Pharmacological characterization of nipecotic acid ethyl ester: A novel cholinergic muscarinic agonist

The aim of this dissertation was to examine the hypothesis that (R)-nipecotic acid ethyl ester ((R)-NAEE) is a cholinergic agonist that is selective for a particular subclass (M$\sb1$ or M$\sb2$) of muscarinic receptors.^ Ligand binding studies indicated that like cholinergic agonists (R)-NAEE selectively interacts with rat heart (M$\sb2$) and brain (M$\sb1$) muscarinic binding sites. Physiological studies revealed that unlike cholinergic agonists (R)-NAEE stimulated only those responses coupled to M$\sb2$ muscarinic receptors (acid secretion, negative inotropic response, smooth muscle contraction). Moreover, in rat brain (R)-NAEE differentiated between M$\sb2$ receptors negatively coupled to adenylate cyclase activity and M$\sb1$ receptors mediating PI turnover, being a weak competitive antagonist at these latter sites. In isolated rat gastric mucosal cells (R)-NAEE also differentiated between two M$\sb2$ coupled responses where it potentiated acid secretion but could not stimulate PI turnover. Atropine, a selective antimuscarinic agent, competitively antagonized all agonist effects of (R)-NAEE.^ Unlike (R)-NAEE, the muscarinic agonist arecoline, which is structurally similar to (R)-NAEE, stimulates both M$\sb1$ and M$\sb2$ receptors. Structure activity studies revealed that saturation of the piperidine ring and the length of the ester side chain of (R)-NAEE are the most important determinants for both M$\sb2$ efficacy and selectivity.^ The results of this dissertation establish that (R)-NAEE is a cholinergic muscarinic receptor agonist that displays greater efficacy at M$\sb2$ than at M$\sb1$ receptors, being a weak antagonist at the M$\sb1$ site. With such selectivity, (R)-NAEE may be regarded as a prototype for a unique class of cholinergic muscarinic M$\sb2$ receptor agonists. Because of these unique properties, (R)-NAEE should be useful in the further characterization of muscarinic receptors, and could lead to the development of a new class of therapeutic agents. ^

Functionalization of β-caryophyllene generates novel polypharmacology in the endocannabinoid system

The widespread dietary plant sesquiterpene hydrocarbon β-caryophyllene (1) is a CB2 cannabinoid receptor-specific agonist showing anti-inflammatory and analgesic effects in vivo. Structural insights into the pharmacophore of this hydrocarbon, which lacks functional groups other than double bonds, are missing. A structure-activity study provided evidence for the existence of a well-defined sesquiterpene hydrocarbon binding site in CB2 receptors, highlighting its exquisite sensitivity to modifications of the strained endocyclic double bond of 1. While most changes on this element were detrimental for activity, ring-opening cross metathesis of 1 with ethyl acrylate followed by amide functionalization generated a series of new monocyclic amides (11a, 11b, 11c) that not only retained the CB2 receptor functional agonism of 1 but also reversibly inhibited fatty acid amide hydrolase (FAAH), the major endocannabinoid degrading enzyme, without affecting monoacylglycerol lipase (MAGL) and α,β hydrolases 6 and 12. Intriguingly, further modification of this monocyclic scaffold generated the FAAH- and endocannabinoid substrate-specific cyclooxygenase-2 (COX-2) dual inhibitors 11e and 11f, which are probes with a novel pharmacological profile. Our study shows that by removing the conformational constraints induced by the medium-sized ring and by introducing functional groups in the sesquiterpene hydrocarbon 1, a new scaffold with pronounced polypharmacological features within the endocannabinoid system could be generated. The structural and functional repertoire of cannabimimetics and their yet poorly understood intrinsic promiscuity may be exploited to generate novel probes and ultimately more effective drugs.

