Synthesis and structure-activity relationship of new psychoactive substances. Role of ring-substitutions, amino-terminal group and alpha-carbon side chain length in the pharmacological profile of novel synthetic cathinones

Abstract

Les substàncies psicoactives han estat consumides des de fa milers d´anys pels éssers humans per motius espirituals, medicinals, de plaer, productivitat o socials. Amb l'evolució de la química orgànica, els químics van poder identificar l'estructura molecular d'aquests compostos i manipular-la per crear substàncies noves. Aquestes noves molècules es coneixen com a Noves Substàncies Psicoactives (NSP), i mimiquen l'efecte de compostos ja considerats il·lícits. Entre les NSP, un dels grups de compostos més populars són les catinones sintètiques, compostos ß-cetònics amfetamínics que, a causa de la seva similitud química amb altres psicoestimulants, produeixen propietats estimulants, euforitzants, empatògenes i gratificants similars. A causa de la seva recent aparició al mercat de drogues il·lícites, se sap poc sobre els seus efectes farmacològics. A més, la modificació constant de la seva estructura química provoca l'aparició de noves catinones sintètiques a un ritme sense precedents. Els estudis de relació estructura-activitat (REA) pretenen correlacionar una estructura química específica amb un efecte concret. Per tant, en aquesta tesi ens vam proposar establir una SAR de catinones sintètiques estudiant l'impacte dels substituents aromàtics, la naturalesa i mida del terminal amino i de la cadena alifàtica en l'estructura química de noves catinones sintètiques.

S'han sintetitzat i caracteritzat disset catinones sintètiques. Posteriorment, se n'ha estudiat el mecanisme d'acció i els efectes sobre el comportament. S'ha demostrat que les catinones substituïdes amb N-etil tenen una potència més gran en la inhibició del transportador de dopamina (DAT) que els seus anàlegs N-metil, encara que la presència de substitucions aríliques va augmentar la potència en la inhibició del transportador de serotonina (SERT). De fet, algunes N-etil i N-metil catinones han demostrat posseir propietats híbrides, actuant com a bloquejadores en DAT però com a alliberadores a SERT. A més, les meta-substituïdes-a-pirolidinovalerofenones van resultar ser més dopaminèrgiques que les seves para-anàlogues, cosa que es va correlacionar amb els majors efectes psicoestimulants observats in vivo. A més, l'augment de la longitud de la cadena lateral alifàtica de les catinones substituïdes amb N-etil d'un metil a un propil augmenta la potència al DAT. Tot i així, l'addició de quatre o més carbonis provoca una disminució de l'afinitat en aquest transportador i, per tant, una reducció dels efectes psicoestimulants. L'allargament de la cadena lateral alifàtica també va provocar un augment de la neurotoxicitat. De totes les catinones analitzades, la N-etil-heptedrona (NEHP) va ser l'única catinona que no va mostrar efectes gratificants significatius, encara que seguia presentant una puntuació de preferència positiva. De fet, la majoria de les catinones són capaces d'induir recompensa a dosis baixes (< 3 mg/kg), cosa que indica una alta probabilitat d'abús, el que concorda amb els elevats ratis DAT/SERT observats in vitro. S'han observat efectes de tipus ansiogènic després de l'administració aguda de 10 o 30 mg/kg per a la majoria de les a-pirolidinovalerofenones i derivats de la N-etil-hexedrona (NEH) estudiats, la qual cosa dóna suport a la hipòtesi que els mecanismes dopaminèrgics estan implicats en alguns aspectes de l'ansietat. Per acabar, es va estudiar la capacitat d'algunes catinones per induir neuroplasticitat. Es va observar una sobreexpressió d'Arc i c-fos a les catinones que presentaven majors efectes dopaminèrgics i psicoestimulants. D'altra banda, els nivells de bdnf només van augmentar després de l'administració de N-etilpentilona (NEP), la catinona amb majors propietats serotoninèrgiques en comparació amb els seus anàlegs.

