structure-based design with spotlight on two substance classes, sulfonamides and N-acylamino acid amides. From repetitive cycles of synthesis, testing and optimization through modifications of different components of the starting structures, important findings for the further development of the structures were drawn. The linear sulfonamides, based on a previous work, were optimized with the inclusion of molecular docking to obtain branched sulfonamides. Thereby, the unspecific inhibitory effect of the linear sulfonamides could be improved to a specific inhibitory effect. Compounds with a specific inhibitory effect on the translation were also identified among the N-acylamino acid amides resulting from a rational design. Two promising compounds derived from these two substance classes even showed an antiviral effect against the coronaviruses HCoV-229E and SARS-CoV-2, while another compound showed activity against the Rift Valley Fever Virus. Finally, the basis for future work in the field of N-acylamino acid amides and branched sulfonamides could be laid in the present dissertation., Seit Beginn des 21. Jahrhunderts kam es bereits wiederholt zu gro��en Ausbr��chen, die durch RNA-Viren (EBOV, SARS-CoV-1, MERS-CoV, SARS-CoV-2, Zika-Virus) ausgel��st wurden. So stellte die Ebola Epidemie 2014 in Westafrika und die aktuelle COVID-19-Pandemie (coronavirus disease 2019) eine globale Bedrohung f��r die Menschheit dar und verdeutlicht die Notwendigkeit antiviraler Wirkstoffe zur Bek��mpfung der jetzigen und zuk��nftiger Pandemien. Durch die hohe Mutationsrate der RNA-Viren besteht jedoch immer die Gefahr einer Resistenzentwicklung durch neue Varianten, da die RNA-Viren sich schnell an neue Bedingungen anpassen k��nnen. Eine Hemmung virusspezifischer Proteine k��nnte in diesem Fall zu einem Verlust der Wirksamkeit des antiviralen Wirkstoffs f��hren. Das Adressieren der k��rpereigenen Faktoren durch antivirale Wirkstoffe hingegen w��rde der Gefahr einer Resistenzentwicklung entgegenwirken. Ein vielversprechendes Zielmolek��l ist die DEAD-Box Helikase eIF4A, die von verschiedenen RNA-Viren zur Translation ihrer viralen Proteine genutzt wird. In Anbetracht dessen ist Silvestrol, ein nat��rlich vorkommender eIF4A-Inhibitor, sehr interessant, da es ein breites Spektrum von RNA-Viren im nanomolaren Bereich hemmt. Als potentieller antiviraler Wirkstoff birgt es somit viel Potential, da es auch zur Behandlung von neu auftretenden Viren eingesetzt werden k��nnte. Nachteilig ist nur seine komplexe Struktur und die damit einhergehende schwierige Synthese. Im Rahmen dieser Arbeit wurde folglich alternativ nach kleinen Molek��len gesucht, die eine ��hnliche Struktur und Hemmung wie Silvestrol aufwiesen, jedoch Wirkstoff ��hnlicher sind. Schwerpunkt dieser Arbeit war die Synthese neuartiger eIF4A-Inhibitoren mittels eines Liganden- und Struktur-basierten Designs. Aus sich wiederholenden Zyklen aus Synthese, Testung und Optimierung durch Modifikationen der unterschiedlichen Komponenten der Ausgangsstrukturen wurden wichtige Erkenntnisse zur Weiterentwicklung der Strukturen gezogen. Der Fokus lag auf zwei Stoffklassen, den Sulfonamiden und N-Acylaminos��ureamiden. Die linearen Sulfonamide beruhten auf einer vorangegangenen Arbeit und wurden im Verlauf der Promotion unter Einbeziehung von molekularem Docking zu der Stoffklasse der verzweigten Sulfonamide weiterentwickelt. Die unspezifische Hemmwirkung der linearen Sulfonamide wurde im Zuge dessen auf eine spezifische Hemmwirkung verbessert. Unter den aus dem rationalen Design entstandenen N-Acylaminos��ureamiden wurden ebenfalls Verbindungen mit einer spezifischen Hemmung der Translation identifiziert. Zwei vielversprechende Verbindungen aus den beiden Stoffklassen wiesen einen antiviralen Effekt gegen die Coronaviren HCoV-229E und SARS-CoV-2 auf, w��hrend eine weitere Verbindung eine Aktivit��t gegen das Rift-Valley-Fever-Virus zeigte. Abschlie��end konnte in der vorliegenden Dissertation die Grundlage f��r zuk��nftige Arbeiten auf dem Gebiet der N-Acylaminos��ureamide und der verzweigten Sulfonamide gelegt werden.

Apicomplexan parasites are the reason for some severe diseases in mankind such as malaria or toxoplasmosis. For malaria infections the medical options are running shorter due to resistances. A cure for latent toxoplasmosis is not available yet. Thus, the need for new drugs against new targets is urgent. The first part of the thesis is about the development of compounds with inhibitory activity towards the apicomplexan ferredoxin-ferredoxin-NADP(H)-reductase system. This redox-system is essential in apicomplexan parasites like Plasmodium and Toxoplasma and seems to be a promising drug target. 83 compounds out of six structural classes were synthesized and their and the activity of 42 other compounds against Toxoplasma gondii Ferredoxin-NADP(H)-reductase was measured in a photometric enzyme-assay. Chosen compounds were also measured in a lactate-dehydrogenase assay against P. falc. in a cell-based assay. Promising structural classes are benzothiazole-derivatetives and thiazolidinone-derivatives, which were derived from a herbizide structure. The measurement of these compounds were able to give us a hint about structure-activity-relationships. As a complete new active class of inhibitory molecules propagylic alkohols were found. The second part of the thesis is about addressing a host target to fight viral diseases. Viruses like the Ebola Virus use the eukaryotic translational system to replicate itself. Silvestrol is a natural compound that inhibits the eukaryotic initiation factor 4A (eIF4A). Computer-supported we designed and subsequently synthesised 43 compounds out of four structural classes which were measured in a cell-based assay for their activity against eIF4A. Triazine derivatives were able to inhibit eIF4A in micromolar range, hydantoine derivates were found as activators of eIF4A – just like isosorbide-derivatives. The third part is about targeting RNase P a bacterial enzyme involved in tRNA maturation. Addressing this enzyme with an inhibitor successfully would give us a new class of antibiotics, that is so urgently needed. We were able to synthesise diacylthiosemicarbazides and diacylsemicarbazides to check their inhibitory activity., Parasiten der Gattung Apicomplexa verursachen einige schwerwiegende Erkrankungen des Menschen. Darunter findet sich das Malariafieber sowie die Toxoplasmose. Die Behandlung einer Malariaerkrankung wird auf Grund aufkommender Resistenzen immer schwieriger. Eine Toxoplasmose kann derzeit nur in ihrer akuten Form behandelt