Molecular mechanisms of prostacyclin receptor signaling: The intracellular domains in G protein coupling

To better understand the mechanisms of how the human prostacyclin receptor (1P) mediates vasodilation and platelet anti-aggregation through Gs protein coupling, a strategy integrating multiple approaches including high resolution NMR experiments, synthetic peptide, fluorescence spectroscopy, molecular modeling, and recombinant protein was developed and used to characterize the structure/function relationship of important segments and residues of the IP receptor and the α-subunit of the Gs protein (Gαs). The first (iLP1) and third (iLP3) intracellular loops of the IP receptor, as well as the Gαs C-terminal domain, relevant to the Gs-mediated IP receptor signaling, were first identified by observation of the effects of the mini gene-expressed corresponding protein segments in HEK293 cells which co-expressed the receptor and Gαs. Evidence of the IP iLP1 domain interacted with the Gαs C-terminal domain was observed by fluorescence and NMR spectroscopic studies using a constrained synthetic peptide, which mimicked the IP iLP1 domain, and the synthetic peptide, which mimicked Gαs C-terminal domain. The solution structural models and the peptide-peptide interaction of the two synthetic protein segments were determined by high resolution NMR spectroscopy. The important residues in the corresponding domains of the IP receptor and the Gαs predicted by NMR chemical shift mapping were used to guide the identification of their protein-protein interaction in cells. A profile of the residues Arg42 - Ala48 of the IP iLP1 domain and the three residues Glu392 ∼ Leu394 of the Gαs C-terminal domain involved in the IP/Gs protein coupling were confirmed by recombinant proteins. The data revealed an intriguing speculation on the mechanisms of how the signal of the ligand-activated IP receptor is transmitted to the Gs protein in regulating vascular functions and homeostasis, and also provided substantial insights into other prostanoid receptor signaling. ^

Estructura y desarrollo en la enseñanza de Jacques Lacan : Primera parte

El trabajo expone las principales conclusiones de una investigación centrada en el problema de las relaciones estructura-desarrollo en la enseñanza de Jacques Lacan. Después de revisar los problemas que tal relación presenta, se delimitan dos momentos de tal enseñanza en los que se articulan los tiempos lógicos de transformación del niño como sujeto a partir de su posición de objeto. El trabajo aborda el primer momento, la inscripción del sujeto en la estructura.: de lo imaginario a lo simbólico en una teoría del desarrollo estructurado Se subraya el desplazamiento teórico que se opera en la noción de desarrollo cuando Lacan lo aborda a partir de la estructura del inconsciente en sus relaciones con los tres registros imaginario, simbólico y real, contemplando el anudamiento entre el lenguaje, el cuerpo y la pulsión

Estructura y desarrollo en la enseñanza de Jacques Lacan : Primera parte

El trabajo expone las principales conclusiones de una investigación centrada en el problema de las relaciones estructura-desarrollo en la enseñanza de Jacques Lacan. Después de revisar los problemas que tal relación presenta, se delimitan dos momentos de tal enseñanza en los que se articulan los tiempos lógicos de transformación del niño como sujeto a partir de su posición de objeto. El trabajo aborda el primer momento, la inscripción del sujeto en la estructura.: de lo imaginario a lo simbólico en una teoría del desarrollo estructurado Se subraya el desplazamiento teórico que se opera en la noción de desarrollo cuando Lacan lo aborda a partir de la estructura del inconsciente en sus relaciones con los tres registros imaginario, simbólico y real, contemplando el anudamiento entre el lenguaje, el cuerpo y la pulsión

Estructura y desarrollo en la enseñanza de Jacques Lacan : Primera parte

El trabajo expone las principales conclusiones de una investigación centrada en el problema de las relaciones estructura-desarrollo en la enseñanza de Jacques Lacan. Después de revisar los problemas que tal relación presenta, se delimitan dos momentos de tal enseñanza en los que se articulan los tiempos lógicos de transformación del niño como sujeto a partir de su posición de objeto. El trabajo aborda el primer momento, la inscripción del sujeto en la estructura.: de lo imaginario a lo simbólico en una teoría del desarrollo estructurado Se subraya el desplazamiento teórico que se opera en la noción de desarrollo cuando Lacan lo aborda a partir de la estructura del inconsciente en sus relaciones con los tres registros imaginario, simbólico y real, contemplando el anudamiento entre el lenguaje, el cuerpo y la pulsión

Peptide design by artificial neural networks and computer-based evolutionary search

A technique for systematic peptide variation by a combination of rational and evolutionary approaches is presented. The design scheme consists of five consecutive steps: (i) identification of a “seed peptide” with a desired activity, (ii) generation of variants selected from a physicochemical space around the seed peptide, (iii) synthesis and testing of this biased library, (iv) modeling of a quantitative sequence-activity relationship by an artificial neural network, and (v) de novo design by a computer-based evolutionary search in sequence space using the trained neural network as the fitness function. This strategy was successfully applied to the identification of novel peptides that fully prevent the positive chronotropic effect of anti-β1-adrenoreceptor autoantibodies from the serum of patients with dilated cardiomyopathy. The seed peptide, comprising 10 residues, was derived by epitope mapping from an extracellular loop of human β1-adrenoreceptor. A set of 90 peptides was synthesized and tested to provide training data for neural network development. De novo design revealed peptides with desired activities that do not match the seed peptide sequence. These results demonstrate that computer-based evolutionary searches can generate novel peptides with substantial biological activity.

