Sintesi e caratterizzazione di analoghi enantiopuri del destrometadone come antagonisti non competitivi del recettore NMDA

NMDA (N-methyl-D-aspartate) receptors are ligand-dependent ion channels belonging to the family of glutamate receptors, the main excitatory neurotransmitter. Their activation determines a flow of Ca2+ ions into the post-synaptic neuron and plays a key role in the processes of learning, memory, and neuronal plasticity. An over-activation of these receptors, caused by an excessive release and excessive concentration of glutamate, induces toxic effects in neuronal cells through the phenomenon of excitotoxicity, which can lead to cell death. This phenomenon is related to various diseases of the central nervous system such as Parkinson's disease, Alzheimer's disease, and depression. In the last few years, several studies showed the efficacy of non-competitive NMDA receptor antagonists used as fast-acting antidepressants, such as ketamine, in treatment-resistant depression. In 2018, the S-enantiomer of ketamine was approved by the FDA in its formulation as a nasal spray (Spravato®) for treating major depressive disorder. Although the efficacy has been confirmed, its use is often associated with adverse reactions such as psychotomimetic and dissociative phenomena. The focus was then directed to the development of new compounds with the same pharmacological profile but with a larger therapeutic window and lower side effects. A promising candidate molecule is dextromethadone, the S-enantiomer of methadone, which acts as an non-competitive antagonist for the NMDA receptor with a mechanism similar to ketamine and MK-801. Currently, dextromethadone (REL-1017) passed the phase 1 and phase 2 clinical trials with promising results and is currently going through a phase 3 clinical study. Previous SAR (Structure-Activity Relationship) studies executed in professor Mattarei’s lab have shown that modifications on the diphenyl moiety, like replacing a single hydrogen with a halogen such as fluorine or chlorine leads to an increased antagonistic effect for NMDARs while still maintaining a weak opioid activity, that according to various studies seems necessary for the antidepressant activity1. This modification requires thorough purification work because, while keeping the S configuration of the aliphatic carbon fixed, by replacing a single hydrogen on one of the two aryl rings, a second asymmetric chiral center is generated, and therefore a mixture of two diastereoisomers. Based on these premises, this thesis project's purpose was to synthesize new dextromethadone analogues symmetrically substituted at the diphenyl portion with a halogen, thus avoiding the formation of a diastereomeric mixture. The newly synthesized compounds have been characterized by means of spectroscopic, spectrometric, and chromatographic methods are currently undergoing in vitro evaluation to verify their inhibitory activity against the NMDA receptor.

I recettori NMDA (N-metil-D-aspartato) sono canali ionici ligando-dipendenti appartenenti alla famiglia dei recettori del glutammato, il principale neurotrasmettitore eccitatorio. La loro attivazione determina un flusso in ingresso nel neurone post-sinaptico di ioni Ca2+ e svolge un ruolo chiave nei processi di apprendimento, memoria e di plasticità neuronale. Un sovrastimolazione di questi recettori, causata da un eccessivo rilascio ed eccessiva concentrazione di glutammato, induce effetti tossici nelle cellule neuronali attraverso il fenomeno dell’eccitotossicità, che può sfociare nella morte cellulare. Questo fenomeno è stato dimostrato essere correlato a diverse patologie del sistema nervoso centrale quali il morbo di Parkinson, il morbo di Alzheimer e la depressione. Negli ultimi anni sono stati condotti svariati studi che hanno mostrato l’efficacia di antagonisti non competitivi del recettore NMDA impiegati come antidepressivi ad azione rapida, come la ketamina, nel trattamento della depressione resistente ai trattamenti standard. Nel 2018 l’enantiomero-S della ketamina è stato approvato dall’FDA in una sua formulazione come spray nasale (Spravato®) per il trattamento della depressione resistente, sebbene l’efficacia sia stata confermata, e il dosaggio ridotto, il suo utilizzo è spesso associato a fenomeni avversi di tipo psicotomimetico e dissociativo. L’interesse è quindi stato rivolto nella ricerca di un composto con lo stesso profilo farmacologico ma con una finestra terapeutica maggiore ed effetti collaterali minori. Un valido composto individuato è il destrometadone, ovvero l’enantiomero-S del metadone, il quale agisce come antagonista non competitivo del recettore NMDA con meccanismo analogo a ketamina e MK-801. Attualmente il destrometadone (REL-1017) ha superato la sperimentazione clinica di fase 1 e fase 2 con risultati promettenti, e sta proseguendo con uno studio clinico di fase 3. Precedenti studi di SAR (Relazione Struttura-Attività) eseguiti dal gruppo di ricerca del Prof. Mattarei hanno mostrato come modifiche nella porzione difenilica, sostituendo un idrogeno fenilico con un alogeno come fluoro o cloro comporti un aumento dell’effetto antagonistico per i NMDARs mantenendo comunque una debole attività oppioide, che da alcuni studi sembra essere necessaria per l’attività antidepressiva1. Questa modifica porta con se però la necessità di un grosso lavoro di purificazione in quanto pur mantenendo fissata la configurazione S del carbonio alifatico, sostituendo un singolo idrogeno da uno dei due anelli aromatici, si viene a creare un secondo centro chirale e quindi una miscela di due diastereoisomeri. Sulla base di queste premesse lo scopo di questo progetto di tesi è la sintesi di nuovi analoghi del destrometadone sostituiti simmetricamente nella porzione difenilica con un alogeno, evitando quindi la formazione di una miscela diastereomerica. I nuovi composti sintetizzati e caratterizzati per mezzo di metodi spettroscopici, spettrometrici e cromatografici sono attualmente in fase di valutazione in vitro per verificarne l’attività inibitoria nei confronti del recettore NMDA.