werden, eine Behandlung der latenten Toxoplasmose ist noch immer nicht möglich. Dies zeigt auf, dass neue Arzneistoffe gegen neue Targets dringend benötigt werden. Der erste Teil der Doktorarbeit umfasst die Entwicklung von potentiellen Inhibitoren des apicoplastären Ferredoxin-Fereoxin-NADP(H)-Reduktase-Systems. Dieses Redox-System ist essentiell für Apicomplexa wie Plasmodium und Toxoplasma und scheint ein vielversprechendes Zielenzym zu sein. Es wurden 83 Verbindungen aus sechs Strukturklassen synthetisiert und auf ihre Aktivität, sowie die Aktivität von 42 weiteren Verbindungen gegen Toxoplasma gondii Ferredoxin-NADP(H)-Reduktase in einem photometrischen Enzymassay gemessen. Ausgesuchte Verbindungen wurden weiterhin in einem Lactat-Dehydrogenase-Assay auf ihre Aktivität gegenüber P. falc. gemessen. Vielversprechende Verbindungsklassen stellten Benzothiazolderivate und Thiazolidinonderivate dar, die von einer Herbizidstruktur abgeleitet wurden. Die Messung der Aktivität dieser Verbindungen konnte uns einen Einblick in Struktur-Wirkungs-Beziehungen geben. Propargylalkohole konnten als neue Substanzklasse mit inhibitorischer Aktivität identifiziert werden. Der zweite Teil der Doktorarbeit handelt von der Adressierung eines Wirtstargets zur Bekämpfung viraler Erkrankungen. Viren wie zum Beispiel das Ebola-Virus nutzen das eukaryontische Translationssystems um sich zu replizieren. Der Naturstoff Silvestrol inhibiert den eukaryontischen Initiationsfaktor 4A (eIF4A). Computer-unterstützt konnten wir Verbindungen gezielt gegen eIF4A entwerfen und 43 Verbindungen aus vier Strukturklassen synthetisieren sowie auf ihre Aktivität in einem Zell-basierten Assay gegen eIF4A messen. Triazinderivate konnten eIF4A im mikromolaren Konzentrationsbereich inhibieren, Hydantoinderivate und Isosorbidderivate erhöhten die (eIF4A-abhängige) Translationseffizienz. Der dritte und letzte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Adressierung von RNase P, einem bakteriellen Enzym, welches in die tRNA-Reifung involviert ist. Eine erfolgreiche Adressierung dieses Enzyms gäbe uns eine ganz neue Klasse von Antibiotika, die auf Grund steigender Resistenzen dringend benötigt wird. Wir konnten Diacylthiosemicarbazide und Diacylsemicarbazide synthetisieren und auf ihre Aktivität gegen RNase P testen.

Schistosomiasis is a neglected tropical disease and one of the most important parasitic diseases in terms of mortality and morbidity. The disease is caused through infection with blood flukes of the genus schistosoma. More than 700 million people in over 78 countries live in endemic areas and more than 200,000 deaths a year are due to this disease. Currently there are only two drugs available to combat schistosomiasis, Praziquantel and Oxamniquine, with Oxamniquine being only partially effective. The intensive use of these drugs for several decades led to an increased probability of resistance. Especially for Praziquantel, decreased sensitivity has been reported. Therefore, targeted research and development of new drugs is essential. In the Grevelding lab, the schistosomal aldehyde-dehydrogenase was identified as a potential drug target. First experiments with Disulfiram, which is a known inhibitor of the human aldehyde-dehydrogenase and used for treatment of alcohol dependence, were performed. At a concentration of 100 µM, good antischistosomal activity, including morphological effects (i.e. tegumental disruption) was observed for disulfiram (dimer of diethyldithiocarbamate). At the same time, cytotoxic effects occurred at concentrations of 25 µM leading to exclusion of disulfiram itself as drug candidate. Nevertheless, it was used as a starting point in the Schlitzer lab (P. Mäder) for structural modification. Thereby, the class of dithiocarbamates was chosen and further synthesis of several hundred compounds followed. The most active candidates were those with the N-atom of the dithiocarbamate substituted with a sulfonylpiperazine moiety (i.e. small alkyl and phenyl) and the single bonded S-atom carrying a para-nitrobenzyle substituent. In this work, further development of the sulfonylpiperazine derivatives was performed, by substituting the phenyl-moiety with electron-withdrawing and with electron-donating groups, who possess distinct steric requirements, additionally to which structure-activity relationships were established. The phenyl-moiety was also replaced by several heteroaromatics or fused ring systems. Furthermore, the substitution of the alkyl-group with small polar groups and synthesis of cycloalkyl substituents was carried out. In addition to sulfonamide derivatives, synthesis of asymmetrical substituted sulfuric acid diamides was pursued, since introduction of an additional nitrogen atom should be accompanied by better water solubility. For this purpose, a synthesis route starting from N,N'-sulfurylbisimidazole was established, which was used for the preparation of both tri- and tertra-substituted derivatives. As acylpiperazine derivatives showed good antischistosomal effects previously, piperazine-urea derivatives were considered as a secondary line for development in this work. To verify the necessity of the dithiocarbamate-skeleton, the heteroatoms therein were exchanged. Because of formation of highly reactive intermediates during biotransformation of the nitro-group, which in turn interact negatively with biomolecules, the nitro-group at the S-benzyl residue had to be placed by physiologically better tolerated residues. For this, several strategies were pursued: (1) monosubstitution with electron-withdrawing groups, (2) multisubstitution to produce a dipole moment comparable to that of the nitrophenyl substituent, (3) substitution with groups of similar geometry and ability to form comparable interactions, (4) substitution with groups of identical molecular shape and volume and approximately equal distribution of electrons, (5) substitution with π-electron-poor heteroaromatics. The best optimizations of all parts of the molecule were combined with each other, to check whether there is an additive relationship with respect to the antischistosomal activity when the optimized structural elements are combined. Taken together, approximately 280 novel compounds were synthesized and tested in vitro against schistosome pairs of the species S. mansoni. While ninety compounds were initially active at 10 µM, twenty-one compounds were still effective up to a concentration of 5 µM, and ten of these even at concentrations < 5 µM. Of a total of seventy-six derivatives for which cytotoxicity could be determined, thirty-three