Chemoenzymatic synthesis of 2,6-disubstituted tetrahydropyrans with high σ1 receptor affinity, antitumor and analgesic activity

Abstract

1,3-Dioxanes 1 and cyclohexanes 2 bearing a phenyl ring and an aminoethyl moiety in 1,3-relationship to each other represent highly potent σ1 receptor antagonists. In order to increase the chemical stability of the acetalic 1,3-dioxanes 1 and the polarity of the cyclohexanes 2, tetrahydropyran derivatives 3 equipped with the same substituents were designed, synthesized and pharmacologically evaluated. The key step of the synthesis was a lipase-catalyzed enantioselective acetylation of the alcohol (R)-5 leading finally to enantiomerically pure test compounds 3a-g. With respect to σ1 receptor affinity and selectivity over a broad range of related (σ2, PCP binding site) and further targets, the enantiomeric benzylamines 3a and cyclohexylmethylamines 3b represent the most promising drug candidates of this series. However, the eudismic ratio for σ1 binding is only in the range of 2.5–3.3. Classical molecular dynamics (MD) simulations confirmed the same binding pose for both the tetrahydropyran 3 and cyclohexane derivatives 2 at the σ1 receptor, according to which: i) the protonated amino moiety of (2S,6R)-3a engages the same key polar interactions with Glu172 (ionic) and Phe107 (π-cation), ii) the lipophilic parts of (2S,6R)-3a are hosted in three hydrophobic regions of the σ1 receptor, and iii) the O-atom of the tetrahydropyran derivatives 3 does not show a relevant interaction with the σ1 receptor. Further in silico evidences obtained by the application of free energy perturbation and steered MD techniques fully supported the experimentally observed difference in receptor/ligand affinities. Tetrahydropyrans 3 require a lower dissociative force peak than cyclohexane analogs 2. Enantiomeric benzylamines 3a and cyclohexylmethylamines 3b were able to inhibit the growth of the androgen negative human prostate cancer cell line DU145. The cyclohexylmethylamine (2S,6R)-3b showed the highest σ1 affinity (Ki(σ1) = 0.95 nM) and the highest analgesic activity in vivo (67%).

Los 1,3-dioxanos 1 y los ciclohexanos 2, con un anillo fenilo y una fracción aminoetilo en relación 1,3, representan antagonistas muy potentes del receptor sigma-1. Para aumentar la estabilidad química de los 1,3-dioxanos acetálicos 1 y la polaridad de los ciclohexanos 2, se diseñaron, sintetizaron y evaluaron farmacológicamente derivados de tetrahidropirano 3 con los mismos sustituyentes. El paso clave de la síntesis fue una acetilación enantioselectiva del alcohol (R)-5, catalizada por lipasa, que finalmente dio lugar a los compuestos de prueba enantioméricamente puros 3a-g. Con respecto a la afinidad y selectividad del receptor sigma-1 en una amplia gama de dianas relacionadas (sigma-2, sitio de unión de PCP) y otras dianas, las bencilaminas enantioméricas 3a y ciclohexilmetilaminas 3b representan los fármacos candidatos más prometedores de esta serie. Sin embargo, la razón eudísmica para la unión de sigma-1 se encuentra solo en el rango de 2,5-3,3. Las simulaciones de dinámica molecular (MD) clásica confirmaron la misma posición de unión para los derivados de tetrahidropirano 3 y ciclohexano 2 en el receptor sigma-1, según la cual: i) la fracción amino protonada de (2S,6R)-3a participa en las mismas interacciones polares clave con Glu172 (iónico) y Phe107 (catión), ii) las partes lipofílicas de (2S,6R)-3a se alojan en tres regiones hidrofóbicas del receptor 1, y iii) el átomo de O de los derivados de tetrahidropirano 3 no muestra una interacción relevante con el receptor 1. Evidencias adicionales in silico obtenidas mediante la aplicación de perturbación de energía libre y técnicas de MD dirigida respaldaron plenamente la diferencia observada experimentalmente en las afinidades receptor/ligando. Los tetrahidropiranos 3 requieren un pico de fuerza disociativa menor que los análogos de ciclohexano 2. Las bencilaminas enantioméricas 3a y ciclohexilmetilaminas 3b inhibieron el crecimiento de la línea celular de cáncer de próstata humano andrógeno-negativo DU145. La ciclohexilmetilamina (2S,6R)-3b mostró la mayor afinidad sigma-1 (Ki(sigma-1) = 0,95 nM) y la mayor actividad analgésica in vivo (67%).