Rational design and synthesis of novel small molecules as Negative Allosteric Modulators of Metabotropic Glutamate Receptors subtype 5
I recettori metabotropici del glutammato del sottotipo 5 (mGluR5) fanno parte della
famiglia dei recettori accoppiati a proteine G (GPCR) di classe C e svolgono un ruolo
fondamentale nel sistema nervoso centrale (SNC). Sono localizzati in varie regioni cerebrali
coinvolte nei processi cognitivi, nella memoria e nella regolazione emotiva, e contribuiscono
alla plasticità sinaptica, al potenziamento a lungo termine (LTP) e alla depressione a lungo
termine (LTD), rendendoli fattori chiave in numerosi processi neurologici e psichiatrici. È
stato dimostrato che la disregolazione della segnalazione mediata dai mGluR5 è implicata in
diverse patologie del SNC, tra cui il morbo di Parkinson, la malattia di Alzheimer, la
Sindrome dell’X Fragile, l’ansia e la depressione. Questi risultati hanno generato un
crescente interesse nell’utilizzo di mGluR5 come potenziale target farmacologico. Tra le
diverse strategie sviluppate per controllare i mGluR5, i modulatori allosterici negativi
(NAM) si sono rivelati particolarmente promettenti, grazie alla loro capacità di regolare con
precisione l’attività recettoriale con una maggiore selettività per un sottotipo e migliori profili
di sicurezza. Diversi NAM selettivi per mGluR5, come MPEP, MTEP, fenobam,
mavoglurant e dipraglurant, sono stati valutati in studi preclinici e clinici, ottenendo risultati
promettenti nella modulazione dell’iperattività glutammatergica e nel miglioramento dei
sintomi patologici. Tuttavia, molti di questi composti presentano limitazioni in termini di
stabilità metabolica, capacità di attraversare la barriera ematoencefalica o sicurezza,
evidenziando la necessità di sviluppare NAM di nuova generazione.
Questa tesi si concentra sulla progettazione, sintesi e caratterizzazione preliminare di nuove
piccole molecole con attività di NAM su mGluR5. A seguito di un’analisi approfondita del
sito allosterico di legame del recettore e delle relazioni struttura-attività (SAR), sono stati
progettati diversi nuovi derivati ammidici di NAM per mGluR5 (Fig. I). Per generare i nuovi
candidati sono state impiegate diverse strategie sintetiche, tra cui reazioni di accoppiamento
ammidico utilizzando agenti come HATU, EDCI e BTFFH, al fine di identificare le
condizioni più efficaci. Particolare attenzione è stata dedicata anche alla sintesi di un reagente
chiave, l’acido 3-cloro-5-cianobenzoico. La maggior parte dei composti pianificati è stata
sintetizzata con successo, per un totale di 17 composti completati; purtroppo, non è stato
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possibile preparare alcuni analoghi previsti a causa di limitazioni di tempo. Le nuove
molecole sono state caratterizzate mediante NMR, HPLC e LC-MS, al fine di confermarne
purezza e identità.
Nel complesso, questo lavoro contribuisce agli sforzi attuali per lo sviluppo di NAM per
mGluR5 più sicuri ed efficaci, ampliando la comprensione dei principali farmacofori
coinvolti nella modulazione recettoriale. I nuovi composti sintetizzati potrebbero costituire
valide molecole guida per ulteriori studi farmacologici e di ottimizzazione, supportando lo
sviluppo di nuove terapie per disturbi neuropsichiatrici e neurodegenerativi associati alla
disregolazione del segnale glutammatergico.
Metabotropic glutamate receptors subtype 5 (mGluR5) are a member of the class C
G-protein coupled receptor (GPCR) family and play a fundamental modulatory role in the
central nervous system (CNS). They are widely expressed in brain regions involved in
cognition, memory, and emotional regulation, and contribute to synaptic plasticity, long-term
potentiation (LTP), and long-term depression (LTD), making them key factors in several
neurological and psychiatric processes. Importantly, dysregulation of mGluR5 signaling has
been implicated in a variety of CNS disorders, including Parkinson’s disease, Alzheimer’s
disease, Fragile X Syndrome, anxiety and depression. These findings have generated interest
in using mGluR5 as a potential pharmacological target. Among the various strategies
developed to target mGluR5, negative allosteric modulators (NAMs) have emerged as
particularly attractive candidates, due to their potential to fine-tune receptor activity with
improved subtype selectivity and safety profiles. Several selective mGluR5 NAMs, such as
MPEP, MTEP, fenobam, mavoglurant, and dipraglurant, have been evaluated in preclinical
and clinical studies, showing promising results in modulating glutamatergic overactivity and
alleviating disease symptoms. However, many of these compounds exhibit limitations in
metabolic stability, brain penetration, or safety, highlighting the need for next-generation
NAMs.
This thesis focuses on the rational design, synthesis and preliminary characterization of novel
small molecules as mGluR5 NAMs. Following an in-depth analysis of the receptor’s
allosteric binding pocket and structure-activity relationship (SAR), several new mGluR5
NAM amide derivatives were designed (Fig. I). A variety of synthetic strategies were
employed to generate the new candidate molecules, including amide coupling reactions using
agents such as HATU, EDCI, and BTFFH, in order to identify the most effective conditions.
Additionally, attention was given to the synthesis of a key reagent, 3-chloro-5-cyanobenzoic
acid. Most target compounds were successfully synthesized, with 17 compounds completed
in total, though some planned analogues could not be prepared due to time constraints.
Compound characterizations were conducted using NMR, HPLC, and LC-MS techniques to
confirm purity and identity.
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Overall, this study contributes to the ongoing efforts to develop safer and more effective
mGluR5 NAMs by expanding the understanding of key pharmacophores involved in receptor
modulation. The newly synthesized compounds may serve as valuable leads for further
pharmacological evaluation and optimization, ultimately supporting the development of new
therapies for neuropsychiatric and neurodegenerative disorders associated with glutamatergic
dysregulation.