were non-cytotoxic at 100 µM. The most effective compounds are thus roughly comparable with Praziquantel in vitro but show different phenotypes. To determine the spectrum of action of the dithiocarbamtes, selected compounds were also tested against the juvenile stage of the parasite, other species such as S. japonicum and other helminths (Fasciola hepatica or Echinococcus multilocularis), and were particularly active. This was followed by further biological investigations (long-term tests, out-wash of inhibitors and confocal microscopic examinations of the internal schistosomal morphology). Finally, binding studies of dithiocarbamates using molecular docking on an established homology model of schistosomal aldehyde dehydrogenase and an in-silico based prediction of ADME-Tox parameters and a first up-scaling of the synthesis were performed., Die Schistosomiasis ist eine vernachlässigten Tropenerkrankungen und stellt nach Malaria eine der bedeutendsten parasitären Erkrankungen in Bezug auf Mortalität und Morbidität dar. Sie wird durch Saugwürmer der Gattung Schistosoma ausgelöst. Mehr als 700 Millionen Menschen in über 78 Ländern der Welt leben in Hochrisikogebieten, in denen der Parasit beheimatet ist und etwa 200.000 Menschen pro Jahr sterben an den Folgen einer Infektion. Mit Praziquantel und Oxamniquin, das jedoch nur eingeschränkt wirksam ist, stehen lediglich zwei Wirkstoffe zur Bekämpfung der Schistosomiasis zur Verfügung. Der intensive Einsatz dieser beiden nun schon seit Jahrzehnten auf dem Markt befindlichen Präparate führt jedoch zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Resistenzen. Insbesondere eine verminderte Sensibilität des Parasiten gegenüber Praziquantel wird immer häufiger beobachtet. Daher sind die Suche und gezielte Entwicklung neuartiger Wirkstoffe essenziell. Im Arbeitskreis Grevelding wurde die schistosomale Aldehyd-Dehydrogenase als mögliches drug target identifiziert und erste Experimente mit dem humanen Aldehyd-Dehydrogenase-Inhibitor Disulfiram, einem Arzneistoff zur Therapie der Alkoholabhängigkeit, durchgeführt. Bei einer Konzentration von 100 µM zeigte Disulfiram eine gute antischistosomale Aktivität verbunden mit morphologischen Veränderungen wie Tegumentschäden. Gleichzeitig traten ab einer Konzentration von 25 µM jedoch auch zytotoxische Effekte auf, sodass Disulfiram als antischistosomaler Wirkstoff ungeeignet ist. Aus diesem Grund wurde in der Arbeitsgruppe Schlitzer (P. Mäder) eine strukturierte synthetische Modifikation des Disulfirams durchgeführt, die zur Substanzklasse der Dithiocarbamat-Derivate führte. Im Weiteren entstanden mehrere hundert Verbindungen. Dabei zeigte sich, dass die beste Wirksamkeit erzielt wurde, sofern das Stickstoffatom des Dithiocarbamats durch einen Sulfonylpiperazinyl-Rest (kleine Alkyl-Reste sowie ein Phenylrest) ersetzt wurde und das einfach gebundene Schwefelatom einen para-Nitrobenzyl-Rest trug. In dieser Arbeit wurde nun zunächst die Weiterentwicklung der Sulfonylpiperazin-Derivate durch die Substitution des Phenylrestes mit elektronenziehenden und -schiebenden Gruppen, die zudem einen unterschiedlichen sterischen Anspruch besaßen vorangetrieben und Struktur-Aktivitäts-Beziehungen erarbeitet. Ebenso wurde der Phenylrest durch verschiedene Heteroaromaten oder annelierte Ringsysteme ersetzt. Weiterhin wurde an der Substitution des Alkylrestes mit kleinen polaren Gruppen und der Darstellung von Verbindungen mit Cycloalkylsubstituenten gearbeitet. Neben den Sulfonamid-Derivaten wurde auch die Synthese von unsymmetrisch substituierten Schwefelsäurediamiden verfolgt, da die Einführung eines weiteren Stickstoffatoms mit einer besseren Wasserlöslichkeit einhergehen sollte. Hierzu wurde zunächst eine Syntheseroute ausgehend von N,N'-Sulfurylbisimidazol etabliert, die sowohl zur Darstellung von tri- wie auch tertra-substituierten Derivaten genutzt wurde. Da in der vorhergehenden Arbeit auch in der Substanzklasse der Acylpiperazin-Derivate Verbindungen mit guter Wirksamkeit gefunden wurden, wurde als sekundäre Entwicklungslinie dieser Arbeit, die Substanzklasse der Piperazin-Harnstoff-Derivate auf ihre antischistosomale Wirkung untersucht. Darüber hinaus wurde ein Austausch der Heteroatome in der Dithiocarbamat-Grundstruktur vorgenommen, um die Notwendigkeit dieser zu überprüfen. Aufgrund der Tatsache, dass Nitro-Gruppen im Zuge der Biotransformation hochreaktive Intermediate bilden, die mit Biomolekülen wiederum nachteilig wechselwirken, galt es die Nitro-Gruppe am S-Benzylrest durch physiologisch besser verträgliche Reste abschließend ebenfalls zu ersetzten. Dies geschah unter anderem durch: (1) Monosubstitution mit elektronenziehenden Gruppen, (2) Multisubstitution zur Erzeugung eines des Nitrophenyl-Substituenten vergleichbaren Dipolmoments, (3) Substitution mit Gruppen ähnlicher Geometrie und Fähigkeit zur Ausbildung vergleichbarer Wechselwirkungen, (4) Substitution mit Gruppen mit identischer Molekülform und Volumen sowie ungefähr gleicher Verteilung der Elektronen, (5) Substitution mit π-elektronenarmen Heteroaromaten. Zusätzlich wurden die jeweils besten Optimierungen aller Molekülteile miteinander kombiniert, um zu überprüfen, ob bei Kombination der optimierten Strukturelemente ein additiver Zusammenhang in Bezug auf die antischistosomale Aktivität besteht. Insgesamt entstanden so etwa 280 neuartige Verbindungen, die zunächst in vitro gegen Schistosomenpaare der Art S. mansoni getestet wurden. Waren neunzig Verbindungen initial bei 10 µM aktiv, zeigten einundzwanzig Verbindungen immerhin noch eine Wirksamkeit bis zu einer Konzentration von 5 µM und davon wiederum zehn auch noch bei Konzentrationen < 5 µM. Die wirksamsten Verbindungen sind damit mit Praziquantel in vitro in etwa vergleichbar, zeigen aber andere Phänotypen. Ausgewählte Verbindungen wurden auch gegen das juvenile Stadium des Parasiten, andere Arten wie S. japonicum und weitere Helminthen (Fasciola hepatica oder Echinococcus multilocularis) getestet, um das Wirkungsspektrum der Substanzklasse der Dithiocarbamte in Gänze zu ermitteln und waren dabei in besonderem Maße aktiv. Es folgten weitergehende biologische Untersuchungen (Langzeittestungen, Auswaschungen der Inhibitoren und konfokalmikroskopische Untersuchungen der inneren Schistosomenmorphologie). Außerdem wurden Bindungsstudien der Dithiocarbamte unter Zuhilfenahme des molekularen Dockings an einem zuvor erstellten Homologiemodell der schistosomalen Aldehyd-Dehydrogenase und eine in-silico-gestützte Vorhersage von ADME-Tox-Parametern sowie ein erstes up-Scaling der Synthese vorgenommen.

