Design and Synthesis of Novel Branched Nucleoside Analogues as Antiviral Agents

Abstract

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Design and Synthesis of Novel Branched Nucleoside Analogues as Antiviral Agents

류 련 금 지도교수: 홍 준 희 약학과 조선대학교 대학원

뉴클레오시드 유도체는 바이러스 생활주기에서 DNA/RNA의 합성을 억제하기 위하여 디자인된 항바이러스제이다. 이러한 약물들은 천연적인 뉴클레오티드와 아주 비슷한 구조를 나타내고 있다. 뉴클레오시드는 항바이러스계중에서 최다 사용빈도를 나타내는 효과적인 약물로서 현재 20여종의 약물들이 바이러스에 의한 병을 치료하는데 사용되거나 몇몇의 임상실험 후보물질로 등극되고 있다. 뉴클레오시드 유도체는 대체로 푸린 유도체이거나 피리미딘 유도체이다. 이러한 약물의 구조는 천연적으로 존재하는 뉴클레오시드와 밀접한 공통점이 있다. 예를 들어 지도부딘, 스타부딘, 아시클로비어, 디다노신, 잘시타빈, 타미부딘 등을 포함하고 있다. 카보사이클릭 뉴클레오시드는 항바이러스, 항종양 작용과 같은 광범위한 생물학적 활성을 가지고 있을 뿐 만 아니라 카보사이클릭 뉴클레오시드는 약물이나 효소의 가수분해에 대한 대사과정에서의 높은 안정성도 가지고 있다. 새로운 약물-내성을 가지는 바이러스와 약물의 세포독성은 항 바이러스 화학치료요법에 있어서 핵심문제인데 이러한 문제를 해결하려면 구조적으로 변화된 뉴클레오시드의 연구가 필요하다. 2'-위치의 Geminal 치환은 바이러스 폴리미라아제와의 상호작용에서 입체적뿐 만 아니라 전자작용을 더욱 유리하게 할 수 있다. 이러한 정보를 토대로 2'(β)-C-카보딘 뉴클레오시드에서 2'-위치의 변경에 초점을 두고 저는 카보사이크릭 뉴크레오시드 28, 31, 40, 42, 44, 45을 디자인하고 합성하였다. 흥미 있는 SAR (구조 활성 관계)를 토대로 저는 새로운 뉴크레오시드 유도체 즉 4'-에티닐 카보사이크릭 뉴클레오시드 61, 62, 63, 66와 4'-사이클로프로필 카보사이클릭 뉴클레오시드 77, 78을 합성하였다. 여러 가지 바이러스에 더욱 유효한 치료제와 뉴클레오시드, 뉴크레오티드의 대사에 관여하는 효소의 구상을 검사하기 위한 유사체를 제공하기 위하여 저는 4'-branched-5'-nor카보사이클릭포스폰산 유도체 96, 97, 112, 113, 114와 116을 디자인하고 합성하였다. 6'-음전하 뉴클레오시드 유도체와 5'-nor카보사이클릭 뉴클레오시드 포스폰산은 좋은 생물학적 활성을 가지고 있다. 이러한 정보를 기초로하여 더욱 유력한 HIV치료제를 찾기 위하여 6'-메틸렌과 6'-sipro사이클로프로필 5'-nor카보사이클릭 포스폰산 유도체를 포함한 새로운 종류의 뉴크레오시드 유도체 (±)-129, (±)-130, (±)-134, (±)-135, (±)-136, 150, 151, 152α, 153, 155를 합성하였다. 합성한 뉴클레오시드 유도체들에 대하여 항바이러스 활성을 분석하였다. 시토신 유도체 28은 유력한 항-HCV 활성을 나타내었고 시토신 유도체 44는 레플리콘의 복제를 약하게 억제하였다. 구아닌 유도체 66은 HIV-1에 대하여 약한 항 바이러스 활성을 나타냈고 티민 유도체 62는 HCMV에 대하여 약한 항 바이러스 활성을 나타냈다. 합성물 77과 78은 Davis 세포에서 100μmol보다 높은 농도에서도 어떠한 독성도 나타내지 않았으며 HCMV에 대해 약한 항바이러스 활성을 나타냈다. 뉴클레오티드 포스폰산 97은 100μM까지의 농도에서 본체 뉴클레오시드 데실 포스폰산염 96보다 더욱 강한 항-HIV 활성을 나타냈다. 아데노신 포스폰산 113은 IC50=28.3에서 항-HIV활성을 나타냈다. 하지만 뉴클레오티드 유사체 112, 114와 116은 100μM까지의 농도에서도 항-HIV활성이나 세포독성을 나타내지 않았다. 구아닌 뉴클레오시드 포스폰산 (±)-136은 유력한 항-HIV 활성을 나타냈다. 그러나 뉴클레오시드 유도체 (±)-129, (±)-130, (±)-134와 (±)-135는 100 μM까지의 농도에서도 낮은 항-HIV 활성 혹은 세포독성을 나타냈다. 뉴클레오시드 포스폰산 155은 본체 뉴클레오시드 린산 151과 비교했을 때 항-HIV 활성은 증가한 것으로 나타냈다. 하지만 뉴클레오시드 유도체 150, 152α와 153은 100μM까지의 농도에서도 항-HIV 활성 혹은 세포독성을 나타나지 않았다.|ABSTRACT

