Obtenció de nous anàlegs amb activitat brassinoesteroide mitjançant modelització molecular i síntesi

Els brassinoesteroides són productes naturals que actuen com a potents reguladors del creixement vegetal. Presenten aplicacions prometedores en l’agricultura degut a que, aplicats exògenament, augmenten la qualitat i la quantitat de les collites. Ara bé, el seu ús s’ha vist restringit degut a la seva costosa obtenció. Aquest fet ha motivat la recerca de nous compostos actius més assequibles. En aquest projecte es planteja el disseny i obtenció de nous anàlegs seguint diferents estratègies que impliquen tant l’ús de mètodes de modelització molecular com de síntesi orgànica. La primera d’aquestes estratègies consisteix en buscar compostos actius en bases de dades de compostos comercials a través de processos de Virtual Screening desenvolupats amb mètodes computacionals basats en Camps d’Interacció Molecular. Així, es van establir i interpretar models de Relacions Quantitatives Estructura-Activitat (QSAR) emprant descriptors independents de l’alineament (GRIND) i, amb col•laboració amb la Universitat de Perugia, aquest criteri de cerca es va ampliar amb l’aplicació de descriptors FLAP de nova generació. Una altra estratègia es va basar en intentar substituir l’esquelet esteroide dels brassinoesteroides per una estructura equivalent, fixant com a cadena lateral el grup (R)-hexahidromandelil. S’han aplicat dos criteris: mètodes computacionals basats en models QSAR establerts amb descriptors GRIND i també en la metodologia SHOP (scaffold hopping), i, per altra banda, anàlegs proposats racionalment a partir d’un estudi efectuat sobre disruptors endocrins no esteroïdals. Sobre les estructures trobades s’hi va unir la cadena lateral comercial esmentada per via sintètica, en la qual s’ha hagut de fer un èmfasi especial en grups protectors. En total, 49 estructures es proposen per a ser obtingudes sintèticament. També s’ha treballat en l’obtenció un agonista derivat de l’hipotètic antagonista KM-01. Totes les molècules candidates, ja siguin comercials o obtingudes sintèticament, estant sent avaluades en el test d’inclinació de la làmina d’arròs (RLIT).

The use of biodiversity as source of new chemical entities against defined molecular targets for treatment of malaria, tuberculosis, and T-cell mediated diseases: a review

The modern approach to the development of new chemical entities against complex diseases, especially the neglected endemic diseases such as tuberculosis and malaria, is based on the use of defined molecular targets. Among the advantages, this approach allows (i) the search and identification of lead compounds with defined molecular mechanisms against a defined target (e.g. enzymes from defined pathways), (ii) the analysis of a great number of compounds with a favorable cost/benefit ratio, (iii) the development even in the initial stages of compounds with selective toxicity (the fundamental principle of chemotherapy), (iv) the evaluation of plant extracts as well as of pure substances. The current use of such technology, unfortunately, is concentrated in developed countries, especially in the big pharma. This fact contributes in a significant way to hamper the development of innovative new compounds to treat neglected diseases. The large biodiversity within the territory of Brazil puts the country in a strategic position to develop the rational and sustained exploration of new metabolites of therapeutic value. The extension of the country covers a wide range of climates, soil types, and altitudes, providing a unique set of selective pressures for the adaptation of plant life in these scenarios. Chemical diversity is also driven by these forces, in an attempt to best fit the plant communities to the particular abiotic stresses, fauna, and microbes that co-exist with them. Certain areas of vegetation (Amazonian Forest, Atlantic Forest, Araucaria Forest, Cerrado-Brazilian Savanna, and Caatinga) are rich in species and types of environments to be used to search for natural compounds active against tuberculosis, malaria, and chronic-degenerative diseases. The present review describes some strategies to search for natural compounds, whose choice can be based on ethnobotanical and chemotaxonomical studies, and screen for their ability to bind to immobilized drug targets and to inhibit their activities. Molecular cloning, gene knockout, protein expression and purification, N-terminal sequencing, and mass spectrometry are the methods of choice to provide homogeneous drug targets for immobilization by optimized chemical reactions. Plant extract preparations, fractionation of promising plant extracts, propagation protocols and definition of in planta studies to maximize product yield of plant species producing active compounds have to be performed to provide a continuing supply of bioactive materials. Chemical characterization of natural compounds, determination of mode of action by kinetics and other spectroscopic methods (MS, X-ray, NMR), as well as in vitro and in vivo biological assays, chemical derivatization, and structure-activity relationships have to be carried out to provide a thorough knowledge on which to base the search for natural compounds or their derivatives with biological activity.