Neuronal cell death is the underlying pathomechanism of several neurodegenerative diseases. Different stimuli trigger the programmed cell death via mitochondrial demise caused by members of the Bcl-2 family. One of the key players is the proapoptotic protein Bid (BH3 interacting domain death agonist). In 2004, the group of PELLECCHIA published the structure of a first inhibitor that resulted from a NMR-based fragment approach to target the interaction of Bid with other proteins. The substance BI-6C9 displayed strong protective effects against tBid-induced cell death in several in vitro experiments. Unfortunately, the compound showed no activity in vivo. In a first approach, three moieties of the model-substance were replaced by alternatives derived from a scaffold hopping strategy. This resulted in inactive compounds. In the present thesis the inactive structure was synthetically modified and lead back to the parent compound BI-6C9. It could be shown, that all replaced moieties are responsible for the high activity of the compound. Introduction of a nitro-group as substituent on the p-position of the aromatic sulphonamide shows the possibility of creating compounds with enhanced neuroprotective properties. Moreover, several series of smaller compounds were derived from the fragment 4- phenoxyaniline. A compound with promising neuroprotective features was the amide of 4-phenoxyaniline and piperidine-4-carboxylic acid. For further synthetic modifications, the molecule was subdivided into three moieties that were subsequently exchanged or modified, in order to obtain information about structure-activity-relationships. Variations of moiety C (piperidine-nitrogen) gave a heterogeneous picture. The most interesting derivatization of the piperidine nitrogen was an acylation with β-alanine. The compound displayed significant protective effects at a concentration of 1 µM in a model system of neuronal cell death, the toxicity of the compound was moderate. Since the piperidine-nitrogen seems to be associated with the toxic effect of the compounds, several replacements for moiety B were introduced. In a previous thesis, a derivative of 4-phenoxyaniline and succinic acid methyl ester showed considerable neuroprotective activity. In order to establish SAR, the length of the linker between the two carbonyl groups was modified and also moiety A (biaryl-motif). The influence of this moiety on the compounds activity was less important than in the other series. The linker length of succinic acid appeared to be suited. Also several antioxidant moieties were introduced as replacement for moiety B, with the aim to produce compounds with dual effects on the prohibition of cell death induced by oxidative stress. A derivative of 3,5-Dimethoxy-4-hydroxycinnamic acid displayed full protection of the neurons against glutamate-induced cell death in concentrations as low as 5 µM. An interesting replacement for the piperidine-4-carboxylic acid is tranexamic acid. In combination with 4-(4-nitrophenylsulfanyl)aniline as moiety A, a very potent com-pound could be synthesized. However, the high toxicity of the substance is not favourable for further development. In the last series, systematic modifications of moiety A were conducted. The linking group between the two aromatic rings was exchanged. An amino group and a thioether emerged as the most suitable replacement for the oxygen-atom of the parent compound. During the modifications of moieties B and C, substituents at the 4´ position of the biaryl-motif of moiety A have been introduced to get a first impression about the influence of this structural feature. In the last step, several structurally diverse groups were introduced on this position. Four substituents emerged as interesting combination partners for the other elements. A trifluormethyl group, a cyano group, a nitro group and an amino group lead to compounds with increased neuroprotective properties. In future experiments, combinations of the above mentioned structural elements will have to be synthesized. Derivatives of 4 (4 nitrophenylsulfanyl)aniline include a nitro group at the 4´-position of the biaryl-motif in combination with a thioether and displayed good neuroprotective activity. This example could be a prospect of additive or even synergistic effects., Ein Übermaß an Apoptose ist die grundlegende Ursache für die Entstehung verschiedener neurodegenerativer Erkrankungen. Das Protein Bid gehört der Familie der Bcl-2 Proteine an, die auf der Ebene der Mitochondrien eine zentrale regulatorische Funktion in der Apoptosekaskade einnehmen. Bid ist ein pro-apoptotisches Mitglied der Familie, das eine zentrale Rolle bei der Permeabilisierung der äußeren Mitochondrien-Membran einnimmt. 2004 gelang es der Gruppe von PELLECCHIA im Jahr 2004 einen ersten Inhibitor für das Protein zu synthetisieren. Die Verbindung zeigt eine hohe neuroprotektive Aktivität in vitro, versagte jedoch im Mausmodell. Vorarbeiten im Arbeitskreis SCHLITZER beschäftigten sich mit Strukturanaloga der oben genannten Verbindung. Alle modifizierten Elemente tragen zur Wirksamkeit der Verbindung bei. Die Einführung einer Nitrogruppe in p-Stellung zum aromatischen Sulfonamid steigert die Aktivität der Substanzen im MTT-Assay und liefert in Verbindung mit einer Nitrogruppe am Biaryl-Motiv potenteste Derivat der Reihe. Darüber hinaus wurden verschiedene Serien von Derivaten des 4-Phenoxyanilins synthetisiert. Die Verbindung aus 4-Phenoxyanilin und Piperidin-4-carbonsäure zeigte eine signifikante Protektion von HT-22 Neuronen im MTT-Assay und auch in zwei weiteren in vitro-Testsystemen für Bid-vermittelten Zelltod. Zur Etablierung von Struktur-Wirkungs-Beziehungen in Bezug auf die neuroprotektive Aktivität der Substanzen, wurde im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit das Ausgangsmolekül in drei Bereiche unterteilt, die nach und nach weiter untersucht wurden. Zunächst wurden weitere Substituenten am Piperidin-Stickstoff eingeführt, zum Teil auch schon in Verbindung mit einer Modifikation des Biaryl-Motivs. Die Einführung von Alkylsubstituenten am Piperidin-Stickstoff lieferte sowohl