5-HT2 receptor binding, functional activity and selectivity in N-benzyltryptamines

The last fifteen years have seen the emergence and overflow into the drug scene of “superpotent” N-benzylated phenethylamines belonging to the “NBOMe” series, accompanied by numerous research articles. Although N-benzyl substitution of 5-methoxytryptamine is known to increase its affinity and potency at 5-HT2 receptors associated with psychedelic activity, N-benzylated tryptamines have been studied much less than their phenethylamine analogs. To further our knowledge of the activity of N-benzyltryptamines, we have synthesized a family of tryptamine derivatives and, for comparison, a few 5-methoxytryptamine analogs with many different substitution patterns on the benzyl moiety, and subjected them to in vitro affinity and functional activity assays vs. the human 5-HT2 receptor subtypes. In the binding (radioligand displacement) studies some of these compounds exhibited only modest selectivity for either 5-HT2A or 5-HT2C receptors suggesting that a few of them, with affinities in the 10–100 nanomolar range for 5-HT2A receptors, might presumably be psychedelic. Unexpectedly, their functional (calcium mobilization) assays reflected very different trends. All of these compounds proved to be 5-HT2C receptor full agonists while most of them showed low efficacy at the 5-HT2A subtype. Furthermore, several showed moderateto-strong preferences for activation of the 5-HT2C subtype at nanomolar concentrations. Thus, although some N-benzyltryptamines might be abuse-liable, others might represent new leads for the development of therapeutics for weight loss, erectile dysfunction, drug abuse, or schizophreniaThis work was supported by FONDECYT (Chile) regular research grants 1110146 and 1150868 to BKC and CONICYT doctoral grant 21140358 to MT-SS

Síntesis de una familia de derivados halogenados de N-Benciltriptaminas con potencial actividad serotoninérgica

