Topological side-chain classification of beta-turns: Ideal motifs for peptidomimetic development

beta-turns are important topological motifs for biological recognition of proteins and peptides. Organic molecules that sample the side chain positions of beta-turns have shown broad binding capacity to multiple different receptors, for example benzodiazepines. beta-turns have traditionally been classified into various types based on the backbone dihedral angles (phi 2, psi 2, phi 3 and psi 3). Indeed, 57-68% of beta-turns are currently classified into 8 different backbone families (Type I, Type II, Type I', Type II', Type VIII, Type VIa1, Type VIa2 and Type VIb and Type IV which represents unclassified beta-turns). Although this classification of beta-turns has been useful, the resulting beta-turn types are not ideal for the design of beta-turn mimetics as they do not reflect topological features of the recognition elements, the side chains. To overcome this, we have extracted beta-turns from a data set of non-homologous and high-resolution protein crystal structures. The side chain positions, as defined by C-alpha-C-beta vectors, of these turns have been clustered using the kth nearest neighbor clustering and filtered nearest centroid sorting algorithms. Nine clusters were obtained that cluster 90% of the data, and the average intra-cluster RMSD of the four C-alpha-C-beta vectors is 0.36. The nine clusters therefore represent the topology of the side chain scaffold architecture of the vast majority of beta-turns. The mean structures of the nine clusters are useful for the development of beta-turn mimetics and as biological descriptors for focusing combinatorial chemistry towards biologically relevant topological space.

Carbohydrate-based scaffolds in drug discovery

Carbohydrates have been proven as valuable scaffolds to display pharmocophores and the resulting molecules have demonstrated useful biological activity towards various targets including the somatostatin receptors (SSTR), integrins, HIV-1 protease, matrix metalloproteinases (MMP), multidrug resistance-associated protein (MRP), and as RNA binders. Carbohydrate-based compounds have also shown antibacterial and herbicidal activity.

Strong and weak lifespan extension: What is most feasible and likely?

Recent advances in biomedical science indicate that it may eventually be possible to intervene in the biological process of human ageing. This paper overviews the current state of the science of lifespan extension and promising future directions. It is uncertain whether 'strong' lifespan extension - the extension of human life beyond the maximum 122 years so far observed - will become a reality. It is more likely that cumulative effects of numerous scientific and biomedical advances in the treatment of common disease will produce 'weak' lifespan extension - the extension of average life expectancy. The practical application of molecular, genetic and nanomaterials research may also lead to advances in life expectancy. It is not too early to begin to consider the policy implications of either form of lifespan extension.

Modulation of insect Cav channels by peptidic spider toxins

Insects have a much smaller repertoire of voltage-gated calcium (Ca-v) channels than vertebrates. Drosophila melanogaster harbors only a single ortholog of each of the vertebrate Ca(v)1, Ca(v)2, and Ca(v)3 subtypes, although its basal inventory is expanded by alternative splicing and editing of Ca-v channel transcripts. Nevertheless, there appears to be little functional plasticity within this limited panel of insect Ca-v channels, since severe loss-of-function mutations in genes encoding the pore-forming a, subunits in Drosophila are embryonic lethal. Since the primary role of spider venom is to paralyze or kill insect prey, it is not surprising that most, if not all, spider venoms contain peptides that potently modify the activity of these functionally critical insect Ca-v channels. Unfortunately, it has proven difficult to determine the precise ion channel subtypes recognized by these peptide toxins since insect Ca-v channels have significantly different pharmacology to their vertebrate counterparts, and cloned insect Ca-v channels are not available for electrophysiological studies. However, biochemical and genetic studies indicate that some of these spider toxins might ultimately become the defining pharmacology for certain subtypes of insect Ca-v channels. This review focuses on peptidic spider toxins that specifically target insect Ca-v channels. In addition to providing novel molecular tools for ion channel characterization, some of these toxins are being used as leads to develop new methods for controlling insect pests. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Base modified peptidic nucleic acids: synthesis and crystallographic analysis of intermediates