protektive, als auch inaktive Verbindungen. Kleine, hydrophile Reste steigerten die Aktivität. Die Acylierung des Piperidin-Stickstoffs lieferte meist unwirksame Substanzen. Nur hydrophobe, sterisch anspruchsvolle Reste oder Reste, die über Wasserstoffbrücken-Donor Funktionen verfügen, wurden toleriert. Die Toxizität der Liganden korreliert vor allem mit dem Vorhandensein des basischen Piperidin-Stickstoffs. Durch Variation in diesem Segment wurden mehrere Reihen an Verbindungen erhalten. Ein Austausch der Piperidin-4-carbonsäure gegen Tranexamsäure führte zu einer Reihe hochwirksamer Derivate, die jedoch deutlich toxischer als die entsprechenden Derivate der Piperidin-4-carbonsäure waren. Erste Modifikationen der exozyklischen Aminogruppe zur Verringerung der Toxizität lieferten inaktive Derivate. Aus dieser Reihe sticht besonders das entsprechende Derivat des 4-(4-Nitrophenylsulfanyl)anilins hervor. Aufgrund der hohen Toxizität erscheint die Struktur jedoch weniger interessant für eine weitere Entwicklung. Weiterhin wurden verschiedene Säuren direkt mit 4-Phenoxyanilin zu Amiden verknüpft. Neuoprotektive Derivate entstanden durch die Verknüpfung antioxidativer Substanzen mit dem neuroprotektiven Fragment 4-Phenoxyanilin. Alle Verbindungen zeigen eine gute Protektion der HT-22 Neuronen im MTT-Assay, die Amide sind deutlich wirksamer als die zur Synthese verwendeten Antioxidantien alleine. Eine weitere Reihe von Verbindungen basiert auf einem Derivat aus 4-Phenoxyanilin und dem Monomethylester der Bernsteinsäure. Der Einfluss des Abstands zwischen den beiden Carbonylgruppen wurde evaluiert und Varianten des Biaryl-Motivs eingeführt, die in vorangegangenen Synthesen eine Steigerung der Aktivität der Substanzen herbeigeführt hatten. Die Ausgangsverbindung weist bereits die optimale Kettenlänge auf. Eine moderate Steigerung der Aktivität konnte durch die Verwendung des mit einer Nitrogruppe am Aromaten substituierten Ethers bzw. Thioethers erreicht werden. Dieser Effekt ist in dieser Reihe jedoch deutlich schwächer ausgeprägt als beispielsweise bei den am Piperidin-Stickstoff alkylierten Verbindungen. Im letzten Schritt wurde auch das Biaryl-Motiv in den Fokus genommen. Hier wurde zunächst die Verbrückung der Aromaten untersucht. Der Austausch des Ethersauerstoffs gegen ein Schwefelatom und eine Aminogruppe lieferte Derivate mit einer deutlich erhöhten Aktivität im Vergleich zur Ausgangsverbindung. Die Einführung eines Substituenten in der 4´-Position wurde als nächstes untersucht. Die Substanzen mit dem besten Aktivitätsprofil waren mit einer Nitrogruppe, einem primären aromatischen Amin, einem Trifluormethylrest oder einer Cyanogruppe substituiert. Im nächsten Schritt können die besten Strukturelemente aus den verschiedenen Reihen kombiniert werden. Erste Kombinationen zeigen, dass ein gleichzeitiger Austausch von mehreren Strukturelementen zu einer signifikanten Steigerung der Aktivität führen könnte.

Malaria ist weltweit eine der bedeutendsten parasitären Erkrankungen, die unbehandelt zum Tod führen kann. Hervorgerufen wird sie durch Parasiten der Gattung Plasmodium. Der Erkrankung steht lediglich eine begrenzte Anzahl an wirksamen Medikamenten entgegen, deren Anwendungsbereiche durch Nebenwirkungen und Resistenzen weiter eingeschränkt werden. Mit der Entdeckung des parasitären Apikoplasten, einem speziellen Organell, das im evolutionären Verlauf durch sekundäre Endosymbiose aus einer Rotalge entstanden ist, erschlossen sich neue potentielle Angriffspunkte für die Malariatherapie mit Antibiotika. Diese zielen auf die housekeeping-Funktionen des Apikoplasten ab, welche für das Überleben des Parasiten essentiell sind. Viele Antibiotika zeigen einen verzögerten Wirktyp, den delayed death effect. Eines der möglichen Targets innerhalb des Apikoplasten ist die Peptiddeformylase, eine Metalloprotease, welche die hydrolytische Abspaltung des Formylrestes von Formylmethionin katalysiert. In einer vorhergehenden Arbeit konnten durch ein virtuelles Screening der ZINC-Datenbank drei Substanzen identifiziert werden, die IC50-Werte gegen den multiresistenten Dd2-Stamm von P. falciparum im nanomolaren Bereich aufweisen. Basierend auf den gefundenen Wirkstoffen werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit neu synthetisierte Verbindungen vorgestellt und Struktur-Wirkungs-Beziehungen abgeleitet. In diesem Zusammenhang wird zum einen untersucht, welchen Einfluss verschiedene funktionelle Gruppe auf die antiplasmodiale Wirksamkeit haben, zum anderen, wie sich die Verlängerung bzw. die Verkürzung der vorhandenen Alkylketten auf die Wirksamkeit und Selektivität auswirkt. Zusätzlich werden die Syntheserouten für die drei Wirkstoffe dargelegt., Malaria is one of the most important parasitic diseases worldwide and can lead to death if left untreated. It is caused by parasites of the genus plasmodium. Only a limited number of effective drugs are available for treatment. Moreover, their application areas are severely limited by side effects and drug resistances. As a new potential target a specific organelle has been described: the apikoplast. The endosymbiotic origin of this organelle explains its susceptibility to antibiotics. They are targeted on the housekeeping functions of the apikoplast which are essential for the survival of the parasite. Many antibiotics show a delayed type of action, the delayed death effect. One possible target within the apikoplast is the peptide deformylase, a metalloprotease that catalyzes the hydrolytic cleavage of the formyl group of formylmethionine. In a virtual screening of the ZINC database three compounds have been identified as possible leads. These inhibitors displayed IC50 values against the multidrug-resistant Dd2 strain of P. falciparum in a nanomolar range. Based on these three molecules this thesis presents newly synthesized derivatives which have been used to establish structure-activity relationships (SAR). The influence of different functional groups as well as the length of the alkyl chains has been the focus of this investigation. In addition, the synthetic routes for the three agents are presented.

