Application of GA-PLS and GA-KPLS calculations for the prediction of the retention indices of essential oils

Genetic algorithm and partial least square (GA-PLS) and kernel PLS (GA-KPLS) techniques were used to investigate the correlation between retention indices (RI) and descriptors for 117 diverse compounds in essential oils from 5 Pimpinella species gathered from central Turkey which were obtained by gas chromatography and gas chromatography-mass spectrometry. The square correlation coefficient leave-group-out cross validation (LGO-CV) (Q²) between experimental and predicted RI for training set by GA-PLS and GA-KPLS was 0.940 and 0.963, respectively. This indicates that GA-KPLS can be used as an alternative modeling tool for quantitative structure-retention relationship (QSRR) studies.

Desenhos de estruturas químicas correlacionam-se com propriedades biológicas: MIA-QSAR

Descriptors in multivariate image analysis applied to quantitative structure-activity relationship (MIA-QSAR) are pixels of bidimensional images of chemical structures (drawings), which were used to model the trichomonicidal activities of a series of benzimidazole derivatives. The MIA-QSAR model showed good predictive ability, with r², q² and r val. ext.² of 0.853, 0.519 and 0.778, respectively, which are comparable to the best values obtained by CoMFA e CoMSIA for the same series. A MIA-based analysis was also performed by using images of alphabetic letters with the corresponding numeric ordering as dependent variables, but no correlation was found, supporting that MIA-QSAR is not arbitrary.

QSAR modeling: um novo pacote computacional open source para gerar e validar modelos QSAR

QSAR modeling is a novel computer program developed to generate and validate QSAR or QSPR (quantitative structure- activity or property relationships) models. With QSAR modeling, users can build partial least squares (PLS) regression models, perform variable selection with the ordered predictors selection (OPS) algorithm, and validate models by using y-randomization and leave-N-out cross validation. An additional new feature is outlier detection carried out by simultaneous comparison of sample leverage with the respective Studentized residuals. The program was developed using Java version 6, and runs on any operating system that supports Java Runtime Environment version 6. The use of the program is illustrated. This program is available for download at lqta.iqm.unicamp.br.

Interactions of chitosan/genipin hydrogels during drug delivery: a QSPR approach

A hydrogel comprised of chitosan crosslinked using the low-toxicity crosslinker genipin was prepared, and the absorption of glibenclamide by the hydrogel was investigated. Optimized structures and their molecular electrostatic potentials were calculated using the AM1 method, and the results were used to evaluate the molecular interactions between the three compounds. The quantitative structure-property relationship model was also used to estimate the activity of the chemicals on the basis their molecular structures. In addition, theoretical Fourier transform infrared spectra were calculated to analyze the intermolecular interactions in the proposed system. Finally, the hydrophilicity of the hydrogel and its influence on the absorption process were also estimated.

PREDICTING THE BOILING POINT OF PCDD/Fs BY THE QSPR METHOD BASED ON THE MOLECULAR DISTANCE-EDGE VECTOR INDEX

The quantitative structure property relationship (QSPR) for the boiling point (Tb) of polychlorinated dibenzo-p-dioxins and polychlorinated dibenzofurans (PCDD/Fs) was investigated. The molecular distance-edge vector (MDEV) index was used as the structural descriptor. The quantitative relationship between the MDEV index and Tb was modeled by using multivariate linear regression (MLR) and artificial neural network (ANN), respectively. Leave-one-out cross validation and external validation were carried out to assess the prediction performance of the models developed. For the MLR method, the prediction root mean square relative error (RMSRE) of leave-one-out cross validation and external validation was 1.77 and 1.23, respectively. For the ANN method, the prediction RMSRE of leave-one-out cross validation and external validation was 1.65 and 1.16, respectively. A quantitative relationship between the MDEV index and Tb of PCDD/Fs was demonstrated. Both MLR and ANN are practicable for modeling this relationship. The MLR model and ANN model developed can be used to predict the Tb of PCDD/Fs. Thus, the Tb of each PCDD/F was predicted by the developed models.

