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D. Dreier:
"Synthesis and Evaluation of Photoswitchable Monoamine Transporter Inhibitors";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): M.D. Mihovilovic, H. Sitte; E163, 2018.

Die Monoamintransporter SERT (Serotonintransporter), DAT (Dopamintransporter)
und NET (Norepinephrintransporter) sind essentielle regulatorische Elemente der
Signalübertragung in Synapsen. Diese Transmembranproteine nehmen ausgeschüttete
Neurotransmitter (Serotonin, Dopamin und Norepinephrin) aus dem synaptischen Spalt
wieder auf und beenden dadurch die Signalübertragung. Dadurch haben
Monoamintransporter großen Einfluss auf neuronale Zustände wie Stimmung, Schlaf,
Aggressionsverhalten und Hunger. Eine Fehlfunktion kann zu schwerwiegenden Krankheiten
wie Depression, Angststörungen, ADHS und Parkinson führen. Über die letzten Jahrzehnte
wurden zahlreiche pharmakologisch aktive Substanzen entwickelt, die die Wiederaufnahme
von Neurotransmitter durch Monoamintransporter inhibieren. Viele
Wiederaufnahmehemmer sind vor allem als Antidepressiva klinisch im Einsatz.
Schwerwiegende Nebenwirkungen stellen jedoch eine große Herausforderung dar und ein
tieferes Verständnis über die Funktionsweise von Monoamintransportern hätte
weitreichende Folgen für die Entwicklung von neuen Medikament aber auch für die
Weiterentwicklung des Wissens über die Funktionsweise unseres Nervensystems.
Die präzise und reversible Wirkungsweise von Licht-schaltbaren biologisch aktiven
Verbindungen stellt enorme Möglichkeiten für deren Entwicklung und Einsatz in
Forschungsfragen dar. Das Forschungsfeld der Photopharmakologie hat in den letzten Jahren
großes Interesse geweckt und riesige Fortschritte erzielt. In dieser Arbeit haben wir es uns
zum Ziel gesetzt, Licht-schaltbare Inhibitoren für den Serotonintransporter zu entwickeln um
Untersuchungen dieses wichtigen Proteins unter Verwendung von Licht als vielseitig
kontrollierbarer Stimulus zu ermöglichen.
Basierend auf den viel-untersuchten SERT Inhibitoren Escitalopram und Paroxetin
haben wir Azobenzol und Hemithioindigo Derivate konzipiert und synthetisiert. Die
photophysikalischen Parameter dieser Verbindungen wurden genau untersucht. Für die
lichtabhängigen Messungen der bioaktiven Verbindungen haben wir (UV) LED well plates
konstruiert um robuste und verlässliche Messungen unter Lichteinfluss zu gewährleisten.
Aus allen untersuchten Verbindungen ging das Paroxetin basierte Azobenzol Derivat
DD-482 als vielversprechende Verbindung hervor. In Zell-basierten Untersuchungen zeigte der
Licht-geschaltene Inhibitor eine 11-fach höhere inhibitorische Aktivität als die
thermodynamisch stabile Ausgangsverbindung wenn mit 365 nm Licht bestrahlt wurde. In
elektrophysiologischen Untersuchungen war die Licht-geschaltene Verbindung in der Lage,
den durch Serotonin ausgelösten Strom zu hemmen während das andere Photo-Isomer inaktiv
blieb. Wir konnten den Aktivitätsunterschied der beiden Isomere mit Hilfe von
computergestützten Untersuchungen an der hSERT Kristallstruktur erklären. Wenn das
Azobenzol Fragment mit UV Licht isomerisiert wird, so führt das zu einer Verringerung der
Sterik in einem Bereich des Moleküls, der andernfalls die Bindungen an den Transporter
erschwert. Dadurch kann die Licht-geschaltene Verbindung ähnlich der Basis-Verbindung
Paroxetin binden.

The monoamine transporters SERT (serotonin transporter), DAT (dopamine
transporter) and NET (norepinephrine transporter) are essential regulatory features in
neurotransmission. These transmembrane proteins are responsible for the reuptake of
released neurotransmitters (serotonin, dopamine and norepinephrine) from the synaptic cleft
and thereby terminate synaptic signaling. In consequence, transporters influence important
neurological processes like mood, sleep, aggression behavior and hunger. A malfunction is
linked to many serious diseases like dep􀆌essio􀅶, a􀅶􀇆iet􀇇, ADHD a􀅶d Pa􀆌ki􀅶so􀅶􀍛s disease. Over
the last decades a rich collection of pharmacologically active compounds was developed to
inhibit reuptake. Many reuptake inhibitors are in clinical use best known as antidepressants.
Severe side effects remain a great challenge and further insights into the functionality of
transporter proteins would have tremendous implications for drug discovery and a deeper
understanding of brain related processes.
The precise and reversible mode of action of photoswitchable bioactives poses a great
opportunity for novel tool compounds. The research field of photopharmacology has attracted
enormous interest and tremendous progress was made in the past years. In this work we
sought to develop photoswitchable SERT inhibitors as novel photoswitchable tool compounds
to study this important transporter with light as an accurate inhibitory stimulus.
Based on well-studied SERT inhibitors escitalopram and paroxetine we rationally
designed and synthesized azobenzene and hemithioindigo a􀅶alogs. The 􀄐o􀅵pou􀅶d􀍛s
photophysical parameters were thoroughly investigated. For the light-dependent biological
evaluation, we developed (UV) LED well plates which allowed robust and reliable
photocontrolled measurements in in-vitro assays.
From all the assessed derivatives paroxetine based azobenzene analog DD-482
emerged as a promising lead compound. In a cell-based uptake inhibition assay the
photoswitched inhibitor displayed an 11-fold higher activity compared to its
thermodynamically stable configuration when 365 nm light was used for irradiation. In
electrophysiological experiments, the photo-activated form was able to block the serotonininduced
current while the natural form remained ineffective. We were able to rationalize the
activity difference of the two photo-isomers by computational studies on the hSERT crystal
structure. When the azobenzene moiety is isomerized with UV light, the sterical bulk in an
important area of the compound decreases which otherwise hinders binding and the (Z)-
isomer can bind to the transporter in a similar fashion as the parent compound paroxetine.

medicinal chemistry, neuro-pharmacology, photo-switch