Design and Synthesis of Novel Branched Nucleoside Analogues as Antiviral Agents

Liu Lian-Jin Advisor: Prof. Hong Joon-Hee. Ph.D. Department of Pharmacy Graduate School of Chosun University

Nucleoside analogs are a class of antiviral drugs designed to inhibit DNA/RNA synthesis in the viral life cycle. These drugs possess very similar structures to the natural nucleotides. Nucleosides are the most frequently used effective class of antiviral agents, with over 20 drugs currently approved for the treatment of viral diseases and a number of candidates in the clinical trials. Nucleoside analogs may be either purine analogs or pyrimidine analogs. In either case, the structures of the drugs closely resemble their natural nucleotide counterparts. Examples of these include zidovudine(AZT), stavudine, acyclovir, didanosine, zalcitabine, and lamivudine. The carbocyclic nucleosides possess a wide range of biological activities such as antiviral and antitumor effects, as well as carbocyclic nucleosides have greater metabolic stability against chemical or enzymatic hydrolysis. Emerging drug-resistant viral strains and drug toxicity are major problems in antiviral chemotherapy, which has lead to research for structurally modified nucleosides. Geminal substitution at the 2'-position might impose favorable steric as well as electronic effect on the interaction with virus polymerase. Based on information, focusing on the modification of the 2'-position of the potent 2'(β)-C-carbodine nucleosides, I designed and synthesized carbocyclic nucleosides 28, 31, 40, 42, 44, 45. Stimulated by interesting SAR (structure activity relationship), I synthesis of a novel class of nucleosides containing 4'-ethynyl carbocyclic nucleosides 61, 62, 63, 66 and 4'-cyclopropyl carbocyclic nucleoside 77, 78. More efficient therapeutic agents against several virus and to provide analogues for probing the conformational preferences of enzymes associated with the metabolism of nucleosides and nucleotides, I have designed and prepared a novel class of nucleosides comprising 4'-branched-5'-norcarbocyclic phosphonic acid analogues 96, 97, 112, 113, 114 and 116. Stimulated by these findings that 6'-electronegative nucleoside analogues and 5'-norcarbocyclic nucleoside phosphonates have excellent biological activities, I sought to synthesize a novel class of nucleosides comprising 6'-methylene and 6'-spirocyclopropyl 5'-norcarbocyclic phosphonic acid analogues (±)-129, (±)-130, (±)-134, (±)-135, (±)-136, 150, 151, 152α, 153 and 155 in order to search for more effective therapeutics against HIV. The synthesized nucleoside analogues were assayed for antiviral activity. The cytosine analogue 28 exhibited potent anti-HCV activity, cytosine analogue 44 weakly inhibited the replication of the replicon. Guanine analogue 66 exhibited moderate antiviral activity against HIV-1; and the thymine analogue 62 showed weak antiviral activity against HCMV. Compound 77 and 78 exhibited moderate antiviral activity against HCMV in the Davis cell without any cytotoxicity up to 100 μmol. Nucleoside phosphonic acid 97 exhibited significantly more anti-HIV activity than its parent nucleoside diethyl phosphonate 96 at concentrations up to 100 μM. Adenosine phosphonic acid 113 exhibited moderate anti-HIV activity with IC50 = 28.3 μM. Also, nucleotide analogues 112, 114 and 116 did not show anti-HIV activity nor cytotoxicity up to 100 μM. Guanine nucleoside phosphonic acid (±)-136 exhibits significant anti-HIV activity. However, nucleoside analogues (±)-129, (±)-130, (±)-134, and (±)-135 showed weak anti-HIV activity or cytotoxicity at concentrations up to 100 μM. Nucleoside phosphonic acid 155 exhibited increased anti-HIV activity compared with its parent nucleoside phosphonic acid 151. However, nucleoside analogues 150, 152α, and 153 did not show anti-HIV activity or cytotoxicity at concentrations up to 100 μM.