Prévention de l’asthme professionnel : nouvelles perspectives

L’asthme professionnel est une maladie fréquente, qui coûte cher, qui touche des travailleurs jeunes, dont le diagnostic est difficile et avec d’importantes conséquences socio-économiques. La prévention occupe une place centrale dans la gestion de l’asthme professionnel, d’un point de vue de santé publique. Ce mémoire de maîtrise présente trois articles rapportant des développements récents en matière de prévention de l’asthme professionnel. Tout d’abord, une revue de la littérature sur les agents sensibilisants de bas poids moléculaire dans l’asthme professionnel entre 2000 et 2010 recense 41 nouveaux agents et insiste sur l’importance de mettre à jour régulièrement les bases de données afin d’améliorer la prévention primaire. Ensuite, basé sur un cas clinique, la deuxième publication présente l’utilité potentielle du modèle d’analyse de risque QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationship) dans le processus diagnostique de l’asthme professionnel, notamment lors d’une exposition multiple à des agents sensibilisants. Enfin, le troisième article présente la performance en milieu clinique du premier questionnaire de dépistage spécifique à l’asthme professionnel. Un modèle simple associant 8 items du questionnaire, l’âge des travailleurs et leur durée d’exposition professionnelle permet de discriminer 80% des 169 sujets adressés pour suspicion d’asthme professionnel. Un tel modèle pourrait être intégré dans les programmes de surveillance médicale qui constituent la base de la prévention secondaire. Ces trois publications insistent sur les possibilités d’explorer de nouveaux outils préventifs dans le domaine de l’asthme professionnel, outils qui ouvrent des perspectives de développements futurs dont les implications cliniques et socio-économiques peuvent être importantes.

Étude du continuum exposition-effet cancérogène du benzo[a]pyrène

Le benzo[a]pyrène (BaP) est un contaminant environnemental de la famille des hydrocarbures aromatiques polycycliques ayant été classé cancérogène chez l’humain. Cependant, la relation entre l’exposition et les effets est toujours mal documentée. L’objectif de cette thèse était de mieux documenter la relation quantitative entre l’exposition au BaP, l’évolution temporelle des biomarqueurs d’exposition et l’apparition d’altérations biologiques précoces, à partir d’études expérimentales chez le rat. Dans un premier temps, nous avons déterminé l’effet de 4 doses de BaP (0.4, 4, 10 et 40 µmol/kg) sur plusieurs biomarqueurs d’exposition (3- et 7-OHBaP, 4,5- et 7,8-diolBaP, BaPtétrol et 1,6-, 3,6- et 7,8-diones-BaP), les adduits à l’ADN et l’expression de gènes impliqués dans le métabolisme du BaP, la réparation de l’ADN et le stress oxydatif. Le BaP et ses métabolites ont été mesurés dans le sang, les tissus et les excrétas, 8 h et 24 h après l’administration intraveineuse de BaP par chromatographie liquide à ultra haute performance (UHPLC) couplée à la fluorescence. Les adduits à l’ADN ont été quantifiés dans les poumons par immuno-essai en chémoluminescence. L’expression des gènes dans les poumons a été réalisée par PCR quantitative en temps réel (qRT-PCR). Les résultats ont révélé une bonne relation dose-excrétion pour le 3-OHBaP, le 4,5-diolBaP et le 7,8-diolBaP et ils ont également renforcé l’utilité du 4,5-diolBaP comme potentiel biomarqueur du BaP en plus du 3-OHBaP. De plus, l’augmentation dose-dépendante de la formation des adduits et de l’expression de certains gènes impliqués dans le métabolisme et le stress oxydatif a suggéré l’intérêt de ces derniers comme biomarqueurs d’effet précoce. Dans un second temps, nous avons évaluer le profil cinétique des biomarqueurs en lien avec la modulation temporelle de la formation des adduits à l’ADN et de l’expression génique, en utilisant la dose de 40 µmol/kg de BaP telle qu’établie dans l’étude précédente, avec une série de mesures sur une durée de 72 h après l’injection intraveineuse de BaP. Il est apparu que le 3- et le 7-OHBaP ainsi que le 4,5- et le 7,8-diolBaP semblaient être de bons biomarqueurs d'exposition; les hydroxyBaP et diolBaP présentaient des cinétiques différentes, mais tous ces métabolites étaient corrélés de façon significative aux adduits BaPDE dans les poumons. L’expression de certains gènes et l’étude de leur profil cinétique a également permis de faire des liens avec la formation des adduits et de mieux comprendre le métabolisme du BaP. Après ces résultats, il semblait alors logique de s’intéresser à l’effet de la voie d’exposition dans un context d’exposition multiple de la population. Les données mesurées dans le sang et les excréta, après administration de 40 µmol/kg de BaP par voie intraveineuse, intratrachéale, orale, et cutanée, ont encore une fois montré l'intérêt de mesurer plusieurs métabolites pour l’évaluation de l’exposition en raison des différences en fonction de la voie d’administration du composé et des différences dans la cinétique de plusieurs biomarqueurs, notamment entre les hydroxy (3- et 7-OHBaP) et les diols-BaP (4,5- et 7,8-diolBaP). Les résultats suggèrent aussi que la mesure de ratios de concentrations de différents métabolites pourrait aider à indiquer le moment et la principale voie d’exposition. Ces données ont permis une meilleure compréhension du continuum entre l’exposition et les effets.

