Synthesis of novel guanidino nucleosides with potential therapeutic interest

Abstract

De acordo com o Gold Book da IUPAC, nucleósidos são glicosilaminas ou N-glicósidos formados pela combinação de ribose ou desoxirribose com bases nitrogenadas, que podem ser pirimidinas (uracilo, timina e citosina) ou purinas (adenina e guanina). A diferença entre nucleósidos e nucleótidos é a ausência de grupo fosfato nos nucleósidos. Nucleótidos são formados pela esterificação dos grupos hidroxilo dos nucleósidos com ácido fosfórico. Os nucleótidos são os monómeros dos ácidos nucleicos, conectados por grupos fosfato na posição 5' de um açúcar ao grupo hidroxilo da posição 3' do seguinte. O ADN (acido desoxirribonucleico) apresenta uma estrutura de dupla hélice composta por duas cadeias polinucleotídicas complementares, unidas por pontes de hidrogênio entre pares de bases específicas (adenina-timina e guanina-citosina), tendo a notável capacidade de codificar a informação genética. O ARN (acido ribonucleico), geralmente de cadeia simples, é produzido pela transcrição do ADN, resultando em ARN mensageiro (mARN) que serve como molde para a síntese de proteínas. A replicação do ADN, a transcrição em ARN e a tradução de ARN são processos essenciais para a expressão genética e a divisão celular, sendo ainda cruciais para a replicação viral em células hospedeiras. Além de serem componentes dos ácidos nucleicos, os nucleótidos têm outros papéis biológicos importantes, como na sinalização celular (nucleótidos cíclicos), no fornecimento de energia (ATP ou GTP) e como substratos ou cofatores de enzimas, como as quinases que utilizam ATP e regulam o ciclo celular. Os análogos de nucleósidos são um grupo de moléculas com elevado interesse em Química Medicinal. Estes surgem do acoplamento de monossacáridos, derivados de furanoses ou piranose, a bases nitrogenadas ou unidades hétero-aromáticas análogas/miméticas destas, podendo ainda integrar outros sistemas miméticos de grupos fosfato, passando então a miméticos de nucleótidos. Este grupo de compostos tem vindo a ser utilizado como pró-fármacos, cujas formas ativas (monofosfatos, difosfatos ou trifosfatos) inibem a síntese de ácidos nucleicos, bloqueando polimerases ou sendo incorporados nos ácidos nucleicos, levando à morte celular ou interrompendo a replicação viral. Nucleósidos e nucleótidos sintéticos, conhecidos como análogos de nucleósidos, são cruciais no tratamento de doenças como cancro e infeções bacterianas ou virais, pois interferem em processos dependentes de nucleósidos, frequentemente superativados em doenças. Entre os análogos anticancerígenos aprovados pela Food and drug administration (FDA) incluem-se citarabina, fludarabina, clofarabina, cladribina e gemcitabina, que inibem polimerases do ADN. Alguns análogos, como floxuridina e trifluorotimidina, interferem na síntese do ADN através de metabolitos de monofosfato. Adicionalmente, estes análogos podem afetar a elongação de cadeias de ARN e as vias de reparação de ADN, atuando como agentes antiproliferativos. A atividade antiviral destes análogos é destacada pela inibição da síntese de ácidos nucleicos. Exemplos incluem remdesivir, aciclovir, zidovudina e lamivudina, que se integram nas cadeias de ADN ou ARN viral, terminando a replicação ou inibindo as polimerases virais. Os análogos de nucleósidos também mostraram potencial como agentes antibacterianos. A puromicina inibe a síntese de proteínas pela incorporação catalisada por ribossomas em C-terminais das cadeias em crescimento, bloqueando a elongação da cadeia polipeptídica e resultando na terminação prematura da tradução. Os antibióticos do tipo miharamicina contêm um grupo guanidina terminal e apresentam atividade antibacteriana de amplo espectro. A incorporação desses análogos nos ácidos nucleicos bacterianos leva à replicação defeituosa e morte celular. Pesquisas demostraram que antibióticos nucleósidicos, que combinam estruturas de nucleósidos com