Modified nucleotides as tools for obtaining therapeutic mRNAs: synthesis, properties and selected applications

Nowoczesne terapie oparte o mRNA, takie jak immunoterapia przeciwnowotworowa czy terapia genowa, budzą coraz większe zainteresowanie jako możliwe opcje terapeutyczne. Wciąż jednak jedną z głównych przeszkód stojących na drodze skutecznego zastosowania terapeutycznego mRNA in vivo jest jego niewystarczająca stabilność oraz zbyt niski poziom translacji w warunkach komórkowych. W związku z tym, istnieje potrzeba opracowywania nowych skutecznych metod poprawiających właściwości farmakokinetyczne i farmakodynamiczne mRNA. Celem zrealizowanego przeze mnie projektu była synteza i wykorzystanie niehydrolizowalnych pochodnych nukleotydów do stabilizacji cząsteczki mRNA oraz zwiększenia jej potencjału translacyjnego w warunkach komórkowych. Cząsteczki mRNA zbudowane są z kilku elementów strukturalnych takich jak 5’ kap, region nieulegający translacji 5’ UTR, region kodujący, region nieulegający translacji 3’ UTR oraz ogon poli A. W pracy podjęto zagadnienie odpowiedniego projektowania i modyfikowania tych elementów za pomocą metod chemicznych jako jednej z potencjalnych metod optymalizacji stabilności i potencjału translacyjnego mRNA. Przeprowadzone badania skupiają się na syntezie i ocenie właściwości biologicznych nowych analogów 5’ kapu oraz prekursorów ogona poli A zaprojektowanych pod kątem zwiększenia odporności na dekaping i deadenylację oraz zwiększenia potencjału translacyjnego mRNA in vivo. W ramach pracy udało się otrzymać szereg oryginalnych związków (nukleotydów zawierających odpowiednie modyfikacje łańcucha oligofosforanowego) łączących się w cztery odrębne typy molekularnych narzędzi przydatnych do stabilizacji mRNA. Opracowano również nową metodę syntezy modyfikowanych nukleotydów umożliwiającą otrzymanie wielu cennych biologicznie związków zawierających modyfikacje tio-, borano-, selenofosforanowe, imidodifosforanowe i metylenobisfosfonianowe oraz ich kombinacje. Ponadto, przeprowadzono eksperymenty pozwalające na zbadanie wpływu nowych związków na zachowanie mRNA in vitro oraz w ludzkich niedojrzałych komórkach dendrytycznych (hiDC) oraz wyselekcjonowano najbardziej obiecujące związki odporne na degradację enzymatyczną oraz stymulujące translację mRNA. Jako że podwyższona stabilność i wydajna translacja mRNA w hiDC są pożądanym efektem w immunoterapiach antynowotworowych, otrzymane związki stanowią cenne potencjalne narzędzie do produkcji użytecznego terapeutycznie mRNA.mRNA-based therapies such as anti-cancer immunotherapies or gene therapies receive more and more attention as a new potential option of medical treatment. One limiting obstacle for in vivo and therapeutic applications of mRNAs is their instability and insufficient translation in the cellular environment. Therefore, mRNA-based therapies need simple methods of mRNA modification which would improve pharmacokinetic and pharmacodynamic properties of mRNA. The main goal of this work was a synthesis and application of nonhydrolizable nucleotides derivatives to synthesis of stable and efficiently translated mRNA in vivo. mRNA molecules consist of several important structural elements such as a 5’cap, 5’ untranslated region, coding region, 3’ untranslated region and polyA tail. This work explores the concepts of logic-driven design and engineering of these elements by chemical methods as one potential method to increase stability and translational capabilities of mRNA. The research is focused on the synthesis and evaluation of biological properties of novel 5’ cap analogs and polyA precursors designed to inhibit decapping and deadenylation and enhance mRNA potential in vivo. A number of original compounds (nucleotides containing appropriate oligophosphate chain modifications) were obtained and divided in four types of molecular tools useful for mRNA stabilization. In addition, a new synthetic method was developed which enabled the synthesis of many biologically important nucleotides containig phosphorothioate, boranophosphate, selenophosphate, imidodiphosphate and methylenebisphosphonate modifications and their combinations. Finally, the influence of new compounds on behavior of mRNA in vitro and in human immature dendritic cells (hiDCs) were examined and the most promising compounds, resistant to enzymatic hydrolysis and enhancing translation of mRNA, were selected. Since increased stability and translatability of mRNA in hiDCs is a desired effect in anti-cancer immunotherapies, the new compounds become potential tools for therapeutic mRNA production

Preparation of Synthetically Challenging Nucleotides Using Cyanoethyl P‑Imidazolides and Microwaves

We describe a general method for the elongation of nucleoside oligophosphate chains by means of cyanoethyl (CE) phosphorimidazolides. Though the method requires a phosphorylation and subsequent deprotection reaction, both steps could be achieved in one pot without isolation/purification of the initial phosphorylation product. We have also found that pyrophosphate bond formation by this method is significantly accelerated by microwave irradiation