Estructura computacional i aplicacions de la semblança molecular quàntica

La tesis tracta diferents aspectes relacionats amb el càlcul de la semblança quàntica, així com la seva aplicació en la racionalització i predicció de l'activitat de fàrmacs. Es poden destacar dos progressos importants en el desenvolupament de noves metodologies que faciliten el càlcul de les mesures de semblança quàntica. En primer lloc, la descripció de les molècules mitjançant les funciones densitat aproximades PASA (Promolecular Atomic Shell Approximation) ha permès descriure amb suficient precisió la densitat electrònica dels sistemes moleculars analitzats, reduint substancialment el temps de càlcul de les mesures de semblança. En segon lloc, el desenvolupament de tècniques de superposició molecular específiques de les mesures de semblança quàntica ha permès resoldre el problema de l'alineament en l'espai dels compostos comparats. El perfeccionament d'aquests nous procediments i algoritmes matemàtics associats a les mesures de semblança molecular quàntica, ha estat essencial per poder progressar en diferents disciplines de la química computacional, sobretot les relacionades amb les anàlisis quantitatives entre les estructures moleculars i les seves activitats biològiques, conegudes amb les sigles angleses QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationships). Precisament en l'àrea de les relacions estructura-activitat s'han presentat dues aproximacions fonamentades en la semblança molecular quàntica que s'originen a partir de dues representacions diferents de les molècules. La primera descripció considera la densitat electrònica global de les molècules i és important, entre altres, la disposició dels objectes comparats en l'espai i la seva conformació tridimensional. El resultat és una matriu de semblança amb les mesures de semblança de tots els parells de compostos que formen el conjunt estudiat. La segona descripció es fonamenta en la partició de la densitat global de les molècules en fragments. S'utilitzen mesures d'autosemblança per analitzar els requeriments bàsics d'una determinada activitat des del punt de vista de la semblança quàntica. El procés permet la detecció de les regions moleculars que són responsables d'una alta resposta biològica. Això permet obtenir un patró amb les regions actives que és d'evident interès per als propòsits del disseny de fàrmacs. En definitiva, s'ha comprovat que mitjançant la simulació i manipulació informàtica de les molècules en tres dimensions es pot obtenir una informació essencial en l'estudi de la interacció entre els fàrmacs i els seus receptors macromoleculars.

Funcions densitat i semblança molecular quàntica: nous desenvolupaments i aplicacions