Tesis Doctor en QuímicaSe sintetizó una familia de derivados de triptamina y unos pocos análogos de 5- metoxitriptamina con sustituciones diferentes en el bencilo y se realizaron ensayos in vitro de afinidad y actividad funcional para los subtipos de receptores 5-HT2 humano. No hubo una correlación general entre afinidad y actividad. En los estudios de binding (desplazamiento de radioligando) algunos de estos compuestos solamente mostraron una selectividad moderada por los receptores 5-HT2A o 5-HT2C, lo que sugiere que aquellos compuestos que presentaron afinidades por los receptores 5-HT2A en el rango de 10-100 nanomolar podrían presumiblemente ser psicodélicos. La sustitución en posición para del grupo bencilo resultó en una disminución de la afinidad, mientras la sustitución en las posiciones meta o para mejoró la afinidad. Inesperadamente, los ensayos de actividad funcional (movilización de calcio) reflejaron tendencias muy diferentes. Todos estos compuestos resultaron ser agonistas totales por el receptor 5- HT2C, mientras que la mayoría mostró baja eficacia o ninguna en el subtipo 5-HT2A. Además, varios mostraron una preferencia moderada a fuerte por la activación del subtipo 5-HT2C a concentraciones nanomolares. Para racionalizar los datos experimentales de afinidad, se desarrollaron los modelos computacionales de los receptores. Los modelos tridimensionales de los receptores 5- HT2A y 5-HT2B humano se construyeron por homología utilizando la estructura cristalina del receptor 5-HT2C. Se realizó el “docking” de los derivados en estos modelos y se observaron varias interacciones comunes. Algunas de estas interacciones responsables para el reconocimiento de los derivados de triptamina son una interacción electrostática formada entre la amina protonada de los ligandos y Asp 3.32, una interacción polar entre el NH indólico y un residuo polar (Ser 5.42, Ser 3.36, Ser 2.61, Leu 228 (LE2), Tyr 7.43 o Thr 3.37), el cual varía de acuerdo al subtipo del receptor y a la pose adoptada por cada ligando en el sitio de unión. En algunos casos la mitad Nbencil interactúa con Phe 6.51 y el anillo indólico interactúa con Phe 6.52, similar a la pose común adoptada por las N-bencilfenietilaminas. Una interacción importante con el receptor 5-HT2A observada en tres casos (5, pKi 7.92; 11, pKi 8.09; and 21, pKi 7.85) es el puente de halógeno, el cual es una interacción estable entre un átomo de halógeno y un átomo electronegativo cercano. Esta interacción es producida por la presencia de un “ hole” que se origina debido a la distribución anisotrópica de densidad de carga en el átomo de halógeno (Cl, Br, I). Se realizó una simulación de dinámica molecular (MD) para el ligando 21, observándose una interacción estable entre el átomo de halógeno y el oxígeno del carbonilo de Leu 362 (LE3) del receptor, que concordó con el valor alto de pKi. La distancia halógeno-oxígeno encontrada es menor a la suma de los radios de van der Waals (3.30 Å), y el ángulo C-XO es aproximadamente 172°, ambos parámetros adecuados en cuanto a la formación del puente de halógeno. Este trabajo ha ampliado el acotado conocimiento de la farmacología de las Nbenciltriptaminas a una serie mucho más grande que la registrada previamente, surgiendo de éste nuevos conocimientos sobre la afinidad y la selectividad por los subtipos del receptor 5-HT2. Así, aunque algunas N-benciltriptaminas pueden ser utilizadas como complemento en psicoterapia o potencialmente como droga de abuso, otras podrían representar nuevas pistas para el desarrollo de tratamientos para la pérdida de peso, disfunción eréctil, abuso de droga o esquizofreniaA family of tryptamine derivatives and a few 5-methoxytryptamine analogs were synthesized with many different substitution patterns on the benzyl moiety, and all were assayed for in vitro affinity and functional activity vs. the human 5-HT2 receptor subtypes. There was no general correlation between affinity and function. In the binding (radioligand displacement) studies some of these compounds exhibited only modest selectivity for either 5-HT2A or 5-HT2C receptors suggesting that a few of them, with affinities in the 10-100 nanomolar range for 5-HT2A receptors, might presumably be psychedelic. Substitution at the para position of the benzyl group resulted in reduced affinity, whereas substitution in either the ortho or the meta position enhanced affinity. Unexpectedly, their functional (calcium mobilization) assays reflected very different trends. All of these compounds proved to be 5-HT2C receptor full agonists while most of them showed low efficacy or none at all at the 5-HT2A subtype. Furthermore, several showed moderate-to-strong preferences for activation of the 5-HT2C subtype at nanomolar concentrations. In order to rationalize the experimental affinity data, computational models of the receptors were developed. Three-dimensional homology models of the human 5-HT2A and 5-HT2B receptors were built from the crystal structure of the closely related 5-HT2C receptor. The derivatives were docked into these models, leading to the suggestion of several common interactions. Some of these, responsible for the recognition of tryptamine derivatives, are an ionic bond formed between the protonated amine of the ligands and Asp 3.32, a polar interaction between the índole NH and a polar residue (Ser 5.42, Ser 3.36, Ser 2.61, Leu 228 (EL2), Tyr 7.43 or Thr 3.37), varying according to the receptor subtype and the pose adopted by each ligand at the binding site. In some cases the N-benzyl moiety interacts with Phe 6.51, and the indole ring portion interacts with Phe 6.52, similar to the common pose adopted by N-benzylphenethylamines. An important interaction with the 5-HT2A receptor, detected in three cases (5, pKi 7.92; 11, pKi 8.09; and 21, pKi 7.85) is the halogen bond, which is a stable interaction between a halogen atom and a nearby electronegative atom. This interaction is produced by the presence of a “ hole” due to the anisotropic distribution of charge density on the halogen atom (Cl, Br, I). A molecular dynamics (MD) simulation was performed for 21 which agreed with the high pKi value, showing stable interactions between the halogen atom and the Leu 362 (EL3) carbonyl oxygen of the receptor. The halogen-oxygen distance found is less than the sum of the van der Waals radii (3.30 Å), and the C–XO angle is about 172°, as expected for halogen bond formation. This work has extended the scanty knowledge of N-benzyltryptamine pharmacology to a much larger series than recorded previously, leading to new insights regarding their affinity and selectivity for the 5-HT2 receptor subtypes. Thus, although some Nbenzyltryptamines might be useful adjuncts for psychotherapy or potentially abuseliable, others might represent new leads for the development of therapeutics for weight loss, erectile dysfunction, drug abuse, or schizophreniaCONICY