Progettazione e sintesi di modulatori di segnaletica oncogenica per il trattamento del cancro

This thesis focuses on the design, synthesis, and biological evaluation of novel multitarget protein kinase inhibitors (PKIs) with antitumor properties and the study of allosteric modulators of the adenosine A2A receptor (A2AR) with potential immunomodulatory applications. Initially designed to target FLT3 and RET, these compounds were also tested against CDK20, an emerging cancer target for which there are few known inhibitors. After the design and synthesis of a first library of type II PKIs, based on the pyrazole-urea scaffold, we also tested a library of boronic acids, an underrepresented chemotype in PKIs. Both series yielded compounds with promising activities against FLT3 in enzymatic and cellular assays, holding significant potential for further development. Additionally, we developed a homology model of CDK20 in its inactive DFG-out conformation to drive the screening of our pyrazole-urea library against this target; the only CDK20 structure available is an AI-generated DFG-in model. Quick access to pyrazol-ureas was enabled by an optimized, customized synthetic route, allowing the rapid exploration of a diverse chemical space. In collaboration with Prof. Marzaro (University of Padova) we combined the pyrazole group with hinge binders. These compounds displayed remarkable activities, favorable in silico ADMET profiles, and are poised for in vivo evaluation on FLT3-driven AML models. Collaborations with the research groups of Prof. Prati and Prof. Caselli at the University of Modena and Reggio Emilia explored boron-containing compounds as novel PKIs. Screening of their extensive boronic compound library for FLT3 affinity led to the identification of several low μM hits. Biological assays for FLT3 and RET were carried out at Prof. Mologni's laboratories at the University of Milano Bicocca, while evaluations on CDK20 were performed by Prof. Di Leva's research group at the University of Keele. The insights gained from the SAR of the series will guide the design and synthesis of a new generation of optimized PKIs. These compounds are expected to possess tailored properties, such as modulable CDK20/FLT3 selectivity, showing promise for advancing to later-stage preclinical studies. During my PhD, I also deal with the development of positive allosteric modulators (PAM) for the A2AR, a G protein-coupled receptor known for its multifaceted involvement in various physiological processes, including inflammation and immunity. Allosteric modulators for the A2AR present a promising avenue for selectively regulating its activity, while concurrently mitigating the undesirable side effects associated with orthosteric agonists and antagonists. The "hit to lead" investigation into a PAM for the A2AR receptor led to the synthesis of 14 novel compounds.

Questa tesi si concentra sulla progettazione, la sintesi e la valutazione biologica di nuovi inibitori multitarget delle protein chinasi (PKI) con proprietà antitumorali e sullo studio di modulatori allosterici del recettore dell'adenosina A2A (A2AR) con potenziali applicazioni immunomodulatorie. Inizialmente progettati per colpire FLT3 e RET, la prima libreria di composti è stata testata anche contro CDK20, un bersaglio oncologico emergente per il quale esistono pochi inibitori noti. Dopo la progettazione e la sintesi di una prima libreria di PKI di tipo II, basata sullo scaffold di pirazolo-urea, abbiamo testato anche una libreria di acidi boronici, un chemiotipo poco rappresentato tra gli PKI. Entrambe le serie hanno prodotto composti con attività promettenti contro FLT3 in saggi enzimatici e cellulari, con un potenziale significativo per ulteriori sviluppi. Inoltre, abbiamo sviluppato un modello di omologia di CDK20 nella sua conformazione inattiva DFG-out per guidare lo screening della nostra libreria di pirazoli-urea contro questo bersaglio; l'unica struttura di CDK20 disponibile è un modello DFG-in generato utilizzando l’AI. L'accesso rapido alle pirazolo-uree è stato reso possibile da una via sintetica ottimizzata e personalizzata, che ha permesso di esplorare rapidamente un ampio spazio chimico. In collaborazione con il Prof. Marzaro (Università di Padova) abbiamo combinato il gruppo pirazolico con leganti per la regione cerniera. Questi composti hanno mostrato notevoli attività, profili ADMET in silico favorevoli e sono pronti per la valutazione in vivo su modelli di AML FLT3-driven. La collaborazione con i gruppi di ricerca del Prof. Prati e del Prof. Caselli dell'Università di Modena e Reggio Emilia ha portato all’esplorazione di composti contenenti boro come nuovi PKI. Lo screening della loro vasta libreria di composti boronici per l'affinità con FLT3 ha portato all'identificazione di diversi composti caratterizzati da valori μM di IC50. I saggi biologici per FLT3 e RET sono stati eseguiti presso i laboratori del Prof. Mologni all'Università di Milano Bicocca, mentre le valutazioni su CDK20 sono state effettuate dal gruppo di ricerca del Prof. Di Leva all'Università di Keele. Le conoscenze acquisite dalla SAR della serie guideranno la progettazione e la sintesi di una nuova serie di PKI ottimizzati. Si prevede che questi composti possiedano proprietà personalizzate, come la selettività CDK20/FLT3 modulabile, che promettono di passare a studi preclinici di fase successiva. Durante il mio dottorato, mi sono occupata anche dello sviluppo di modulatori allosterici positivi (PAM) per l'A2AR, un recettore accoppiato a proteine G noto per il suo coinvolgimento multiforme in vari processi fisiologici, tra cui l'infiammazione e l'immunità. I modulatori allosterici per l'A2AR rappresentano una strada promettente per regolare selettivamente la sua attività, attenuando al contempo gli effetti collaterali indesiderati associati agli agonisti e agli antagonisti ortosterici. L'indagine "hit to lead" su un PAM per il recettore A2AR ha portato alla sintesi di 14 nuovi composti.