Peptidic Nucleic Acids (PNAs) are achiral, uncharged nucleic add mimetics, with a novel backbone composed of N-(2-aminoethyl)glycine units attached to the DNA bases through carboxymethylene linkers. With the aim of extending and improving upon the molecular recognition properties of PNAs, the aim of this work was to synthesjse PNA building block intermediates containing a series of substituted purine bases for subsequent use in automated PNA synthesis. Four purine bases: 2,6~diaminopurine (D), isoGuanine (isoG), xanthine (X) and hypoxanthine (H) were identified for incorporation into PNAs targeted to DNA, with the promise of increased hybrid stability over extended pH ranges together with improvements over the use of adenine (A) in duplex formation, and cytosine (C) in triplex formation. A reliable, high-yielding synthesis of the PNA backbone component N -('2- butyloxycarbonyl-aminoethyl)glycinate ethyl ester was establishecl. The precursor N~(2-butyloxycarbonyl)amino acetonitrile was crystallised and analysed by X-ray crystallography for the first time. An excellent refinement (R = 0.0276) was attained for this structure, allowing comparisons with known analogues. Although chemical synthesis of pure, fully-characterised PNA monomers was not achieved, chemical synthesis of PNA building blocks composed of diaminopurine, xanthine and hypoxanthine was completely successful. In parallel, a second objective of this work was to characterise and evaluate novel crystalline intermediates, which formed a new series of substituted purine bases, generated by attaching alkyl substituents at the N9 or N7 sites of purine bases. Crystallographic analysis was undertaken to probe the regiochemistry of isomers, and to reveal interesting structural features of the new series of similarly-substituted purine bases. The attainment of the versatile synthetic intermediate 2,6-dichloro~9- (carboxymethyl)purine ethyl ester, and its homologous regioisomers 6-chloro~9- (carboxymethyl)purine ethyl ester and 6-chloro-7-(carboxymethyl)purine ethyl ester, necessitated the use of X-ray crystallographic analysis for unambiguous structural assignment. Successful refinement of the disordered 2,6-diamino-9-(carboxymethyl) purine ethyl ester allowed comparison with the reported structure of the adenine analogue, ethyl adenin-9-yl acetate. Replacement of the chloro moieties with amino, azido and methoxy groups expanded the internal angles at their point of attachment to the purine ring. Crystallographic analysis played a pivotal role towards confirming the identity of the peralkylated hypoxanthine derivative diethyl 6-oxo-6,7-dihydro-3H-purlne~3,7~djacetate, where two ethyl side chains were found to attach at N3 and N7,

Recent advances in antidiabetic drug therapies targeting the enteroinsular axis

The enteroinsular axis (EIA) constitutes a physiological signalling system whereby intestinal endocrine cells secrete incretin hormones following feeding that potentiate insulin secretion and contribute to the regulation of blood glucose homeostasis. The two key hormones responsible are named glucagon-like peptide-1 (GLP-1) and glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP). Recent years have witnessed sustained development of antidiabetic therapies that exploit the EIA. Current clinical compounds divide neatly into two classes. One concerns analogues or mimetics of GLP-1, such as exenatide (Byetta) or liraglutide (NN2211). The other group comprises the gliptins (e.g. sitagliptin and vildagliptin) which boost endogenous incretin activity by inhibiting the enzyme dipeptidyl peptidase 4 (DPP 4) that degrades both GLP-1 and GIP. Ongoing research indicates that further incretin and gliptin compounds will become available for clinical use in the near future, offering comparable or improved efficacy. For incretin analogues there is the prospect of prolonged duration of action and alternative routes of administration. This review focuses on recent advances in pre-clinical research and their translation into clinical studies to provide future therapies for type 2 diabetes targeting the EIA. © 2009 Bentham Science Publishers Ltd.

Improving the use of G-CSF during chemotherapy using physiological mathematical modelling : a quantitative systems pharmacology approach