Infektionen durch Apicomplexa zählen sowohl zu den häufigsten parasitären Erkrankungen als auch zu den häufigsten globalen Todesursachen des Menschen. Zu diesem Stamm gehören neben mehreren tausend weiteren Protozoen die Erreger der Malaria (Plasmodium spp.) und der Toxoplasmose (Toxoplasma gondii). Die Parasiten zeigen einen Generationswechsel mit komplexen asexuellen und sexuellen Entwicklungszyklen in verschiedenen Wirten. Inhibitoren der Fettsäuresynthese stellen hervorragende potenzielle Wirkstoffe gegen Infektionskrankheiten durch Apicomplexa dar: In diesen Organismen erfolgt die Synthese von Fettsäuren, wie in Pflanzen und Bakterien, durch separate Enzyme (Typ II FAS). Säugetiere verwenden dagegen zur Synthese von Fettsäuren ein großes, multifunktionales Enzym (Typ I FAS). Um einen derartigen Wirkstoff zu entwickeln, wurde zunächst ein Screening einer virtuellen Datenbank durchgeführt. Aus den Ergebnissen wurden acht strukturell heterogene potenzielle Inhibitoren ausgewählt und synthetisiert. Von diesen ist ein Salicylsäureamidderivat in niedriger mikromolarer Konzentration im zellbasierten Assay sowohl gegen intraerythrozytäre P. falciparum als auch gegen T. gondii Tachyzoiten wirksam. Im Folgenden gelang es, strukturbasiert Naphthoxyderivate mit einer verbesserten Wirkung sowohl gegen das Blut- als auch gegen das Leberstadium eines Malariaerregers zu entwickeln. Das aktivste Derivat ist sowohl im Blut- als auch im Wirkstadium in vitro dem in der Therapie etablierten Primaquin deutlich überlegen. Gleichzeitig eine dieser Verbindungen eine IC50 von unter 1 µM gegen T. gondii. Proliferation und Zelltod im Gewebe von Säugetieren sind gewöhnlich im Gleichgewicht. Der physiologische Zelltod von Neuronen tritt ausschließlich im Rahmen der pränatalen Entwicklung oder als pathologischer Prozess auf Grund von Krankheit auf. Programmierter neuronaler Zelltod wird mit dem pathologischen progredienten Verlust von Neuronen bei der Alzheimer-Krankheit, Parkinson und auch mit ischämischem oder traumatischem Insult in Verbindung gebracht. Der neuroprotektive Bid-Inhibitor BI-6C9 wurde von der Arbeitsgruppe von Maurizio Pellecchia entwickelt. Im Gegensatz zu den Ergebnissen aus in vitro Versuchen lässt sich jedoch in Tiermodellen für akute neuronale Schädigung kein protektiver Effekt für BI 6C9 messen. Um metabolisch labile Strukturelemente der Verbindung, die für die fehlende Wirkung von BI-6C9 in vivo verantwortlich sein können, zu substituieren, wurden strukturell heterogene kleine Moleküle entwickelt. Zunächst wurden Strukturelemente von BI-6c9 identifiziert, die für die pharmakologische Wirkung essenziell sind. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass sich einzelne, metabolisch labile Strukturelemente durch Bioisostere ersetzen lassen. Auf diese Weise wurden drei heterogene Substanzklassen mit neuroprotektiver Wirkung identifiziert. Eine dieser Verbindungen wurde zu einem Wirkstoff optimiert, der Ht-22 Zellen in niedriger mikromolarer Konzentration vor dem Zelltod schützt.

Malaria ist weltweit eine der bedeutendsten parasitären Infektionskrankheiten. Sie wird durch Protozoen der Gattung Plasmodium verursacht und durch den Stich einer weiblichen Anopheles-Mücke (Vektor) auf den Menschen übertragen. Der Ausbreitung der Malariaerkrankung steht ein begrenztes Arsenal an wirksamen Medikamenten gegenüber, deren Anwendung durch Resistenzentwicklung, Nebenwirkungen und mangelnde Verfügbarkeit in den hauptsächlich betroffenen Gebieten zusätzlich einschränkt wird. Daher besteht die dringende Notwendigkeit zur Entwicklung neuartiger Wirkstoffe. Der Arbeitskreis um Prof. Schlitzer beschäftigt sich bereits seit Längerem mit der Entwicklung von benzophenonbasierten Antimalariawirkstoffen. Vorangegangene Arbeiten resultierten in der Vorgabe eines 2-Acylamino-5-chlorbenzophenonderivats als Leitstruktur für die weitere Optimierung. Für eine systematische Vorgehensweise bei der Strukturabwandlung der Leitstruktur wurde diese formal in drei Molekülregionen unterteilt, diese wurden unabhängig voneinander variiert, um schließlich durch Kombination der jeweils aktivsten Funktionalitäten zu wirksameren Antimalariawirkstoffen zu führen. Somit ist es ohne die genaue Kenntnis des molekularen Targets im Rahmen dieser Arbeit gelungen, ausgehend vom 2-Acylamino-5-chlorbenzophenonderivat, allein durch klassische Strukturvariationen in Verbindung mit der Testung am kompletten Malariaparasiten P. falciparum, potente N-Acylanthranil-säureamidderivate zu entwickeln, die hinsichtlich ihrer Aktivität und Selektivität der Leitstruktur um ein Vielfaches überlegen sind. Auf dem Weg dahin sind diverse Strukturmodifikationen untersucht worden, so dass inzwischen zahlreiche Informationen zu Struktur-Wirkungsbeziehungen vorliegen., Malaria is one of the most important parasitic infectious diseases. It is caused by protozoa of the genus Plasmodium and is transmitted to humans by the bite of a female Anopheles mosquito (vector). The spread of malaria is accompanied by a limited arsenal of effective drugs, emerging drug resistance, severe side effects and lack of availability in the most affected areas. Hence there is an urgent need to develop new antimalarial drugs. The group of Prof. Schlitzer has been working on the development of antimalarial drugs based on a benzophenone-scaffold. Previous work resulted in a 2-acylamino-5-chlorobenzophenone derivative, as lead structure for further optimization. In order to achieve structural modifications systematically the lead compound was formally devided into three molecular regions. These were varied independently and the most active moieties were combined to finally yield more affective antimalarial drugs. Starting from a 2-acylamino-5-chloro-benzophenone derivative it was therefore possible to develop potent amides of N-acylanthranilic acid, without a detailed knowledge of the molecular target. Classical structural variation combined with biological evaluation in a whole-cell assay led to compounds, which are superior to the lead derivative in terms of activity and selectivity. Along the way, various structural modifications have been evaluated, so that there is now plenty of information on the structure-activity relationship.