La present tesi, tot i que emmarcada dins de la teoria de les Mesures Semblança Molecular Quántica (MQSM), es deriva en tres àmbits clarament definits: - La creació de Contorns Moleculars de IsoDensitat Electrònica (MIDCOs, de l'anglès Molecular IsoDensity COntours) a partir de densitats electròniques ajustades. - El desenvolupament d'un mètode de sobreposició molecular, alternatiu a la regla de la màxima semblança. - Relacions Quantitatives Estructura-Activitat (QSAR, de l'anglès Quantitative Structure-Activity Relationships). L'objectiu en el camp dels MIDCOs és l'aplicació de funcions densitat ajustades, ideades inicialment per a abaratir els càlculs de MQSM, per a l'obtenció de MIDCOs. Així, es realitza un estudi gràfic comparatiu entre diferents funcions densitat ajustades a diferents bases amb densitats obtingudes de càlculs duts a terme a nivells ab initio. D'aquesta manera, l'analogia visual entre les funcions ajustades i les ab initio obtinguda en el ventall de representacions de densitat obtingudes, i juntament amb els valors de les mesures de semblança obtinguts prèviament, totalment comparables, fonamenta l'ús d'aquestes funcions ajustades. Més enllà del propòsit inicial, es van realitzar dos estudis complementaris a la simple representació de densitats, i són l'anàlisi de curvatura i l'extensió a macromolècules. La primera observació correspon a comprovar no només la semblança dels MIDCOs, sinó la coherència del seu comportament a nivell de curvatura, podent-se així observar punts d'inflexió en la representació de densitats i veure gràficament aquelles zones on la densitat és còncava o convexa. Aquest primer estudi revela que tant les densitats ajustades com les calculades a nivell ab initio es comporten de manera totalment anàloga. En la segona part d'aquest treball es va poder estendre el mètode a molècules més grans, de fins uns 2500 àtoms. Finalment, s'aplica part de la filosofia del MEDLA. Sabent que la densitat electrònica decau ràpidament al allunyar-se dels nuclis, el càlcul d'aquesta pot ser obviat a distàncies grans d'aquests. D'aquesta manera es va proposar particionar l'espai, i calcular tan sols les funcions ajustades de cada àtom tan sols en una regió petita, envoltant l'àtom en qüestió. Duent a terme aquest procés, es disminueix el temps de càlcul i el procés esdevé lineal amb nombre d'àtoms presents en la molècula tractada. En el tema dedicat a la sobreposició molecular es tracta la creació d'un algorisme, així com la seva implementació en forma de programa, batejat Topo-Geometrical Superposition Algorithm (TGSA), d'un mètode que proporcionés aquells alineaments que coincideixen amb la intuïció química. El resultat és un programa informàtic, codificat en Fortran 90, el qual alinea les molècules per parelles considerant tan sols nombres i distàncies atòmiques. La total absència de paràmetres teòrics permet desenvolupar un mètode de sobreposició molecular general, que proporcioni una sobreposició intuïtiva, i també de forma rellevant, de manera ràpida i amb poca intervenció de l'usuari. L'ús màxim del TGSA s'ha dedicat a calcular semblances per al seu ús posterior en QSAR, les quals majoritàriament no corresponen al valor que s'obtindria d'emprar la regla de la màxima semblança, sobretot si hi ha àtoms pesats en joc. Finalment, en l'últim tema, dedicat a la Semblança Quàntica en el marc del QSAR, es tracten tres aspectes diferents: - Ús de matrius de semblança. Aquí intervé l'anomenada matriu de semblança, calculada a partir de les semblances per parelles d'entre un conjunt de molècules. Aquesta matriu és emprada posteriorment, degudament tractada, com a font de descriptors moleculars per a estudis QSAR. Dins d'aquest àmbit s'han fet diversos estudis de correlació d'interès farmacològic, toxicològic, així com de diverses propietats físiques. - Aplicació de l'energia d'interacció electró-electró, assimilat com a una forma d'autosemblança. Aquesta modesta contribució consisteix breument en prendre el valor d'aquesta magnitud, i per analogia amb la notació de l'autosemblança molecular quàntica, assimilar-la com a cas particular de d'aquesta mesura. Aquesta energia d'interacció s'obté fàcilment a partir de programari mecanoquàntic, i esdevé ideal per a fer un primer estudi preliminar de correlació, on s'utilitza aquesta magnitud com a únic descriptor. - Càlcul d'autosemblances, on la densitat ha estat modificada per a augmentar el paper d'un substituent. Treballs previs amb densitats de fragments, tot i donar molt bons resultats, manquen de cert rigor conceptual en aïllar un fragment, suposadament responsable de l'activitat molecular, de la totalitat de l'estructura molecular, tot i que les densitats associades a aquest fragment ja difereixen degut a pertànyer a esquelets amb diferents substitucions. Un procediment per a omplir aquest buit que deixa la simple separació del fragment, considerant així la totalitat de la molècula (calcular-ne l'autosemblança), però evitant al mateix temps valors d'autosemblança no desitjats provocats per àtoms pesats, és l'ús de densitats de Forats de fermi, els quals es troben definits al voltant del fragment d'interès. Aquest procediment modifica la densitat de manera que es troba majoritàriament concentrada a la regió d'interès, però alhora permet obtenir una funció densitat, la qual es comporta matemàticament igual que la densitat electrònica regular, podent-se així incorporar dins del marc de la semblança molecular. Les autosemblances calculades amb aquesta metodologia han portat a bones correlacions amb àcids aromàtics substituïts, podent així donar una explicació al seu comportament. Des d'un altre punt de vista, també s'han fet contribucions conceptuals. S'ha implementat una nova mesura de semblança, la d'energia cinètica, la qual consisteix en prendre la recentment desenvolupada funció densitat d'energia cinètica, la qual al comportar-se matemàticament igual a les densitats electròniques regulars, s'ha incorporat en el marc de la semblança. A partir d'aquesta mesura s'han obtingut models QSAR satisfactoris per diferents conjunts moleculars. Dins de l'aspecte del tractament de les matrius de semblança s'ha implementat l'anomenada transformació estocàstica com a alternativa a l'ús de l'índex Carbó. Aquesta transformació de la matriu de semblança permet obtenir una nova matriu no simètrica, la qual pot ser posteriorment tractada per a construir models QSAR.

