Design and synthesis of innovative inhibitors targeting the NLRP3 inflammasome

Questa tesi esplora il design, la sintesi e la valutazione biologica preliminare di innovativi inibitori mirati all’inflammasoma NLRP3, un regolatore chiave dell’immunità innata e dell’infiammazione. La disregolazione di questo complesso proteico è implicata in numerose patologie infiammatorie e autoimmuni, tra cui la gotta, il diabete di tipo II, la malattia di Alzheimer e il cancro. Un focus centrale è stata la sintesi di derivati diarilsolfonilureici, ispirati a MCC950, un inibitore di riferimento dell’inflammasoma NLRP3. Adottando una strategia di attivazione mediata da carbammati, questo studio ha superato le limitazioni dei tradizionali metodi basati su isocianati, ottenendo maggiore efficienza e protocolli più snelli. Questi derivati hanno mantenuto il core solfonilureico di MCC950, introducendo sostituzioni ariliche diversificate per facilitare studi dettagliati di relazione struttura-attività (SAR). Le prime valutazioni biologiche hanno dimostrato un’inibizione significativa della secrezione di IL-1β in modelli macrofagici, evidenziandone il potenziale terapeutico. Inoltre, è stata affrontata la sintesi di derivati isotiazolone diossido, progettati come inibitori irreversibili dell’inflammasoma NLRP3. Integrando un sistema accettore di Michael, questi composti sono stati concepiti per formare legami covalenti con residui chiave del sito di legame dell’inflammasoma, offrendo la possibilità di un’attività antinfiammatoria prolungata. L’approccio sintetico si è dimostrato versatile e scalabile, consentendo ulteriori indagini farmacologiche. Il progetto ha inoltre portato alla sintesi totale del velutone F, un composto naturale a base di calconi noto per le sue proprietà inibitorie nei confronti di NLRP3. Attraverso diverse metodologie sintetiche, è stato possibile costruire il nucleo benzofuranico e il sistema enonico chiave, ottenendo anche regioisomeri non naturali per l’esplorazione SAR. Questi studi hanno fornito una base solida per lo sviluppo di inibitori dell’inflammasoma ispirati ai calconi, con potenziale rilevanza terapeutica. Infine, è stata avviata la sintesi di derivati basati sulla tetraidroisochinolina (THIQ) N-benzilata, con l’obiettivo di sviluppare molecole ibride con doppia attività mirata all’inflammasoma NLRP3 e, possibilmente, all’asse CD44/HA. Sebbene la valutazione biologica di questi composti sia prevista per studi futuri, il percorso sintetico ottimizzato ne evidenzia il potenziale come agenti antinfiammatori e antiproliferativi. In conclusione, questa ricerca contribuisce allo sviluppo di molecole mirate all’inflammasoma NLRP3, tra cui solfoniluree, isotiazolone diossidi, derivati dei calconi e composti basati su THIQ, offrendo una promettente base per il trattamento di malattie infiammatorie e autoimmuni.

This thesis explores the design, synthesis, and preliminary biological evaluation of innovative inhibitors targeting the NLRP3 inflammasome, a pivotal regulator of innate immunity and inflammation. Dysregulation of this protein complex is implicated in various inflammatory and autoimmune disorders, including gout, type II diabetes, Alzheimer’s disease, and cancer. A central focus was the synthesis of diarylsulfonylurea derivatives, inspired by MCC950, a benchmark NLRP3 inhibitor. By adopting a carbamate-mediated activation strategy, this study overcame the limitations of traditional isocyanate-based methods, yielding higher efficiencies and streamlined protocols. These derivatives retained MCC950’s sulfonylurea core while incorporating diverse aryl substitutions, facilitating detailed structure-activity relationship (SAR) studies. Initial biological evaluations demonstrated significant inhibition of IL-1β secretion in macrophage models, highlighting their therapeutic promise. Additionally, this work included the synthesis of isotiazolone dioxide derivatives, designed as irreversible inhibitors of the NLRP3 inflammasome. By integrating a Michael acceptor system, these compounds were tailored to form covalent bonds with key residues at the inflammasome binding site, offering potential for sustained anti-inflammatory activity. The synthetic approach proved versatile and scalable, enabling further pharmacological investigations. The project also achieved the total synthesis of velutone F, a chalcone-based natural compound with potent NLRP3 inhibitory properties. By employing diverse synthetic methodologies, the benzofuran core and key enone moiety were constructed, leading to non-natural regioisomers for SAR exploration. These efforts established a foundation for developing chalcone-inspired inflammasome inhibitors with therapeutic relevance. Finally, the synthesis of N-benzylated tetrahydroisoquinoline (THIQ)-based derivatives was initiated, aiming to produce hybrid molecules with dual activity targeting the NLRP3 inflammasome and possibly the CD44/HA axis. While biological evaluation of these compounds is scheduled for future studies, the optimized synthetic pathway highlights their potential as anti-inflammatory and antiproliferative agents. In conclusion, this research advances the development of NLRP3-targeting molecules, including sulfonylureas, isotiazolone dioxides, chalcone derivatives, and THIQ-based compounds, offering a promising framework for the treatment of inflammatory and autoimmune diseases.