Molecular modeling of peptide-MHC class I complexes : applications to peptide based immunotherapy

Summary The specific CD8+ T cell immune response against tumors relies on the recognition by the T cell receptor (TCR) on cytotoxic T lymphocytes (CTL) of antigenic peptides bound to the class I major histocompatibility complex (MHC) molecule. Such tumor associated antigenic peptides are the focus of tumor immunotherapy with peptide vaccines. The strategy for obtaining an improved immune response often involves the design of modified tumor associated antigenic peptides. Such modifications aim at creating higher affinity and/or degradation resistant peptides and require precise structures of the peptide-MHC class I complex. In addition, the modified peptide must be cross-recognized by CTLs specific for the parental peptide, i.e. preserve the structure of the epitope. Detailed structural information on the modified peptide in complex with MHC is necessary for such predictions. In this thesis, the main focus is the development of theoretical in silico methods for prediction of both structure and cross-reactivity of peptide-MHC class I complexes. Applications of these methods in the context of immunotherapy are also presented. First, a theoretical method for structure prediction of peptide-MHC class I complexes is developed and validated. The approach is based on a molecular dynamics protocol to sample the conformational space of the peptide in its MHC environment. The sampled conformers are evaluated using conformational free energy calculations. The method, which is evaluated for its ability to reproduce 41 X-ray crystallographic structures of different peptide-MHC class I complexes, shows an overall prediction success of 83%. Importantly, in the clinically highly relevant subset of peptide-HLAA*0201 complexes, the prediction success is 100%. Based on these structure predictions, a theoretical approach for prediction of cross-reactivity is developed and validated. This method involves the generation of quantitative structure-activity relationships using three-dimensional molecular descriptors and a genetic neural network. The generated relationships are highly predictive as proved by high cross-validated correlation coefficients (0.78-0.79). Together, the here developed theoretical methods open the door for efficient rational design of improved peptides to be used in immunotherapy. Résumé La réponse immunitaire spécifique contre des tumeurs dépend de la reconnaissance par les récepteurs des cellules T CD8+ de peptides antigéniques présentés par les complexes majeurs d'histocompatibilité (CMH) de classe I. Ces peptides sont utilisés comme cible dans l'immunothérapie par vaccins peptidiques. Afin d'augmenter la réponse immunitaire, les peptides sont modifiés de façon à améliorer l'affinité et/ou la résistance à la dégradation. Ceci nécessite de connaître la structure tridimensionnelle des complexes peptide-CMH. De plus, les peptides modifiés doivent être reconnus par des cellules T spécifiques du peptide natif. La structure de l'épitope doit donc être préservée et des structures détaillées des complexes peptide-CMH sont nécessaires. Dans cette thèse, le thème central est le développement des méthodes computationnelles de prédiction des structures des complexes peptide-CMH classe I et de la reconnaissance croisée. Des applications de ces méthodes de prédiction à l'immunothérapie sont également présentées. Premièrement, une méthode théorique de prédiction des structures des complexes peptide-CMH classe I est développée et validée. Cette méthode est basée sur un échantillonnage de l'espace conformationnel du peptide dans le contexte du récepteur CMH classe I par dynamique moléculaire. Les conformations sont évaluées par leurs énergies libres conformationnelles. La méthode est validée par sa capacité à reproduire 41 structures des complexes peptide-CMH classe I obtenues par cristallographie aux rayons X. Le succès prédictif général est de 83%. Pour le sous-groupe HLA-A*0201 de complexes de grande importance pour l'immunothérapie, ce succès est de 100%. Deuxièmement, à partir de ces structures prédites in silico, une méthode théorique de prédiction de la reconnaissance croisée est développée et validée. Celle-ci consiste à générer des relations structure-activité quantitatives en utilisant des descripteurs moléculaires tridimensionnels et un réseau de neurones couplé à un algorithme génétique. Les relations générées montrent une capacité de prédiction remarquable avec des valeurs de coefficients de corrélation de validation croisée élevées (0.78-0.79). Les méthodes théoriques développées dans le cadre de cette thèse ouvrent la voie du design de vaccins peptidiques améliorés.

Chemodiversity and molecular plasticity: recognition processes as explored by property spaces.

