Rational drug design and synthesis of new steroid derivatives for the treatment of chronic heart failure

Heart failure (HF) is one of the major causes of death in the world. Patients affected by HF presents a pathophysiological state in which the heart is not cable of pumping the blood efficiently in the body due to a loss of contractility of the myocardium, leading to a chronic condition in which oxygen and nutritional need of the body are not satisfied. The most important therapy involves inotropic agents, such as digitals glycosides, capable of improving the cardiac output. The most known digitalis glycoside is Digoxin extracted from Digitalis purpurea. Such compounds acts as inhibitor of the Na+/K+ pump, an active transporter capable of expelling Na+ from the cardiac cells introducing K+ against the natural gradient. The inhibition causes an accumulation of Na+ inside the cell. Sodium is so used from the Na+/Ca++ pump to introduce Ca++ inside the cell. The high concentrations of Ca++ accumulated inside cardiac cells induce contraction of the myocardium. However, digitalis compounds present a small gap between the active concentration and the toxic one. In fact, the over intracellular accumulation for long periods of Ca++ could leads to arrhythmic situations. At today is known only one compound able to stimulate a better contraction without causing arrhythmias, such molecule, called “Istaroxime”. Istaroxime is now under development for the treatment of acute decompensated heart failure. Detailed studies highlighted that a metabolite of Istaroxime, the so-called “PST3093”, acts as a pure activator of SERCA-2a, a protein able to sequestrate Ca2+ from the cytosol, without any action on Na+/K+ pump. PST3093 is the only example in the literature of a pure SERCA-2a activator, making an interesting case of study and a possible first in class drug. Despite the promising activity and the unique characteristic of this compound, there is still the main issue due to the genotoxicity of the carboxy-hydroxylamine formed after oxime degradation by metabolism. Within this thesis, the work can be roughly divided in three parts. In the first part, the work is focused on the development of stable derivatives of “PST3093”, able to maintain the unique stimulatory effect over Serca-2a but, at the same time, substituting the non-metabolically stable oxime. Two compounds were identified, and will be further developed as first-in-class drugs, able to efficiently stimulate the activity of Serca-2a with potential application as anti-arrhythmic drugs. The second section is focused on the creation of compounds inspired to Istaroxime, able to acts as Na+/K+ inhibitors and Serca-2a stimulator. Here we developed analogues of Istaroxime, lacking the risks associated to the oxime group. The third section was developed in MERLN institute of Maastricht University. In this part of the work was developed a drug delivery systems based on electrospun polymeric scaffolds, able to deliver locally the drug reducing its toxicity.

L’insufficienza cardiaca è una sindrome di grande rilevanza clinica nella quale il muscolo cardiaco non è in grado di pompare il sangue efficacemente nel corpo. Per il trattamento dei pazienti si ricorre, principalmente, ai glicosidi cardiaci o digitalici come la digossina, che svolgono la loro azione inibendo la pompa Na+/K+ e, conseguentemente, aumentando la concentrazione del calcio, favorendo una migliore contrazione. Il calcio viene però accumulato in alte concentrazioni nella cellula provocando nei pazienti cronici aritmie che possono portare, comunque, alla morte del paziente. Pertanto, lo scopo di questa tesi tesi è stato quello di sintetizzare nuovi candidati farmaci (drug leads) per il trattamento dell’insufficienza cardiaca che abbiano la stessa attività dei digitalici con indice terapeutico maggiore e minor tossicità, garantendo l’assenza di aritmie nei pazienti cronici. Il disegno delle molecole realizzate durante il periodo di tesi è partito dalla struttura chimica della molecola istaroxime: questo composto è attualmente in fase clinica III come farmaco cardiaco. Istaroxime è in grado di inibire efficacemente la pompa Na+/K+ evitando, allo stesso tempo, la comparsa di aritmie grazie alla sua azione stimolante su SERCA-2°, una proteina di membrana in grado di sequestrare il calcio citosolico durante il rilassamento cardiaco. Lo studio dei metaboliti di istaroxime ha portato all’identificazione di una molecola in cui il gruppo amminico della catena sull’ossima è stato ossidato a carbossile. Questa molecola, cosiddetta “PST3093”, è in grado di attivare selettivamente SERCA-2a senza inibire, invece, la pompa Na+/K+. Attualmente, questo composto costituisce l’unico candidato farmaco in grado di stimolare il rilassamento cardiaco evitando la comparsa di aritmie. Tuttavia, sia istaroxime che il suo metabolita presentano delle criticità legate alla presenza della funzionalità ossima, a cui è associata una componente genotossica nei trattamenti cronici. Pertanto, sono stati sintetizzate due classi di molecole, la prima ispirata a PST3093 in cui il gruppo funzionale responsabile della tossicità è stato rimosso. Queste molecole sono caratterizzate da un innovativo meccanismo di azione, in grado di stimolare efficacemente e selettivamente la proteina SERCA2a. In questa sezione sono state identificate due molecole come possibili candidati farmaci con e si sta procedendo con il loro sviluppo clinico. Il loro meccanismo di azione unico e non noto in letteratura, rappresenta un passo avanti verso lo sviluppo di nuove terapie contro l’aritmia. Nella seconda sezione, invece, i composti sintetizzati sono ispirati ad istaroxime. Qui, per evitare la degradazione dell’ammina primaria ad acido carbossilico, è stata costruita una libreria di composti caratterizzati dalla presenza di una ammina ciclica. In questa sezione i composti hanno dimostrato di possedere sia capacità inibitorie sulla pompa Na/K che stimolatorie su SERCA2a ma con minor potenza rispetto ad istaroxime. Tuttavia, questi composti non posseggono le tossicità intrinseca di istaroxime. Per proseguire nello sviluppo di queste molecole, nella terza sezione, realizzata in collaborazione con la Maastricht University, un sistema di drug delivery è stato realizzato grazie a processi di elettrofilatura. L’analisi preliminare di sistemi modello ha portato all’identificazione di sistemi polimerici composti da nanofibre ad alto grado di allineamento capaci di rilasciare nel medio studiato piccole quantità di molecole nel tempo, capaci di espletare la loro azione farmaceutica a livello locale, diminuendo i rischi associati al metabolismo di istaroxime. Questa sezione rappresenta l’inizio di uno sviluppo tecnologico volto al miglioramento della azione di istaroxime senza modificarne la struttura chimica.