Structural studies of p21Waf1/Cip1/Sdi1 in the free and Cdk2-bound state: conformational disorder mediates binding diversity.

The cyclin-dependent kinase (Cdk) inhibitor p21Waf1/Cip1/Sdi1, important for p53-dependent cell cycle control, mediates G1/S arrest through inhibition of Cdks and possibly through inhibition of DNA replication. Cdk inhibition requires a sequence of approximately 60 amino acids within the p21 NH2 terminus. We show, using proteolytic mapping, circular dichroism spectropolarimetry, and nuclear magnetic resonance spectroscopy, that p21 and NH2-terminal fragments that are active as Cdk inhibitors lack stable secondary or tertiary structure in the free solution state. In sharp contrast to the disordered free state, however, the p21 NH2 terminus adopts an ordered stable conformation when bound to Cdk2, as shown directly by NMR spectroscopy. We have, thus, identified a striking disorder-order transition for p21 upon binding to one of its biological targets, Cdk2. This structural transition has profound implications in light of the ability of p21 to bind and inhibit a diverse family of cyclin-Cdk complexes, including cyclin A-Cdk2, cyclin E-Cdk2, and cyclin D-Cdk4. Our findings suggest that the flexibility, or disorder, of free p21 is associated with binding diversity and offer insights into the role for structural disorder in mediating binding specificity in biological systems. Further, these observations challenge the generally accepted view of proteins that stable secondary and tertiary structure are prerequisites for biological activity and suggest that a broader view of protein structure should be considered in the context of structure-activity relationships.

Rational interleukin 2 therapy for HIV positive individuals: daily low doses enhance immune function without toxicity.

When administered in high doses to HIV positive (HIV+) individuals, interleukin 2 (IL-2) causes extreme toxicity and markedly increases plasma HIV levels. Integration of the information from the structure-activity relationships of the IL-2 receptor interaction, the cellular distribution of the different classes of IL-2 receptors, and the pharmacokinetics of IL-2 provides for the rationale that low IL-2 doses should circumvent toxicity. Therefore, to identify a nontoxic, but effective and safe IL-2 treatment regimen that does not stimulate viral replication, doses of IL-2 from 62,500 to 250,000 IU/m2/day were administered subcutaneously for 6 months to 16 HIV+ individuals with 200-500 CD4+ T cells/mm3. IL-2 was already detectable in the plasma of most HIV+ individuals even before therapy. Peak plasma IL-2 levels were near saturating for high affinity IL-2 receptors in 10 individuals who received the maximum nontoxic dose, which ranged from 187,500 to 250,000 IU/m2/day. During the 6 months of treatment at this dose range, plasma levels of proinflammatory cytokines remained undetectable, and plasma HIV RNA levels did not change significantly. However, delayed type hypersensitivity responses to common recall antigens were markedly augmented, and there were IL-2 dose-dependent increases in circulating Natural Killer cells, eosinophils, monocytes, and CD4+ T cells. Expanded clinical trials of low dose IL-2 are now warranted, especially in combination with effective antivirals to test for the prevention of immunodeficiency and the emergence of drug-resistant mutants and for the eradication of residual virions.

Expression of human inducible nitric oxide synthase in a tetrahydrobiopterin (H4B)-deficient cell line: H4B promotes assembly of enzyme subunits into an active dimer.