En resum, aquesta tesi doctoral pretén aportar nous coneixements sobre els efectes de catinones sintètiques que han aparegut recentment al mercat de les drogues il·lícites, i ajudar a predir els efectes de les catinones sintètiques que podrien aparèixer en un futur proper. De fet, alguns dels resultats d'aquesta tesi doctoral han estat enviats a les autoritats sanitàries i legals corresponents (European Monitoring Center of Drugs and Drug Abuse, (EMCDDA); Plan Nacional sobre Drogas; Centre de referència nacional), a fi d'aportar evidències científiques per a la catalogació d'aquestes substàncies com a substàncies controlades i elevar el nivell d'alerta necessari degut als seu potencial addictiu, neurotòxic i psicoestimulant.

Las sustancias psicoactivas han sido consumidas desde hace miles de años por los seres humanos por motivos espirituales, medicinales, de placer, productividad o sociales. Con la evolución de la química orgánica, los químicos pudieron identificar la estructura molecular de estos compuestos y manipularla para crear nuevas sustancias. Estas nuevas moléculas se conocen como Nuevas Sustancias Psicoactivas (NSP), y mimetizan el efecto de compuestos ya considerados ilícitos. Entre las NSP, uno de los grupos de compuestos más populares son las catinonas sintéticas, compuestos ß-cetónicos anfetamínicos que, debido a su similitud química con otros psicoestimulantes, producen propiedades estimulantes, euforizantes, empatógenas y gratificantes similares. Debido a su reciente aparición en el mercado de drogas ilícitas, se sabe poco sobre sus efectos farmacológicos. Además, la constante modificación de su estructura química provoca la aparición de nuevas catinonas sintéticas a un ritmo sin precedentes. Los estudios de relación estructura-actividad (REA) pretenden correlacionar una estructura química específica con un efecto concreto. Por lo tanto, en la presente tesis nos propusimos establecer una SAR de catinonas sintéticas estudiando el impacto de los sustituyentes aromáticos, la naturaleza y tamaño del terminal amino y de la cadena alifática en la estructura química de nuevas catinonas sintéticas.

Se han sintetizado y caracterizado diecisiete catinonas sintéticas. Posteriormente, se ha estudiado su mecanismo de acción y sus efectos sobre el comportamiento. Se ha demostrado que las catinonas sustituidas con N-etil tienen una mayor potencia en la inhibición del transportador de dopamina (DAT) que sus análogos N-metil, aunque la presencia de sustituciones arílicas aumentó la potencia en la inhibición del transportador de serotonina (SERT). De hecho, algunas N-etil y N-metil catinonas han demostrado poseer propiedades híbridas, actuando como bloqueadoras en DAT pero como liberadoras en SERT. Además, las meta-sustituidas-a-pirrolidino-valerofenonas resultaron ser más dopaminérgicas que sus para-análogas, lo que se correlacionó con los mayores efectos psicoestimulantes observados in vivo. Además, el aumento de la longitud de la cadena lateral alifática de las catinonas sustituidas con N-etil de un metilo a un propilo aumenta la potencia en el DAT. Sin embargo, la adición de cuatro o más carbonos provoca una disminución de la afinidad en este transportador y, por tanto, una reducción de los efectos psicoestimulantes. El alargamiento de la cadena lateral alifática también provocó un aumento de la neurotoxicidad. De todas las catinonas analizadas, la N-etil-heptedrona (NEHP) fue la única catinona que no mostró efectos gratificantes significativos, aunque seguía presentando una elevada puntuación en el test de preferencia de lugar condicionado. De hecho, la mayoría de las catinonas son capaces de inducir recompensa a dosis bajas (<3 mg/kg), indicando una alta probabilidad de abuso, lo que concuerda con los elevados ratios DAT/SERT observadas in vitro. Se han observado efectos de tipo ansiogénico tras la administración aguda de 10 o 30 mg/kg para la mayoría de las a-pirrolidino-valerofenonas y derivados de la N-etil-hexedrona (NEH) estudiados, lo que apoya la hipótesis de que los mecanismos dopaminérgicos están implicados en algunos aspectos de la ansiedad. Por último, se estudió la capacidad de algunas catinonas para inducir neuroplasticidad. Se observó una sobreexpresión de Arc y c-fos en las catinonas que presentaban mayores efectos dopaminérgicos y psicoestimulantes. Por otro lado, los niveles de bdnf sólo aumentaron tras la administración de N-etil-pentilona (NEP), la catinona con mayores propiedades serotoninérgicas en comparación con sus análogos.