In the last few years, a need to account for molecular flexibility in drug-design methodologies has emerged, even if the dynamic behavior of molecular properties is seldom made explicit. For a flexible molecule, it is indeed possible to compute different values for a given conformation-dependent property and the ensemble of such values defines a property space that can be used to describe its molecular variability; a most representative case is the lipophilicity space. In this review, a number of applications of lipophilicity space and other property spaces are presented, showing that this concept can be fruitfully exploited: to investigate the constraints exerted by media of different levels of structural organization, to examine processes of molecular recognition and binding at an atomic level, to derive informative descriptors to be included in quantitative structure--activity relationships and to analyze protein simulations extracting the relevant information. Much molecular information is neglected in the descriptors used by medicinal chemists, while the concept of property space can fill this gap by accounting for the often-disregarded dynamic behavior of both small ligands and biomacromolecules. Property space also introduces some innovative concepts such as molecular sensitivity and plasticity, which appear best suited to explore the ability of a molecule to adapt itself to the environment variously modulating its property and conformational profiles. Globally, such concepts can enhance our understanding of biological phenomena providing fruitful descriptors in drug-design and pharmaceutical sciences.

Progress on Lamellarins

This review covers recent literature on the lamellarins, a family of marine natural products, and related analogs, encompassing synthetic strategies for total synthesis, structure-activity relationships (SAR), and studies on mechanisms of biological action, namely in the context of antitumor activity. It reviews work published from January 2008 to December 2010.

A web-based tool to aid the identification of chemicals potentially posing a health risk through percutaneous exposure

Occupational hygiene practitioners typically assess the risk posed by occupational exposure by comparing exposure measurements to regulatory occupational exposure limits (OELs). In most jurisdictions, OELs are only available for exposure by the inhalation pathway. Skin notations are used to indicate substances for which dermal exposure may lead to health effects. However, these notations are either present or absent and provide no indication of acceptable levels of exposure. Furthermore, the methodology and framework for assigning skin notation differ widely across jurisdictions resulting in inconsistencies in the substances that carry notations. The UPERCUT tool was developed in response to these limitations. It helps occupational health stakeholders to assess the hazard associated with dermal exposure to chemicals. UPERCUT integrates dermal quantitative structure-activity relationships (QSARs) and toxicological data to provide users with a skin hazard index called the dermal hazard ratio (DHR) for the substance and scenario of interest. The DHR is the ratio between the estimated 'received' dose and the 'acceptable' dose. The 'received' dose is estimated using physico-chemical data and information on the exposure scenario provided by the user (body parts exposure and exposure duration), and the 'acceptable' dose is estimated using inhalation OELs and toxicological data. The uncertainty surrounding the DHR is estimated with Monte Carlo simulation. Additional information on the selected substances includes intrinsic skin permeation potential of the substance and the existence of skin notations. UPERCUT is the only available tool that estimates the absorbed dose and compares this to an acceptable dose. In the absence of dermal OELs it provides a systematic and simple approach for screening dermal exposure scenarios for 1686 substances.

Estratégias para a obtenção de compostos farmacologicamente ativos a partir de plantas medicinais: conceitos sobre modificação estrutural para otimização da atividade

In the present paper we discuss, based in our experience, some experimental procedures which may be employed for isolation of active compounds from medicinal plants. We have also emphasized some insights about the way to obtain more active and selective compounds from natural products through structural modifications oriented for analysis of structure-activity relationships.

Proposição, validação e análise dos modelos que correlacionam estrutura química e atividade biológica

The present paper aims to bring under discussion some theoretical and practical aspects about the proposition, validation and analysis of QSAR models based on multiple linear regression. A comprehensive approach for the derivation of extrathermodynamic equations is reviewed. Some examples of QSAR models published in the literature are analyzed and criticized.

QSAR: a abordagem de Hansch

The Hansch Analysis, also known by QSAR-2D, is an extremely effective tool in the identification and/or improvement of the pharmacological or toxicological profile of xenobiotics. This article presents the theme didactically and with enough detail to clarify the conceptual basis of Hansch Analysis. Besides, it shows the application of the technique in measuring the influence of physicochemical properties on the biological activity of compounds with pharmacological interest.

Sínteses química e enzimática de peptídeos: princípios básicos e aplicações

This review begins with a brief discussion of the biological importance and chemical features of peptides. A description of the existing synthetic methods follows with emphasis on the basic aspects of the chemical and enzymatic syntheses. Techniques used to purify and characterize the synthesized peptides are also discussed. Finally, a few applications of the final products in chemistry, biochemistry, immunology and medicine are presented, such as identification and quantification of naturally occurring peptides, inspection of structure-activity relationships, therapeutics, development and/or improvement of analytical techniques and search for new vaccines.