La diminution des doses administrées ou même la cessation complète d'un traitement chimiothérapeutique est souvent la conséquence de la réduction du nombre de neutrophiles, qui sont les globules blancs les plus fréquents dans le sang. Cette réduction dans le nombre absolu des neutrophiles, aussi connue sous le nom de myélosuppression, est précipitée par les effets létaux non spécifiques des médicaments anti-cancéreux, qui, parallèlement à leur effet thérapeutique, produisent aussi des effets toxiques sur les cellules saines. Dans le but d'atténuer cet impact myélosuppresseur, on administre aux patients un facteur de stimulation des colonies de granulocytes recombinant humain (rhG-CSF), une forme exogène du G-CSF, l'hormone responsable de la stimulation de la production des neutrophiles et de leurs libération dans la circulation sanguine. Bien que les bienfaits d'un traitement prophylactique avec le G-CSF pendant la chimiothérapie soient bien établis, les protocoles d'administration demeurent mal définis et sont fréquemment déterminés ad libitum par les cliniciens. Avec l'optique d'améliorer le dosage thérapeutique et rationaliser l'utilisation du rhG-CSF pendant le traitement chimiothérapeutique, nous avons développé un modèle physiologique du processus de granulopoïèse, qui incorpore les connaissances actuelles de pointe relatives à la production des neutrophiles des cellules souches hématopoïétiques dans la moelle osseuse. À ce modèle physiologique, nous avons intégré des modèles pharmacocinétiques/pharmacodynamiques (PK/PD) de deux médicaments: le PM00104 (Zalypsis®), un médicament anti-cancéreux, et le rhG-CSF (filgrastim). En se servant des principes fondamentaux sous-jacents à la physiologie, nous avons estimé les paramètres de manière exhaustive sans devoir recourir à l'ajustement des données, ce qui nous a permis de prédire des données cliniques provenant de 172 patients soumis au protocol CHOP14 (6 cycles de chimiothérapie avec une période de 14 jours où l'administration du rhG-CSF se fait du jour 4 au jour 13 post-chimiothérapie). En utilisant ce modèle physio-PK/PD, nous avons démontré que le nombre d'administrations du rhG-CSF pourrait être réduit de dix (pratique actuelle) à quatre ou même trois administrations, à condition de retarder le début du traitement prophylactique par le rhG-CSF. Dans un souci d'applicabilité clinique de notre approche de modélisation, nous avons investigué l'impact de la variabilité PK présente dans une population de patients, sur les prédictions du modèle, en intégrant des modèles PK de population (Pop-PK) des deux médicaments. En considérant des cohortes de 500 patients in silico pour chacun des cinq scénarios de variabilité plausibles et en utilisant trois marqueurs cliniques, soient le temps au nadir des neutrophiles, la valeur du nadir, ainsi que l'aire sous la courbe concentration-effet, nous avons établi qu'il n'y avait aucune différence significative dans les prédictions du modèle entre le patient-type et la population. Ceci démontre la robustesse de l'approche que nous avons développée et qui s'apparente à une approche de pharmacologie quantitative des systèmes (QSP). Motivés par l'utilisation du rhG-CSF dans le traitement d'autres maladies, comme des pathologies périodiques telles que la neutropénie cyclique, nous avons ensuite soumis l'étude du modèle au contexte des maladies dynamiques. En mettant en évidence la non validité du paradigme de la rétroaction des cytokines pour l'administration exogène des mimétiques du G-CSF, nous avons développé un modèle physiologique PK/PD novateur comprenant les concentrations libres et liées du G-CSF. Ce nouveau modèle PK a aussi nécessité des changements dans le modèle PD puisqu’il nous a permis de retracer les concentrations du G-CSF lié aux neutrophiles. Nous avons démontré que l'hypothèse sous-jacente de l'équilibre entre la concentration libre et liée, selon la loi d'action de masse, n'est plus valide pour le G-CSF aux concentrations endogènes et mènerait en fait à la surestimation de la clairance rénale du médicament. En procédant ainsi, nous avons réussi à reproduire des données cliniques obtenues dans diverses conditions (l'administration exogène du G-CSF, l'administration du PM00104, CHOP14). Nous avons aussi fourni une explication logique des mécanismes responsables de la réponse physiologique aux deux médicaments. Finalement, afin de mettre en exergue l’approche intégrative en pharmacologie adoptée dans cette thèse, nous avons démontré sa valeur inestimable pour la mise en lumière et la reconstruction des systèmes vivants complexes, en faisant le parallèle avec d’autres disciplines scientifiques telles que la paléontologie et la forensique, où une approche semblable a largement fait ses preuves. Nous avons aussi discuté du potentiel de la pharmacologie quantitative des systèmes appliquées au développement du médicament et à la médecine translationnelle, en se servant du modèle physio-PK/PD que nous avons mis au point.

Improving the use of G-CSF during chemotherapy using physiological mathematical modelling : a quantitative systems pharmacology approach

