Protein tyrosine phosphatases (PTPs) play a critical role in the regulation of cellular functions, and SHP2 phosphatase is a member of the non-receptor protein tyrosine phosphatase family of PTPs. As SHP2 is a protein associated with a variety of cancer-related diseases and is a potential immunomodulator, controlling SHP2 activity has important therapeutic implications. In the previous studies (2015), GS493, an orthosteric inhibitor of SHP2 developed by Jörg Rademann’s group, was tested in several human cancer cell lines, such as mammary gland cancer cells and pancreatic cancer cells. The results revealed that the inhibitor showed effective inhibition of SHP2 wildtype. In addition, another study in 2018 reported that GS493 also showed inhibition of both wildtype and mutant of SHP2 in pancreatic ductal adenocarcinoma and non-small cell lung cancer, while allosteric inhibitors could not be effective against the mutant under the same condition. This project aimed to strategically modify the functional moieties of GS493 to understand the contribution of functional moieties to activity and to improve the inhibitor. Although the inhibitor can effectively inhibit cancer cells growth in animal studies, there still has room for further optimization in terms of activity, solubility, and cell permeability. Additionally, the new published study in 2020 showed a novel structure contain the bicyclic scaffold, giving much more space to the designing of new SHP2 inhibitors. To obtain more novel effective inhibitors of SHP2, our optimization strategies followed several directions: 1) modifying of the phosphotyrosine(pTyr) mimetic to hance the binding ability of the compounds to the PTP domain of the SHP2 protein, 2) replacing of the hydrazone linker and nitro functionalities to optimize the solubility and the cell permeability of the inhibitors, and 3) reducing the flexibility of the molecule by formation of a central ring structure to explore a new structure scaffold. At the start of the investigation, various phosphotyrosine mimetics were investigated by inserting into the original structure of GS493, followed by fragment ligation screening to generate the ligation products with improved solubility in DMSO, and then the inhibitions of SHP2 with these compounds were analyzed by enzyme bioassay, the measurement was repeated in triplicate. Afterwards, docking programs were applied to calculate the new binding modeling of GS493 and the analogs. A hetero-bicyclic core structure containing pyrazolo[4,5-b]pyridine moiety was synthesized as a new scaffold. The pentafluorophosphate functional group was incorporated into this novel pyrazolo[4,5-b]pyridine scaffold. Furthermore, compound 29e (SW053), with the replacement of a nitro functionality, was derived as an excellent small molecule inhibitor of SHP2 with an IC50 = 39 nM. The binding modeling of 29e (SW053) was investigated to provide structure-activity relationships for the future drug discovery. The cellular experiments showed that compounds 21 and 29e (SW053) were able to block the REF-ERK signaling pathway in HGF-activated cancer cells.
Protein-Tyrosin-Phosphatasen (PTP) spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulierung zellulärer Funktionen, und die SHP2-Phosphatase gehört zur Familie der Nicht-Rezeptor-Protein-Tyrosin-Phosphatasen (PTP). Da SHP2 ein Protein ist, das mit einer Vielzahl von Krebserkrankungen in Verbindung gebracht wird, und ein potenzieller Immunmodulator ist, hat die Kontrolle der SHP2-Aktivität wichtige therapeutische Auswirkungen. In früheren Studien (2015) wurde GS493, ein von der Gruppe von Jörg Rademann entwickelter orthosterischer Inhibitor von SHP2, in mehreren menschlichen Krebszelllinien wie Brustdrüsenkrebszellen und Pankreaskrebszellen getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass der Inhibitor eine wirksame Hemmung des SHP2-Wildtyps zeigte. In einer weiteren Studie aus dem Jahr 2018 wurde außerdem berichtet, dass GS493 sowohl den Wildtyp als auch die Mutante von SHP2 bei duktalem Adenokarzinom der Bauchspeicheldrüse und nicht-kleinzelligem Lungenkrebs hemmt, während allosterische Inhibitoren unter denselben Bedingungen nicht gegen die Mutante wirksam sind.
Ziel dieses Projekts war es, die funktionellen Bestandteile von GS493 strategisch zu verändern, um den Beitrag der funktionellen Bestandteile zur Aktivität zu verstehen und den Inhibitor zu verbessern. Obwohl der Inhibitor in Tierversuchen das Wachstum von Krebszellen wirksam hemmen kann, gibt es noch Raum für weitere Optimierungen in Bezug auf Aktivität, Löslichkeit und Zellpermeabilität. Darüber hinaus zeigte die neue Studie, die 2020 veröffentlicht wurde, eine neuartige Struktur, die das bicyclische Gerüst enthält, was viel mehr Spielraum für die Entwicklung neuer SHP2-Inhibitoren bietet.
Um neuartige, wirksame Hemmstoffe für SHP2 zu erhalten, verfolgten unsere Optimierungsstrategien mehrere Richtungen: 1) Modifizierung des Phosphotyrosin(pTyr)-Mimetikums, um die Bindungsfähigkeit der Verbindungen an die PTP-Domäne des SHP2-Proteins zu verbessern, 2) Ersetzen des Hydrazon-Linkers und der Nitrofunktionalitäten, um die Löslichkeit und die Zellpermeabilität der Inhibitoren zu optimieren, und 3) Verringerung der Flexibilität des Moleküls durch Bildung einer zentralen Ringstruktur, um ein neues Strukturgerüst zu erkunden.
Zu Beginn der Untersuchung wurden verschiedene Phosphotyrosin-Mimetika untersucht, indem sie in die ursprüngliche Struktur von GS493 eingefügt wurden, gefolgt von einem Fragment-Ligations-Screening, um die Ligationsprodukte mit verbesserter Löslichkeit in DMSO zu erzeugen, und dann wurden die Hemmungen von SHP2 mit diesen Verbindungen durch einen Enzym-Bioassay analysiert, die Messung wurde in dreifacher Ausführung wiederholt. Anschließend wurden Docking-Programme eingesetzt, um die neuen Bindungsmodelle von GS493 und den Analoga zu berechnen. Als neues Gerüst wurde eine hetero-bizyklische Kernstruktur mit Pyrazolo[4,5-b]pyridin-Anteil synthetisiert. Die funktionelle Pentafluorphosphatgruppe wurde in dieses neuartige Pyrazolo[4,5-b]pyridin-Gerüst eingebaut.
Darüber hinaus wurde die Verbindung 29e (SW053), bei der eine Nitrofunktionalität ersetzt wurde, als hervorragender niedermolekularer Hemmstoff von SHP2 mit einer IC50 = 39 nM ermittelt. Die Bindungsmodellierung von 29e (SW053) wurde untersucht, um Struktur-Aktivitäts-Beziehungen für die künftige Arzneimittelentdeckung bereitzustellen. Die zellulären Experimente zeigten, dass die Verbindungen 21 und 29e (SW053) in der Lage waren, den REF-ERK-Signalweg in HGF-aktivierten Krebszellen zu blockieren.