Alcalóides pirrolizidínicos em espécies do gênero Senecio

Senecio species contain a large variety of secondary metabolites and many of these plants afford pyrrolizidine alkaloids. This paper is a review of the literature, describing 62 pyrrolizidine alkaloids already isolated in 62 of more than 2000 species of Senecio, distributed worldwide. The structure-activity relationships involving their toxicity are also discussed, since some Senecio species used for medicinal purposes are responsible for causing serious adverse effects.

Propriedades químico-quânticas empregadas em estudos das relações estrutura-atividade

In this work we show that structure-activity relationship studies are of great importance in modern chemistry and biochemistry. In order to obtain a significant correlation, it is crucial that appropriate descriptors be employed. Thus, quantum chemical calculations are an attractive source of new molecular descriptors which can, in principle, express all the electronic and geometric properties of molecules and their interactions with the biological receptor.

Estudo das relações entre estrutura e atividade de parabenos: uma aula prática

Parabens are p-hydroxybenzoic acid esters widely used as preservatives. With the aim of teaching the structure-activity relationships (SAR) knowledge in a practical form, this paper proposed a practical class to view the SAR of parabens as antimicrobial agents. Methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl and isopentyl paraben compounds were synthesized and their respective antimicrobial activities were assessed through determination of minimum inhibitory concentrations (MIC) against Staphylococcus aureus ATCC 25923 and Escherichia coli ATCC 25922 stains. With the MIC values, it was possible to verify theircorrelation with calculated lipophilicity (ClogP). This method can be applied in practical Medicinal Chemistry classes.

Synthèse formelle de l’hormaomycine et de la bélactosine A par utilisation d’une réaction de cyclopropanation intramoléculaire catalysée par un complexe de rhodium (II)

Ce mémoire présente trois approches différentes vers la synthèse du 3–(trans–2–nitrocyclopropyl)alanine, un intermédiaire synthétique de la hormaomycine. Cette molécule naturelle démontre d’intéressantes activités biologiques et pharmacologiques. Il est intéressant de souligner que ce dérivé donne facilement accès au 3–(trans–2–aminocyclopropyl)alanine, unité centrale de la bélactosine A. Ce composé naturel possédant lui aussi d’intéressantes propriétés biologiques, plusieurs études relationnelles structures-activités menant à des dérivés plus actifs de cette molécule ont été entreprises, démontrant l’intérêt toujours présent de synthétiser de façon efficace et optimale ces dérivés cyclopropaniques. Une méthodologie développée au sein de notre groupe de recherche et basée sur une réaction de cyclopropanation intramoléculaire diastéréosélective sera mise à profit afin d’élaborer une nouvelle voie de synthèse aussi élégante qu’efficace à la construction du 3–(trans–2–nitrocyclopropyl) alanine. En utilisant un carbène de rhodium généré soit par la dégradation d’un dérivé diazoïque, soit par la formation d’un réactif de type ylure d’iodonium, une réaction de cyclopropanation diastéréosélective permettra la formation de deux autres centres contigus et ce, sans même utiliser d’auxiliaire ou de catalyseur énantioenrichis. Ensuite, un réarrangement intramoléculaire précédant deux réactions synchronisées d’ouverture de cycle et de décarboxylation permettront l’obtention du composé d’intérêt avec un rendement global convenable et en relativement peu d’étapes. De cette manière, la synthèse formelle de la bélactosine A et de l’hormaomycine a été effectuée. Cette synthèse se démarque des autres par l’utilisation d’une seule transformation catalytique énantiosélective.

Semisynthetic aminoglycoside antibiotics : toward biomimetic synthesis, evasion of bacterial resistance and reduced toxicity