Im Rahmen eines Industrieprojektes der Firma Beiersdorf wurde in enger Kooperation mit den Arbeitskreisen von Prof. Klebe und Prof. Röhm die Synthese neuartiger Inhibitoren der humanen Tyrosinase durchgeführt. Da von dem Enzym zu Beginn der synthetischen Arbeit keine Kristallstruktur zur Verfügung stand, wurde für rationales Wirkstoffdesign ein Homologie-Modell der Substratbindetasche erstellt, das auf den kristallographischen Daten der Catecholoxidase aus der Süßkartoffel, Ipomea batatas, und der Tyrosinase aus Streptomyces castanoeglobisporus beruht. Durch Docking-Studien und einer Suche in der CSD-Datenbank nach Di-Kupfer-Bindemotiven wurde eine Reihe von potentiellen Enzyminhibitoren erstellt, deren Entwicklung und Optimierung die Gewinnung eines potentiellen Wirkstoffkandidaten in absehbarer Zeit versprach. Das Hauptziel war es, dabei Strukturen zu finden, deren Inhibitorstärke nicht nur allein von der kupferbindenden Gruppe abhängt, sondern auch durch gerichtete Wechselwirkungen funktioneller Gruppen mit den Seitenketten bestimmter Aminosäuren der Substratbindetasche herbeigeführt wird. Die sukzessive Optimierung mehrerer, postulierter Ausgangsverbindungen sowie die nachfolgende Synthese von Verbindungsreihen erbrachten nicht den gewünschten Erfolg, da sich die Substanzen an der humanen Tyrosinase als inaktiv erwiesen. Aufgrund dieser Testergebnisse wurde die synthetische Arbeit an drei Verbindungs-klassen eingestellt, da die Aussichten, dort die angestrebten Wirkstoffkandidaten zu finden, als gering eingestuft wurden. Die Synthese weiterer Wirkstoffkandidaten ging von den bekannten Tyrosinase-Inhibitoren Kojisäure (12) und (L)-Mimosin (15) aus, deren Molekülgerüste sukzessiv variiert und erweitert wurden. Anhand der erhaltenen Meßergebnisse konnten wichtige Struktur-Wirkungs-Beziehungen abgeleitet und nachfolgend durch Docking-Untersuchungen bestätigt werden. So konnte gezeigt werden, dass die Hydroxymethyl-Partialstruktur der Kojisäure (12) in einen liphophilen Bereich der Substratbindetasche des humanen Enzyms ragt. Daraufhin wurde dieses Strukturelement gegen eine Thioether-Partialstruktur ausgetauscht. Das schwefelhaltige Derivat der Kojisäure 229 stach dabei besonders hervor, da es mit einem Ki = 18.6 µM ein potenterer Inhibitor ist, als der Standard Hexylresorcinol (19) (Ki = 26.1 µM). Der zweite Teil der vorliegenden Doktorarbeit beschäftigte sich mit der Synthese von Inhibitoren der Farnesyltransferase von P. falciparum. Im Gegensatz zu zuvor im Arbeitskreis Schlitzer entwickelten Benzophenon-basierten FTI´s, sollten die zukünftigen Inhibitoren eine Sulfonamid-Partialstruktur aufweisen und sich mehr „drug-like“ verhalten. Ausgehend von den Lösungen vorangegangener Docking-Studien hatte sich bereits eine Ausgangsverbindung 335 etabliert, deren Molekül-gerüst sukzessiv variiert und optimiert werden sollten. Auf diese Weise wurde das Sulfonamid-Derivat 389 erhalten, welches eine vielversprechende inhibitorische Wirkung in in vitro Testungen zeigte und sich um den Faktor 20 potenter erwies als die Ausgangsverbindung 335. Im Zuge der Optimierung von 335 sollten neben dem Austausch des Benzyl-Restes gegen andere aromatische Systeme außerdem noch Seitenketten eingeführt werden, die am Ende eine funktionelle Gruppe mit polarem und/oder basischem Charakter tragen, sowie der sogenannte „Metallanker“ modifiziert werden. Es wurden für beiden Fällen Substanzen erhalten, die sich um ca. um den Faktor 5 bzw. 10 potenter zeigten als die Ausgangsverbindung 335 (IC50 = 1200 nM). Betrachtet man die vorläufigen Testergebnisse so zeigt sich, dass die Hemmung der Farnesyltransferase ein trag- und ausbaufähiges Konzept für die Entwicklung neuer Wirkstoffe zur Behandlung von Malaria ist. Das zukünftige Ziel wird also die Entwicklung von Inhibitoren mit verbesserter Hemmstärke sein., Synthesis of novel inhibitors of human tyrosinase was carried out in close collaboration with the groups of Prof. Klebe and Prof. Röhm. The work was part of an industrial project funded by Beiersdorf. The crystal structure of the human enzyme has not been solved up to now. Therefore a homology model of the substrate binding site was generated for the purpose of rational drug design. The binding site model was on crystallographic data of the tyrosinase of Streptomyces castaneoglobisporus and the catechol oxidase of Ipomea batatas. Screening of CSD-data-base for di-copper-binding-motifs revealed several potential enzyme inhibitors, whose development and optimization should result in potential compounds in near future. The goal of the search was for structures, whose inhibitory principle should not exclusively on the copper-chelating group. Directed interactions with the side chains of certain amino acids in the substrate binding site should additionally enhance the inhibitory strength. Subsequent optimization of several postulated compounds was not successful, due to overall low inhibitory potential. Due to these results expectations were low to find the desired inhibitors. Therefore the synthesis of three of the four proposed compound classes was discontinued. Further lead structures were derived from the structure of the well-known tyrosinase inhibitors kojic acid (12) and (L)-Mimosine (15). Starting from these compounds their molecular scaffold was successively varied and enhanced. On the basis of results important structure-activity-relationships were discovered and subsequently verified by docking studies. It was shown that the hydroxymethylene structure of kojic acid (12) extents into a lipophilic area of the substrate binding site of the enzyme. Therefore this structural element was replaced by a thioether. The sulphur-containing derivative 229 was obtained, with has a Ki-value of 18.6 µM. This renders it a more potent inhibitor human tyrosinase than standard hexylresorcinol (19)(Ki = 26.1 µM). The second part of the thesis dealt with the synthesis of farnesyltransferase inhibitors (FTI´s) of Plasmodium falciparum. In contrast to FTI´s, which were developed earlier in the group of Prof. Schlitzer, inhibitors were based on a sulphonamide partial-structure and should be more drug-like. Previous docking-studies proposed starting compound 335, whose molecular scaffold should be successively varied and optimized. In this process sulphonamide-derivate 389 was obtained, whose inhibitory activity in-vitro testing was more potent by a factor of 20 than the lead compound 335. In the course of the improvement of 335 the benzyl substituent was exchanged for aromatic or a diversity of other side chains. These substituents contained terminal groups with polar and/or basic character. Moreover the metal tie, the imidazole containing part of the molecule, was modified. Both variations led to substances, which were more potent by a factor of 5 respectively 10 than lead compound 335 (IC50 = 1200 nM). Considering the preliminary results it can be said, that inhibition of the farnesyl-transferase is a promising concept for the optimization of new drugs to treat Malaria infections. The long-term objective is the development of inhibitors with improved inhibitory activity.