Molecular quantum similarity in QSAR: applications in computer-aided molecular design

La present tesi està centrada en l'ús de la Teoria de Semblança Quàntica per a calcular descriptors moleculars. Aquests descriptors s'utilitzen com a paràmetres estructurals per a derivar correlacions entre l'estructura i la funció o activitat experimental per a un conjunt de compostos. Els estudis de Relacions Quantitatives Estructura-Activitat són d'especial interès per al disseny racional de molècules assistit per ordinador i, en particular, per al disseny de fàrmacs. Aquesta memòria consta de quatre parts diferenciades. En els dos primers blocs es revisen els fonaments de la teoria de semblança quàntica, així com l'aproximació topològica basada en la teoria de grafs. Ambdues teories es fan servir per a calcular els descriptors moleculars. En el segon bloc, s'ha de remarcar la programació i implementació de programari per a calcular els anomenats índexs topològics de semblança quàntica. La tercera secció detalla les bases de les Relacions Quantitatives Estructura-Activitat i, finalment, el darrer apartat recull els resultats d'aplicació obtinguts per a diferents sistemes biològics.

The extrapolation problem and how population modeling can help

We argue that population modeling can add value to ecological risk assessment by reducing uncertainty when extrapolating from ecotoxicological observations to relevant ecological effects. We review other methods of extrapolation, ranging from application factors to species sensitivity distributions to suborganismal (biomarker and "-omics'') responses to quantitative structure activity relationships and model ecosystems, drawing attention to the limitations of each. We suggest a simple classification of population models and critically examine each model in an extrapolation context. We conclude that population models have the potential for adding value to ecological risk assessment by incorporating better understanding of the links between individual responses and population size and structure and by incorporating greater levels of ecological complexity. A number of issues, however, need to be addressed before such models are likely to become more widely used. In a science context, these involve challenges in parameterization, questions about appropriate levels of complexity, issues concerning how specific or general the models need to be, and the extent to which interactions through competition and trophic relationships can be easily incorporated.

QSAR studies of multidentate nitrogen ligands used in lanthanide and actinide extraction processes

Quantitative structure activity relationships (QSARs) have been developed to optimise the choice of nitrogen heterocyclic molecules that can be used to separate the minor actinides such as americium(III) from europium(III) in the aqueous PUREX raffinate of nuclear waste. Experimental data on distribution coefficients and separation factors (SFs) for 47 such ligands have been obtained and show SF values ranging from 0.61 to 100. The ligands were divided into a training set of 36 molecules to develop the QSAR and a test set of 11 molecules to validate the QSAR. Over 1500 molecular descriptors were calculated for each heterocycle and the Genetic Algorithm was used to select the most appropriate for use in multiple regression equations. Equations were developed fitting the separation factors to 6-8 molecular descriptors which gave r(2) values of >0.8 for the training set and values of >0.7 for the test set, thus showing good predictive quality. The descriptors used in the equations were primarily electronic and steric. These equations can be used to predict the separation factors of nitrogen heterocycles not yet synthesised and/or tested and hence obtain the most efficient ligands for lanthanide and actinide separation. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Atrophy and Neuron Loss: Effects of a Protein-Deficient Diet on Sympathetic Neurons

