DE ZOEKTOCHT NAAR SUIKER, BASE EN FOSFAAT GEMODIFICEERDE NUCLEOSIDEN MET ACTIVITEIT TEGEN RNA VIRUSSEN

Structurele variatie van natuurlijke nucleos(t)iden levert nieuwe nucleoside en nucleotide analogen op met een brede waaier aan biologische eigenschappen, zoals antitumorale, antivirale en immunosuppressieve activiteiten. Nucleoside analogen en de overeenkomstige prodrugs zijn een belangrijke klasse antivirale geneesmiddelen die klinisch worden aangewend voor de behandeling van virale infecties, veroorzaakt door verschillende DNA en RNA virussen, zoals het herpes simplex virus (HSV), het ‘humane immunodeficiency virus (HIV)’ en het hepatitis C virus (HCV). Intracellulair worden deze nucleoside analogen gefosforyleerd tot hun farmacologisch actieve metabolieten, die interfereren met de virale replicatie. Doordat ze geïncorporeerd worden in een groeiende virale nucleïnezuur keten, leidt dit uiteindelijk tot vroegtijdige beëindiging van de keten elongatie, met inhibitie van de virale replicatie tot gevolg. Vermits de actieve plaatsen van deze virale polymerases sterk geconserveerd zijn, hebben de nucleos(t)ide analogen vaak een breed-spectrum antivirale activiteit. De ontwikkeling van nieuwe antivirale geneesmiddelen met breed-spectrum antivirale activiteit is cruciaal om (terug) opkomende virale infecties te behandelen. De invoering van structurele diversiteit door chemische modificatie van de natuurlijke nucleos(t)iden is een veelbelovende strategie om het huidig arsenaal van antivirale nucleoside analogen uit te breiden en is een belangrijke stap in de ontwikkeling van nieuwe antivirale geneesmiddelen.

De focus van deze doctoraatsthesis is de identificatie van nieuwe nucleoside analogen met potente en selectieve (i.e. zonder cytotoxiciteit) antivirale activiteit. Hiertoe werden specifieke structurele variaties aangebracht in het skelet van het natuurlijke nucleoside, zoals 4’-gesubstitueerde analogen van het antitumorale geneesmiddel gemcitabine, 6- en 6,7-gesubstitueerde derivaten van het antibioticum tubercidine (7-deazaadenosine), 7-gesubstitueerde 4-aza-7,9-dideazaadenosine C-nucleoside analogen en l/d-4’-thionucleoside fosfonaat derivaten.

De synthese van de 4’-gesubstitueerde gemcitabine analogen, alsook van de corresponderende fosforamidaat prodrugs is beschreven in Hoofdstuk 2. Hierbij werd het 4’,5’-onverzadigde 2’,2’-difluoro-2’-deoxyuridine gebruikt als sleutelintermediair voor de stereoselectieve invoering van methoxy en fluor groepen op de 4’-positie. De antivirale activiteit van deze verbindingen werd bepaald tegen verschillende DNA virussen, zoals het varicella zoster virus (VZV) en het human cytomegalovirus (HCMV). Daarenboven werd ook de antivirale activiteit tegen het ‘severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2)’ bepaald. Het 4’-fluorogemcitabine vertoonde potente antivirale activiteit tegen VZV (EC50 = 0.042 mM), maar was ook behoorlijk cytotoxisch (EC50 = 0.11 mM). De corresponderende fosforamidaat prodrug vertoonde een verbeterde selectiviteitsindex (SI50 = 36). Spijtig genoeg was geen enkele van deze verbindingen actief tegen SARS-CoV-2.

In Hoofdstuk 3 wordt de synthese van 6-gesubstitueerde en 6,7-digesubstitueerde analogen van 7-deazaadenosine beschreven. De invoering van een brede waaier aan substituenten op de 6-positie was mogelijk via metaal-gekatalyseerde koppelingsreacties in de aanwezigheid van Fe, Cu of palladium-gebaseerde katalysatoren. Beide series base-gemodificeerde 7-deazaadenosine derivaten werden onderzocht voor hun antivirale activiteit tegen een panel van RNA virussen, waarbij ook de cytotoxiciteit werd nagegaan. De 6-isopropyl, 6-(4-isopropyl)phenyl en 6-(4-fluorophenyl)ethynyl analogen vertoonden zeer potente en selectieve antivirale nanomolaire activiteit tegen het humaan norovirus (HuNoV) in een replicon systeem. Het 6-cyclopropylethynyl analoog had breed-spectrum activiteit tegen een aantal verschillende RNA virussen, zoals het gele koorts virus, het ‘Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV)’, het mazelen virus en het tacaribe virus. Het 6-ethyl- and 6-ethyl-7-fluoro-7-deazaadenosine waren zeer actief tegen het influenzavirus, zonder noemenswaardige cytotoxiciteit. Dit onderzoek toont aan dat de invoering van kleine structurele wijzigingen in de nucleobase van 7-deazaadenosine een veelbelovende strategie is om potente en breed-spectrum inhibitoren van RNA virussen te ontdekken.

In Hoofdstuk 4 werd een aantal 7-gesubstitueerde analogen van het C-nucleoside 4-aza-7,9-dideazaadenosine bereid uitgaande van 7-iodo-4-aza-7,9-dideazaadenosine via palladium-gekatalyseerde koppelingsreacties. Biologische evaluatie leerde ons dat de 7-vinyl- en 7-(4-methylstyryl)-4-aza-7,9-dideazaadenosine analogen antivirale activiteit tegen SARS-CoV-2 vertoonden in de laag micromolaire range. Vooral 7-(4-methylstyryl)-4-aza-7,9-dideazaadenosine had een mooie selectiviteitsindex (SI50 = 150) in Vero 76 cellen. Optimalisatie van de antivirale potentie en studies om het moleculaire doelwit te ontrafelen zullen het onderwerp uitmaken van verder onderzoek.

In het laatste deel van deze doctoraatsthesis (Hoofdstuk 5) wordt de synthese beschreven van 4’-thionucleoside fosfonaat analogen, die zowel een monothioacetaal als een thioaminal groep bezitten. Een 4-thiofuranosyl donor zonder een 4’-hydroxymethyl groep werd gebruikt als intermediair voor de invoering van een fosfonaat groep via een Lewis-zuur gekatalyseerde glycosylering. Na oxidatie van het zwavel atoom werd de uracil nucleobase geïntroduceerd op de anomere positie via een Pummerer reactie, wat uiteindelijk leidde tot de vorming van zowel de monothioacetaal als de thioaminal functionaliteiten van een l-4’-thiouridine fosfonaat. Deze synthese route geeft ons belangrijke inzichten voor de bereiding van de, tot-op-heden, ongekende l/d-4’-thionucleoside fosfonaten.