En resumen, esta tesis doctoral pretende aportar nuevos conocimientos sobre los efectos de catinonas sintéticas que han aparecido recientemente en el mercado de las drogas ilícitas, y ayudar a predecir los efectos de las catinonas sintéticas que podrían aparecer en un futuro próximo. De hecho, algunos de los resultados de esta tesis doctoral han sido enviados a las autoridades sanitarias y legales correspondientes (European Monitoring Center of Drugs and Drug Abuse, (EMCDDA); Plan Nacional sobre Drogas; Centro de referencia nacional), con el fin de aportar evidencias científicas para la catalogación de estos compuestos como sustancias controlados y elevar el nivel de alerta necesario debido a su potencial adictivo, neurotóxico y psicoestimulante.

Psychoactive substances have been consumed for thousands of years by human beings for either spiritual, medicinal, pleasure, productivity or social reasons. With the evolution of organic chemistry, chemists were able to identify the molecular structure of these compounds and manipulate it to create new substances. These novel molecules are known as New Psychoactive Substances (NPS), and mimic the effect of already considered illicit compounds. Among NPS, one of the most arising group of compounds are synthetic cathinones, ß-ketone amphetamine compounds that due to their chemical similarity to other psychostimulants, produce similar stimulant, euphoric, empathogenic and rewarding properties. Because of their recent appearance in the illicit drug market, little is known about their pharmacological effects. Additionally, the constant modification of their chemical structure leads to the emergence of new synthetic cathinones at an unprecedented rate. Structure-activity relationship (SAR) studies aim to correlate a specific chemical structure with a specific effect. Therefore, in the present thesis we aimed on establishing a SAR of synthetic cathinones by studying the impact of aromatic substituents, the nature and size of the terminal amine and the α-carbon side-chain length in the chemical structure of novel synthetic cathinones.

Seventeen synthetic cathinones have been synthesized and characterized. Subsequently, their mechanism of action and behavioral effects have been studied. It has been shown that N-ethyl substituted cathinones have higher potency at inhibiting the dopamine transporter (DAT) than their N-methyl analogues, although the presence of aryl substitutions increased the potency at inhibiting the serotonin transporter (SERT). In fact, some N-ethyl and N-methyl cathinones have shown to possess hybrid properties, acting as DAT blockers but SERT releasers. Moreover, meta-substituted-a-pyrrolidino-valerophenones turned out to be more dopaminergic than their para-analogues, which correlated with the higher psychostimulant effects observed in vivo. Additionally, increasing the length of the aliphatic side chain of N-ethyl substituted cathinones from a methyl to a propyl increases the potency at DAT. However, addition of four or more carbons results in a decreased affinity at this transporter and therefore, in reduced psychostimulant effects. Elongation of the aliphatic side chain also resulted in an increased neurotoxicity. Among all the cathinones tested, N-ethyl-heptedrone (NEHP) was the only cathinone that did not show significant rewarding effects, although still presenting a positive preference score. In fact, most of the cathinones are able to induce reward at low doses (<3 mg/kg), indicating a high abuse liability, which is in accordance with the high DAT/SERT ratios observed in vitro. Anxiolytic-like effects were observed after acute administration of 10 or 30 mg/kg for most of a-pyrrolidino-valerophenones and N-ethyl-hexedrone (NEH) derivatives studied, supporting the hypothesis that dopaminergic mechanisms are involved in some aspects of anxiety. Finally, the ability of some cathinones to induce neuroplasticity was studied. Overexpression of Arc and c-fos was observed for the cathinones presenting stronger dopaminergic effects and higher psychostimulant effects. On the other hand, bdnf was only up-regulated after administration of N-ethyl-pentylone (NEP), the cathinone presenting higher serotoninergic properties than their analogues.

To sum up, this doctoral thesis aims to provide new insights on the effects of new synthetic cathinones that have recently appeared on the illicit drug market, and help to predict the effects of synthetic cathinones that might appear in the near future. In fact, some of the results of this doctoral thesis have been sent to the corresponding health and legal authorities (European Monitoring Center of Drugs and Drug Abuse, (EMCDDA); Plan Nacional sobre Drogas; National Focal point), to provide scientific evidences for the schedule of these compounds as legal controlled substances and raise the level of alertness due to their addictive, neurotoxic and psychostimulant potential.