Protein deficiency is one of the biggest public health problems in the world, accounting for about 30-40% of hospital admissions in developing countries. Nutritional deficiencies lead to alterations in the peripheral nervous system and in the digestive system. Most studies have focused on the effects of protein-deficient diets on the enteric neurons, but not on sympathetic ganglia, which supply extrinsic sympathetic input to the digestive system. Hence, in this study, we investigated whether a protein-restricted diet would affect the quantitative structure of rat coeliac ganglion neurons. Five male Wistar rats (undernourished group) were given a pre- and postnatal hypoproteinic diet receiving 5% casein, whereas the nourished group (n = 5) was fed with 20% casein (normoproteinic diet). Blood tests were carried out on the animals, e.g., glucose, leptin, and triglyceride plasma concentrations. The main structural findings in this study were that a protein-deficient diet (5% casein) caused coeliac ganglion (78%) and coeliac ganglion neurons (24%) to atrophy and led to neuron loss (63%). Therefore, the fall in the total number of coeliac ganglion neurons in protein-restricted rats contrasts strongly with no neuron losses previously described for the enteric neurons of animals subjected to similar protein-restriction diets. Discrepancies between our figures and the data for enteric neurons (using very similar protein-restriction protocols) may be attributable to the counting method used. In light of this, further systematic investigations comparing 2-D and 3-D quantitative methods are warranted to provide even more advanced data on the effects that a protein-deficient diet may exert on sympathetic neurons. (C) 2009 Wiley-Liss, Inc.

Role of Halogen Bonds in Thyroid Hormone Receptor Selectivity: Pharmacophore-Based 3D-QSSR Studies

Most physiological effects of thyroid hormones are mediated by the two thyroid hormone receptor subtypes, TR alpha and TR beta. Several pharmacological effects mediated by TR beta might be beneficial in important medical conditions such as obesity, hypercholesterolemia and diabetes, and selective TR beta activation may elicit these effects while maintaining an acceptable safety profile, To understand the molecular determinants of affinity and subtype selectivity of TR ligands, we have successfully employed a ligand- and structure-guided pharmacophore-based approach to obtain the molecular alignment of a large series of thyromimetics. Statistically reliable three-dimensional quantitative structure-activity relationship (3D-QSAR) and three-dimensional quantitative structure-selectivity relationship (3D-QSSR) models were obtained using the comparative molecular field analysis (CoMFA) method, and the visual analyses of the contour maps drew attention to a number of possible opportunities for the development of analogs with improved affinity and selectivity. Furthermore, the 3D-QSSR analysis allowed the identification of a novel and previously unmentioned halogen bond, bringing new insights to the mechanism of activity and selectivity of thyromimetics.

Fragment-Based QSAR and Molecular Modeling Studies on a Series of Discodermolide Analogs as Microtubule-Stabilizing Anticancer Agents

Inhibition of microtubule function is an attractive rational approach to anticancer therapy. Although taxanes are the most prominent among the microtubule-stabilizers, their clinical toxicity, poor pharmacokinetic properties, and resistance have stimulated the search for new antitumor agents having the same mechanism of action. Discodermolide is an example of nontaxane natural product that has the same mechanism of action, demonstrating superior antitumor efficacy and therapeutic index. The extraordinary chemical and biological properties have qualified discodermolide as a lead structure for the design of novel anticancer agents with optimized therapeutic properties. In the present work, we have employed a specialized fragment-based method to develop robust quantitative structure - activity relationship models for a series of synthetic discodermolide analogs. The generated molecular recognition patterns were combined with three-dimensional molecular modeling studies as a fundamental step on the path to understanding the molecular basis of drug-receptor interactions within this important series of potent antitumoral agents.