Infectious diseases are a serious threat for the health of mankind. Especially in the developing countries people are affected with the most important parasitic illnesses as Malaria, Trypanosomiasis and Leishmaniasis. All these diseases are caused by infection with different kinds of protozoa. Due to the increasing occurrence multi-resistant parasites and the high toxicity of some of the substances used for treatment an urgent need exists for new active drugs against these threats. In the recent years, farnesyltransferase was established as a new drug target in the development of new antiprotozoals. The group of Prof. Schlitzer works on the development of farnesyltransferase inhibitors based on a benzophenone-scaffold since a long time. The first assignment of this thesis was the completion of some series of farnesyltransferase inhibitors. After the synthesis, all these compounds were tested on their activity against Plasmodium falciparum, Trypanosoma cruzi and T. brucei brucei as well as against Leishmania amazoniensis and braziliensis. As an interesting result it turned out that the most active compounds against Plasmodium falciparum only displayed a weaker activity against Trypanosoma cruzi. During the development of the farnesyltransferase-inhibitors, an analogy of these benzophenone-derivatives with well-known propafenone-based inhibitors of the human multidrug-resistance transporter (hMDR) was conspicuous. Apart from humans, many parasites have such special types of membrane-transport proteins too. With these transporters the parasites are able to get rid of toxic by-products of the cellular metabolism or xenobiotics by effluxing these substances out of the cells. With this method they are able to keep the concentration of drugs in the cell in a subtherapeutic range. In a first test-series two intermediates of the farnesyltransferase-inhibitor synthesis have been tested because of their structural similarity to the propafenone-derivatives upon their activity against the hMDR-transporter. All these substances from this first series showed an activity from the low micromolar range down to 300 nM. By variations of different molecular scaffolds, two substances with an excellent activity (EC50 = 36 i.e. 64 nM) against the hMDR-protein have been developed. To evaluate if the hMDR-inhibitors have an additional anti malaria effect, each substance was tested upon their activity against the multiresistant Dd2-strain of Plasmodium falciparum. Some compounds were able to inhibit the parasites with an IC50 = 110 nM. Due to their structural similarity with literature-known hMDR-Inhibitors and because of the partially excellent activity against hMDR-proteins, it can be speculated that their molecular structural target might be the P-glycoproteine-homolog 1 (Pgh1). Pgh1 is the hMDR-analogon in Plasmodium falciparum species. To proof if the compounds display an activity on Pgh1 too they were tested with a fluorescence-microscopical-assay in cooperation with the University of Heidelberg. One of these most active compounds displayed a partial inhibition of the Pgh1-protein., Infektionskrankheiten stellen eine ernste Bedrohung für die Gesundheit der Menschheit dar. Vor allem in Entwicklungsländern leben viele Betroffene bedeutender parasitärer Erkrankungen, wie beispielsweise der Malaria, der Trypanosomiasis und der Leishmaniose. Alle drei Infektionskrankheiten werden durch die Infektion mit Protozoen hervorgerufen. Aufgrund des immer häufigeren Auftretens von multiresistenten Erreger-Stämmen und der zum Teil gravierenden Toxizität der eingesetzten Wirkstoffe, besteht ein dringender Bedarf neue Wirkstoffe gegen diese Bedrohungen zu entwickeln. In den vergangenen Jahren wurde die Farnesyltransferase (FTase) als neue Zielstruktur für die Entwicklung neuartiger antiparasitärer Wirkstoffe etabliert. Da sich der Arbeitskreis um Prof. Schlitzer seit Längerem mit der Entwicklung von Farnesyltransferase-Inhibitoren (FTI) basierend auf einem Benzophenongerüst beschäftigt, bestand eine Aufgabe im Rahmen dieser Dissertation darin, die in vorangegangenen Arbeiten begonnenen FTI-Serien zu ergänzen. Diese wurden im Anschluss auf Wirkung an Plasmodium falciparum beziehungsweise Trypanosoma cruzi, Leishmania amazoniensis und Leishmania braziliensis, den Erregern der schweren Verlaufsform der Malaria, respektive der Chagas-Krankheit (amerikanische Trypanosomiasis) und den Erregern der Leishmaniose getestet. Besonders interessant war dabei, dass Verbindungen, die eine gute Aktivität gegen Plasmodium falciparum zeigten, eine eher schwächere Wirksamkeit gegen Trypanosoma cruzi aufwiesen. Im Laufe der Entwicklung der FTI’s fiel die Analogie der Inhibitoren mit den als Inhibitoren des humanen Multidrug-resistance Transporters (hMDR) literaturbekannten Propafenonderivaten auf. Neben den Menschen haben auch zahlreiche Parasiten diese speziellen Typen von Membran-Transportproteinen die toxische Nebenprodukte des zellulären Metabolismus oder Fremdstoffe aus der Zelle ausschleusen. Dadurch dass die Wirkstoffkonzentration durch diese Transporter im subtherapeutischen Bereich gehalten wird, besteht gegenüber den häufig in der Therapie eingesetzten Wirkstoffen eine Multiresistenz. In einer ersten Testserie wurden so zwei, als Zwischenstufen bei der Synthese der oben genannten FTI´s anfallende Benzophenonderivate, aufgrund ihrer strukturellen Ähnlichkeit mit den Propafenonderivaten auf Wirksamkeit am hMDR-Transporter untersucht. Aus dieser Serie resultierten Substanzen mit einem Aktivitätsspektrum von einem EC50 im niedrigen micromolaren Bereich, bis hin zu einer Aktivität von etwa 300 nM. Durch Variationen an verschiedenen Molekülteilen konnten im Rahmen dieser Dissertation zwei Verbindungen mit sehr guter Wirksamkeit (EC50 = 35 bzw. 64 nM) am hMDR-Transporter entwickelt werden. Um abzuklären, ob die MDR-Inhibitoren zusätzlich zu ihrer inhibitorischen Wirkung auf den hMDR-Transporter noch eine Antimalaria-Aktivität besitzen, wurden die Verbindungen an der Universität Heidelberg am multiresistenten Plasmodium falciparum Dd2-Stamm auf ihre Wirksamkeit getestet. Auch hier zeigten die Derivate zum Teil eine gute Aktivität mit IC50-Werten bis 110 nM. Aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit mit literaturbekannten wirksamen MDR-Inhibitoren und der zum Teil guten Aktivität gegen humane MDR-Transporter kann vermutet werden, dass es sich bei der Zielstruktur der Benzophenonderivate möglicherweise um das P-Glycoprotein-Homolog 1 (Pgh1) handelt. Das Pgh1 ist quasi das hMDR-Transporter-Analogon bei Plasmodium falciparum. Um zu evaluieren, ob die Benzophenonderivate einen zusätzlichen Einfluss auf die Aktivität von Pgh1 in P. falciparum haben, wurden die lebenden Plasmodium falciparum-Parasiten in ihren Wirtszellen zusätzlich an der Universität Heidelberg fluoreszenzmikroskopisch untersucht. Es konnte eine partielle Inhibition des Pgh1 nachgewiesen werden.