Les antibiotiques aminoglycosidiques sont des agents bactéricides de grande valeur et d’efficacité à large spectre contre les pathogènes Gram-positifs et Gram-négatifs, dont plusieurs membres naturels et semisynthétiques sont importants dans l’histoire clinique depuis 1950. Des travaux crystallographiques sur le ribosome, récompensés par le prix Nobel, ont démontré comment leurs diverses structures polyaminées sont adaptées pour cibler une hélice d’ARN dans le centre de codage de la sous-unité 30S du ribosome bactérien. Leur interférence avec l’affinité et la cinétique des étapes de sélection et vérification des tARN induit la synthèse de protéines à basse fidélité, et l’inhibition de la translocation, établissant un cercle vicieux d’accumulation d’antibiotique et de stress sur la membrane. En réponse à ces pressions, les pathogènes bactériens ont évolué et disséminé une panoplie de mécanismes de résistance enzymatiques et d’expulsion : tels que les N acétyltransférases, les O phosphotransférases et les O nucleotidyltransférases qui ciblent les groupements hydroxyle et amino sur le coeur des aminoglycosides; des méthyl-transférases, qui ciblent le site de liaison ribosomale; et des pompes d’expulsion actives pour l’élimination sélective des aminoglycosides, qui sont utilisés par les souches Gram-négatives. Les pathogènes les plus problématiques, qui présentent aujourd’hui une forte résilience envers la majorité des classes d’antibiotiques sur le bord de la pan-résistance ont été nommés des bactéries ESKAPE, une mnémonique pour Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa et Enterobacteriaceae. La distribution globale des souches avec des mécanismes de résistance envers les standards cliniques aminoglycosides, tels que la tobramycine, l’amikacine et la gentamicine, est comprise entre 20 et 60% des isolées cliniques. Ainsi, les aminoglycosides du type 4,6-disubstitués-2-deoxystreptamine sont inadéquats comme thérapies anti-infectieuses à large spectre. Cependant, la famille des aminoglycosides 4,5-disubstitués, incluant la butirosine, la neomycine et la paromomycine, dont la structure plus complexe, pourrait constituter une alternative. Des collègues dans le groupe Hanessian et collaborateurs d’Achaogen Inc. ont démontré que certains analogues de la paraomomycine et neomycine, modifiés par désoxygénation sur les positions 3’ et 4’, et par substitution avec la chaîne N1-α-hydroxy-γ-aminobutyramide (HABA) provenant de la butirosine, pourrait produire des antibiotiques très prometteurs. Le Chapitre 4 de cette dissertation présente la conception et le développement d’une stratégie semi-synthétique pour produire des nouveaux aminoglycosides améliorés du type 4,5 disubstitués, inspiré par des modifications biosynthétiques de la sisomicine, qui frustrent les mécanismes de résistance bactérienne distribuées globalement. Cette voie de synthèse dépend d’une réaction d’hydrogénolyse de type Tsuji catalysée par palladium, d’abord développée sur des modèles monosaccharides puis subséquemment appliquée pour générer un ensemble d’aminoglycosides hybrides entre la neomycine et la sisomicine. Les études structure-activité des divers analogues de cette nouvelle classe ont été évaluées sur une gamme de 26 souches bactériennes exprimant des mécanismes de résistance enzymatique et d’expulsion qui englobe l’ensemble des pathogènes ESKAPE. Deux des antibiotiques hybrides ont une couverture antibacterienne excellente, et cette étude a mis en évidence des candidats prometteurs pour le développement préclinique. La thérapie avec les antibiotiques aminoglycosidiques est toujours associée à une probabilité de complications néphrotoxiques. Le potentiel de toxicité de chaque aminoglycoside peut être largement corrélé avec le nombre de groupements amino et de désoxygénations. Une hypothèse de longue date dans le domaine indique que les interactions principales sont effectuées par des sels des groupements ammonium, donc l’ajustement des paramètres de pKa pourrait provoquer une dissociation plus rapide avec leurs cibles, une clairance plus efficace et globalement des analogues moins néphrotoxiques. Le Chapitre 5 de cette dissertation présente la conception et la synthèse asymétrique de chaînes N1 HABA β substitutées par mono- et bis-fluoration. Des chaînes qui possèdent des γ-N pKa dans l’intervalle entre 10 et 7.5 ont été appliquées sur une neomycine tétra-désoxygénée pour produire des antibiotiques avancés. Malgré la réduction considérable du γ N pKa, le large spectre bactéricide n’a pas été significativement affecté pour les analogues fluorés isosteriques. De plus, des études structure-toxicité évaluées avec une analyse d’apoptose propriétaire d’Achaogen ont démontré que la nouvelle chaîne β,β difluoro-N1-HABA est moins nocive sur un modèle de cellules de rein humain HK2 et elle est prometteuse pour le développement d’antibiotiques du type neomycine avec des propriétés thérapeutiques améliorées. Le chapitre final de cette dissertation présente la proposition et validation d’une synthèse biomimétique par assemblage spontané du aminoglycoside 66-40C, un dimère C2 symétrique bis-imine macrocyclique à 16 membres. La structure proposée du macrocycle a été affinée par spectroscopie nucléaire à un système trans,trans-bis-azadiène anti-parallèle. Des calculs indiquent que l’effet anomérique de la liaison α glycosidique entre les anneaux A et B fournit la pré-organisation pour le monomère 6’ aldéhydo sisomicine et favorise le produit macrocyclique observé. L’assemblage spontané dans l’eau a été étudié par la dimérisation de trois divers analogues et par des expériences d’entre croisement qui ont démontré la généralité et la stabilité du motif macrocyclique de l'aminoglycoside 66-40C.