funcionalizações adicionais pela presença de grupos potencialmente miméticos quer de nucleobase, quer de grupo fosfato, exemplificando com a guanidina, podem combater eficazmente bactérias multirresistentes. A exploração contínua destes compostos tem permitido pôr em evidência o seu potencial para combater infeções virais e bacterianas numa era de crescente resistência antimicrobiana. No contexto da doença de Alzheimer (DA), os análogos de nucleósidos têm demonstrado potencial como inibidores de colinesterase, visando o tratamento sintomático da DA ao restaurar os níveis de acetilcolina, inibindo principalmente a acetilcolinesterase (AChE). Pesquisas promissoras foram realizadas com novos análogos de nucleósidos contendo teobromina e 6'-isonucleósidos de piranosilo e, mais recentemente, com 5’-azido e 5’-guanidino nucleósidos sintetizados na equipa de investigação do Doutor Nuno Manuel Xavier, inserida no Grupo de Química dos Glúcidos do Centro de Química Estrutural da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, os quais revelaram a capacidade de inibir seletivamente acetilcolinesterase ou butirilcolinesterase. Apesar da sua eficácia clínica, os análogos de nucleósidos enfrentam desafios como baixa biodisponibilidade oral e resistência de células cancerígenas devido a vários mecanismos. Para superar estes desafios, é importante desenvolver novos análogos de nucleósidos com melhor permeabilidade celular e que possam atuar por mecanismos de ação alternativos. Posto isto, e motivados pelos resultados previamente obtidos, este trabalho de Dissertação de Mestrado teve como objetivo a síntese de novos compostos que combinem estruturas nucleosídicas a uma unidade guanidinica. As moléculas planeadas têm na sua estrutura um derivado purínico ou pirimidínico ligado à posição anomérica de uma unidade de xilofuranose ou de D-glucuronamida, bem como um grupo guanidina conectado a uma posição terminal (C-5) da unidade glicosílica ou à base azotada. As vias de síntese envolveram a preparação de dadores de glicosilo 1,2-di-O-acetilados de xilofuranose e de D-glucuronamida N-substituídos e funcionalizados nas posições pretendidas, através de procedimentos que incluíram reações de O-alquilação com diferentes brometos de alquilo, proteção com o grupo isopropilideno, bem como reações de remoção do mesmo, reações de clivagem oxidativa, de redução, de tosilação, geralmente seguida da reação de azidação, hidrólises e acetilações, tendo sido estas as reações mais vulgarmente utilizadas para a síntese dos precursores do trabalho que aqui se apresenta. Para a obtenção dos compostos alvo, dá-se destaque às reações de N-glicosilação, de Staudinger e de guanidinilação. A N-glicosilação é uma reação crucial na Química de Carboidratos, especialmente na síntese de análogos de nucleósidos. Este processo envolveu a formação de uma ligação C–N glicosídica entre uma nucleobase e um dos percursores acetilados, onde a nucleobase atua como nucleófilo e o açúcar como eletrófililo. Intermediários como o catião oxocarbenium assistido pelo grupo éster vizinho, permitem que a substituição do tipo SN1 ocorra estereosseletivamente. Para melhorar a eficiência da N-glicosilação, foi introduzido o método de silyl-Hilbert-Johnson, que utiliza nucleobases sililadas, obtidas por meio da reação com hexametildisilazano (HMDS) ou N,Obis(trimetilsilil)acetamida (BSA). Esta abordagem permite melhorar a solubilidade das nucleobases em solventes orgânicos, resultando em reações mais homogêneas, bem como aumentar a sua nucleofilia. Catalisadores como triflato de trimetilsililo (TMSOTf) e tetracloreto de estanho (SnCl₄) são frequentemente utilizados, influenciando as taxas de formação dos isómeros N9 e N7 para purinas, e N1 e N3 para pirimidinas. Relativamente à reação de Staudinger, esta reação promove a conversão de azidas (-N₃) em aminas (-NH₂). Este método é vital na via sintética levada a cabo, por permitir a obtenção da amina essencial à síntese dos