Murine inducible nitric oxide (NO) synthase (iNOS) is catalytically active only in dimeric form. Assembly of its purified subunits into a dimer requires H4B. To understand the structure-activity relationships of human iNOS, we constitutively expressed recombinant human iNOS in NIH 3T3 cells by using a retroviral vector. These cells are deficient in de novo H4B biosynthesis and the role of H4B in the expression and assembly of active iNOS in an intact cell system could be studied. In the absence of added H4B, NO synthesis by the cells was minimal, whereas cells grown with supplemental H4B or the H4B precursor sepiapterin generated NO (74.1 and 63.3 nmol of nitrite per 10(6) cells per 24 h, respectively). NO synthesis correlated with an increase in intracellular H4B but no increase in iNOS protein. Instead, an increased percentage of dimeric iNOS was observed, rising from 20% in cytosols from unsupplemented cells to 66% in H4B-supplemented cell cytosols. In all cases, only dimeric iNOS displayed catalytic activity. Cytosols prepared from H4B-deficient cells exhibited little iNOS activity but acquired activity during a 60- to 120-min incubation with H4B, reaching final activities of 60-72 pmol of citrulline per mg of protein per min. Reconstitution of cytosolic NO synthesis activity was associated with conversion of monomers into dimeric iNOS during the incubation. Thus, human iNOS subunits dimerize to form an active enzyme, and H4B plays a critical role in promoting dimerization in intact cells. This reveals a post-translational mechanism by which intracellular H4B can regulate iNOS expression.

QSAR e dinâmica molecular no estudo de sistemas biomoleculares: predição da atividade biológica de antagonistas do receptor sigma-1 e simulações de bicamadas lipídicas

Diferentes abordagens teóricas têm sido utilizadas em estudos de sistemas biomoleculares com o objetivo de contribuir com o tratamento de diversas doenças. Para a dor neuropática, por exemplo, o estudo de compostos que interagem com o receptor sigma-1 (Sig-1R) pode elucidar os principais fatores associados à atividade biológica dos mesmos. Nesse propósito, estudos de Relações Quantitativas Estrutura-Atividade (QSAR) utilizando os métodos de regressão por Mínimos Quadrados Parciais (PLS) e Rede Neural Artificial (ANN) foram aplicados a 64 antagonistas do Sig-1R pertencentes à classe de 1-arilpirazóis. Modelos PLS e ANN foram utilizados com o objetivo de descrever comportamentos lineares e não lineares, respectivamente, entre um conjunto de descritores e a atividade biológica dos compostos selecionados. O modelo PLS foi obtido com 51 compostos no conjunto treinamento e 13 compostos no conjunto teste (r² = 0,768, q² = 0,684 e r²teste = 0,785). Testes de leave-N-out, randomização da atividade biológica e detecção de outliers confirmaram a robustez e estabilidade dos modelos e mostraram que os mesmos não foram obtidos por correlações ao acaso. Modelos também foram gerados a partir da Rede Neural Artificial Perceptron de Multicamadas (MLP-ANN), sendo que a arquitetura 6-12-1, treinada com as funções de transferência tansig-tansig, apresentou a melhor resposta para a predição da atividade biológica dos compostos (r²treinamento = 0,891, r²validação = 0,852 e r²teste = 0,793). Outra abordagem foi utilizada para simular o ambiente de membranas sinápticas utilizando bicamadas lipídicas compostas por POPC, DOPE, POPS e colesterol. Os estudos de dinâmica molecular desenvolvidos mostraram que altas concentrações de colesterol induzem redução da área por lipídeo e difusão lateral e aumento na espessura da membrana e nos valores de parâmetro de ordem causados pelo ordenamento das cadeias acil dos fosfolipídeos. As bicamadas lipídicas obtidas podem ser usadas para simular interações entre lipídeos e pequenas moléculas ou proteínas contribuindo para as pesquisas associadas a doenças como Alzheimer e Parkinson. As abordagens usadas nessa tese são essenciais para o desenvolvimento de novas pesquisas em Química Medicinal Computacional.

Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

Molecular size as the main determinant of solute maximum flux across the skin

One of the most important determinants of dermatological and systemic penetration after topical application is the delivery or flux of solutes into or through the skin. The maximum dose of solute able to be delivered over a given period of time and area of application is defined by its maximum flux (J(max), mol per cm(2) per h) from a given vehicle. In this work, J(max) values from aqueous solution across human skin were acquired or estimated from experimental data and correlated with solute physicochemical properties. Whereas epidermal permeability coefficients (k(p)) are optimally correlated to solute octanol-water partition coefficient (K-ow) and molecular weight (MW) was found to be the dominant determinant of J(max) for this literature data set: log J(max)=-3.90-0.0190MW (n=87, r(2)=0.847, p