The challenging task of converting the relatively large and linear peptidic inhibitors of BACE-1, reported so far in the literature, into proteolitically more stable peptidomimetic structures such as peptoids, hybrid peptide-peptoids and retroinverso analogs failed due to the loss of inhibitory potency. Conversely, molecular modeling experiments based on the known X-ray structures of BACE 1/peptidic inhibitors led to the design of novel cyclic peptidic structures of reduced size and containing statine as the transition-state analogue. These were found to retain efficient affinities for the aspartic protease and thus to present the statine moiety in correct orientation to the active site of the enzyme with the short peptide-backbone in the β-type extended conformation for additional interactions with the active-site cleft. First attempts to improve the structure of the transition-state analogue statine and to restrict the side-chain cyclized peptide backbone in the extended conformation by incorporation of aminobenzoic acid residues, led to important hints for further developments of peptidomimetic cyclic compounds as BACE-1 inhibitors with enhanced stability against protease degradation and thus more suitable for in vivo biological studies on the role of this enzyme in amyloidogenesis in Alzheimer´s disease. The difficult problem of developing MMP inhibitors capable of differentiating the gelatinases MMP-2 and -9 from the other members of the large MMPs family including the collagenases, was again tackled by a structure-based design relying on the peculiar interaction of a propeptide portion in MMP-9 with a well delineated hydrophobic pocket of the third fibronectin domain. By exploiting the binding affinities of metal chelating groups at the active site and the exosite binding of a polipeptide portion to the fibronectin domain, application of the concept of bivalent inhibitors was attempted. For this purpose molecular modeling experiments were performed to assess the size of the PEG spacer chosen as linker of the two binding groups. Correspondingly PEG spacers of different lengths were used to crosslink a hydroxamate head group containing phenylalanine as P1´ residue for recognition and binding to the MMP-9 active site, and a pentapeptide head for exosite binding. First enzymatic assays seem to confirm the working hypothesis. In summary, progresses were achieved in both projects that are most promising for further developments of low mass peptidomimetic inhibitors of BACE-1 and of highly selective inhibitors of the two gelatinases by applying the concept of bivalency.     «

The challenging task of converting the relatively large and linear peptidic inhibitors of BACE-1, reported so far in the literature, into proteolitically more stable peptidomimetic structures such as peptoids, hybrid peptide-peptoids and retroinverso analogs failed due to the loss of inhibitory potency. Conversely, molecular modeling experiments based on the known X-ray structures of BACE 1/peptidic inhibitors led to the design of novel cyclic peptidic structures of reduced size and containing s...     »

Die Aspartat-Protease BACE-1 ist eines der wichtigsten Enzyme, die entscheidend in der Amiloidbildung mitspielen und somit in der Auslösung der Alzheimer Erkrankung mitverantwortlich sind. Trotz der sehr intensiven Arbeit akademischer und industrieller Forschung sind bislang als Hemmstoffe dieses Aspartat-Protease weitgehend nur Statin-Peptide erheblicher Länge bekannt. Diese können zwar erfolgreich für biochemische Untersuchungen eingesetzt werden, was auch durch die Strukturauflösung der entsprechenden Komplexe mit BACE-1 voll bestätigt wurde, doch sind solche peptische Inhibitoren wegen des schnellen enzymatischen Verdaus und wegen der schlechter Bioverfügbarkeit als Werkzeuge für biologische Studien an Zellen and Versuchstieren ungeeignet. Zielsetzung des Forschungsprojektes war deshalb der Struktur-basierte Design von Proteolyse-resistenteren Hemmstoffen einerseits durch Konvertierung der peptidischen Strukturen in peptidomimetische und andererseits durch Cyclysierung der minimalen Bindungssequenz und somit Einschränkung des Konformations-Freiraums, um dadurch die Ligandenaffinität thermodynamisch zu favorisieren. Während der Einsatz von peptidomimetischen Strategien wie Peptoid- und Retroinversostrukturen einen starken, aber zum Teil auch vollen Verlust der Hemmwirkung bewirkte, führte der Struktur-basiertes Design von cyclischen Statin-Peptiden zu vielversprechenden Leitstrukturen. In diesen wird die notwendige ausgestreckte Konformation des Peptidgerüsts für eine thermodynamisch favorisierte Bindung durch Seitenketten-Cyclisierung stabilisiert und der Verlust an Bindungsaffinität der reduzierten Bindungssequenz vor allem entropisch kompensiert. Für eine weitere Optimierung der Hemmeigenschaften dieser cyclischen Statin-Peptiden wurden erste synthetische Ansätze zur Disubstitution des Übergangzustand-Analogons Statin für eine bessere Bindung an BACE-1 und zur Einbindung eines Aminobenzoesäure-Restes in das Peptidgerüts zur zusätzlichen Versteifung durchgeführt. Die Ergebnisse lieferten wichtige Hinweise für zukünftige Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet. Zweite Zielsetzung dieser Arbeit war die Entwicklung neuartiger bivalenter Hemmstoffe der Gelatinasen MMP-2 und MMP-9 um auf diesem in der Natur so erfolgreichen Wege das Problem der selektiven Hemmung der vielen MMPs zu lösen. Ein Erfolg könnte erheblich zur Entwicklung effizienter Pharmaka für die Krebs- und Arthritistherapie beitragen. Entscheidende Hinweise für solche bivalente Inhibitoren erbrachte die Kristallstruktur von MMP-9, in der ein Phenylalanin-Rest des Propeptids an eine ausgeprägte hydrophobe Tasche der Fibronectindomäne II bindet. Modellingexperimente an dieser räumlichen Struktur führte zum Design bivalenter Konstrukte. In diesen sollte ein Hydroxamatderivat an das Zn2+ Atom des katalytischen Zentrums binden und somit die Metalloprotease desaktivieren und gleichzeitig die Bindungssequenz des Propeptids über einen PEG Spacer geeigneter Länge für optimale Erkennung und Bindung an die Fibronectin-Domäne angeboten werden. Diese Konstrukte wurden mit PEG-Spacern unterschiedlicher Länge synthetisiert und erste Ergebnisse sind sehr erfolgversprechend. Auch in dieser Fragestellung wurden wertvolle Ergebnisse für nachfolgende Arbeiten erzielt.     «

Die Aspartat-Protease BACE-1 ist eines der wichtigsten Enzyme, die entscheidend in der Amiloidbildung mitspielen und somit in der Auslösung der Alzheimer Erkrankung mitverantwortlich sind. Trotz der sehr intensiven Arbeit akademischer und industrieller Forschung sind bislang als Hemmstoffe dieses Aspartat-Protease weitgehend nur Statin-Peptide erheblicher Länge bekannt. Diese können zwar erfolgreich für biochemische Untersuchungen eingesetzt werden, was auch durch die Strukturauflösung der entsp...     »