derivados guanidinilados, especialmente quando a hidrogenação não é uma opção viável. O mecanismo deste tipo de redução envolve a reação de uma fosfina com uma azida, formando um intermediário fosfazida que é convertido a um iminofosforano pela saída de nitrogênio molecular, gerando por hidrólise a amina desejada. Por fim, dando ênfase à importância desta reação no âmbito desta dissertação, na qual um grupo guanidina é incorporado a análogos de nucleósidos previamente sintetizados, as reações de guanidinilação são discutidas. A guanidina é uma base forte e um grupo funcional versátil, sendo a guanidinilação direta realizada utilizando um derivado de guanidina estrategicamente protegido, como o N,N'-bis(tert-butoxicarbonil)-N''-trifilguanidina, em presença de N,N-diisopropiletilamina (DIPEA). Inspirados pelo amplo leque de aplicações terapêuticas demonstradas pelos análogos de nucleósidos e nucleótidos, tanto os comercialmente utilizados como aqueles já reportados, alguns inclusive por nós, é através das técnicas de síntese orgânica, extensamente apresentadas neste relatório, que surge um novo conjunto de moléculas. As moléculas reportadas apresentam na sua constituição uma unidade guanidinica acoplada a um análogo de nucleósido, variavelmente funcionalizado nas restantes posições. Estas serão então testadas para o amplo leque de aplicações terapêuticas pelo qual esta grande família é conhecida. As análises biológicas terão especial foco para as atividades antiproliferativas de algumas linhas cancerígenas como o cancro da mama, a leucemia e o cancro colorretal, bem como a capacidade dos compostos sintetizados para inibir colinesterases.

Synthetic analogues of nucleos(t)ides play a crucial role in chemotherapy by acting as prodrugs that interfere with the biosynthesis of nucleic acids by integrating into nucleic acids, leading to cellular apoptosis or interrupting viral replication. FDA approved anticancer analogues are mentioned in this dissertation. In the context of Alzheimer's disease (AD), nucleoside analogues have demonstrated potential as cholinesterase inhibitors, primarily inhibiting acetylcholinesterase (AChE). Promising research has been conducted with new nucleoside analogues containing theobromine and pyranosyl 6'- isonucleosides, and more recently with azido and guanidine nucleosides synthesized in our research team. These compounds have shown the ability to selectively inhibit acetylcholinesterase or butyrylcholinesterase. Despite their clinical efficacy, nucleoside analogues face challenges such as low oral bioavailability and resistance of cancer cells due to various mechanisms. To overcome these challenges, it is essential to develop new nucleoside analogues with better cell permeability and alternative mechanisms of action. On the other hand, previous research in our team demonstrated promising results with xylofuranosidic derivatives containing a guanidine group, exhibiting antiproliferative activity against cancer cells and inhibitory activity against acetylcholinesterase. These findings suggest the potential of monosaccharide-based molecules containing guanidine, particularly nucleoside analogues, in both anticancer therapies and treatments for AD. Motivated by these results, this Master’s Dissertation aims to synthesize compounds that combine nucleosidic structures with a guanidine unit. The planned molecules have a purinic or pyrimidinic derivative linked to the anomeric position of a xylofuranose or D-glucuronamide unit, as well as a guanidine group connected to a terminal position (C-5) of the glycosylic unit or the nitrogenous base. The synthesis pathways involve the preparation of 1,2-di-O-acetylated glycosyl donors of xylofuranose and N-substituted and functionalized D-glucuronamide in the desired positions, which will be subsequently coupled with nitrogenous base derivatives. Key reactions in these synthesis pathways include azidation, guanidinylation, and N-glycosylation.