La diminution des doses administrées ou même la cessation complète d'un traitement chimiothérapeutique est souvent la conséquence de la réduction du nombre de neutrophiles, qui sont les globules blancs les plus fréquents dans le sang. Cette réduction dans le nombre absolu des neutrophiles, aussi connue sous le nom de myélosuppression, est précipitée par les effets létaux non spécifiques des médicaments anti-cancéreux, qui, parallèlement à leur effet thérapeutique, produisent aussi des effets toxiques sur les cellules saines. Dans le but d'atténuer cet impact myélosuppresseur, on administre aux patients un facteur de stimulation des colonies de granulocytes recombinant humain (rhG-CSF), une forme exogène du G-CSF, l'hormone responsable de la stimulation de la production des neutrophiles et de leurs libération dans la circulation sanguine. Bien que les bienfaits d'un traitement prophylactique avec le G-CSF pendant la chimiothérapie soient bien établis, les protocoles d'administration demeurent mal définis et sont fréquemment déterminés ad libitum par les cliniciens. Avec l'optique d'améliorer le dosage thérapeutique et rationaliser l'utilisation du rhG-CSF pendant le traitement chimiothérapeutique, nous avons développé un modèle physiologique du processus de granulopoïèse, qui incorpore les connaissances actuelles de pointe relatives à la production des neutrophiles des cellules souches hématopoïétiques dans la moelle osseuse. À ce modèle physiologique, nous avons intégré des modèles pharmacocinétiques/pharmacodynamiques (PK/PD) de deux médicaments: le PM00104 (Zalypsis®), un médicament anti-cancéreux, et le rhG-CSF (filgrastim). En se servant des principes fondamentaux sous-jacents à la physiologie, nous avons estimé les paramètres de manière exhaustive sans devoir recourir à l'ajustement des données, ce qui nous a permis de prédire des données cliniques provenant de 172 patients soumis au protocol CHOP14 (6 cycles de chimiothérapie avec une période de 14 jours où l'administration du rhG-CSF se fait du jour 4 au jour 13 post-chimiothérapie). En utilisant ce modèle physio-PK/PD, nous avons démontré que le nombre d'administrations du rhG-CSF pourrait être réduit de dix (pratique actuelle) à quatre ou même trois administrations, à condition de retarder le début du traitement prophylactique par le rhG-CSF. Dans un souci d'applicabilité clinique de notre approche de modélisation, nous avons investigué l'impact de la variabilité PK présente dans une population de patients, sur les prédictions du modèle, en intégrant des modèles PK de population (Pop-PK) des deux médicaments. En considérant des cohortes de 500 patients in silico pour chacun des cinq scénarios de variabilité plausibles et en utilisant trois marqueurs cliniques, soient le temps au nadir des neutrophiles, la valeur du nadir, ainsi que l'aire sous la courbe concentration-effet, nous avons établi qu'il n'y avait aucune différence significative dans les prédictions du modèle entre le patient-type et la population. Ceci démontre la robustesse de l'approche que nous avons développée et qui s'apparente à une approche de pharmacologie quantitative des systèmes (QSP). Motivés par l'utilisation du rhG-CSF dans le traitement d'autres maladies, comme des pathologies périodiques telles que la neutropénie cyclique, nous avons ensuite soumis l'étude du modèle au contexte des maladies dynamiques. En mettant en évidence la non validité du paradigme de la rétroaction des cytokines pour l'administration exogène des mimétiques du G-CSF, nous avons développé un modèle physiologique PK/PD novateur comprenant les concentrations libres et liées du G-CSF. Ce nouveau modèle PK a aussi nécessité des changements dans le modèle PD puisqu’il nous a permis de retracer les concentrations du G-CSF lié aux neutrophiles. Nous avons démontré que l'hypothèse sous-jacente de l'équilibre entre la concentration libre et liée, selon la loi d'action de masse, n'est plus valide pour le G-CSF aux concentrations endogènes et mènerait en fait à la surestimation de la clairance rénale du médicament. En procédant ainsi, nous avons réussi à reproduire des données cliniques obtenues dans diverses conditions (l'administration exogène du G-CSF, l'administration du PM00104, CHOP14). Nous avons aussi fourni une explication logique des mécanismes responsables de la réponse physiologique aux deux médicaments. Finalement, afin de mettre en exergue l’approche intégrative en pharmacologie adoptée dans cette thèse, nous avons démontré sa valeur inestimable pour la mise en lumière et la reconstruction des systèmes vivants complexes, en faisant le parallèle avec d’autres disciplines scientifiques telles que la paléontologie et la forensique, où une approche semblable a largement fait ses preuves. Nous avons aussi discuté du potentiel de la pharmacologie quantitative des systèmes appliquées au développement du médicament et à la médecine translationnelle, en se servant du modèle physio-PK/PD que nous avons mis au point.

Antioxidants attenuate hyperglycaemia-mediated brain endothelial cell dysfunction and blood–brain barrier hyperpermeability

Aims: Hyperglycaemia (HG), in stroke patients, is associated with worse neurological outcome by compromising endothelial cell function and the blood–brain barrier (BBB) integrity. We have studied the contribution of HG-mediated generation of oxidative stress to these pathologies and examined whether antioxidants as well as normalization of glucose levels following hyperglycaemic insult reverse these phenomena. Methods: Human brain microvascular endothelial cell (HBMEC) and human astrocyte co-cultures were used to simulate the human BBB. The integrity of the BBB was measured by transendothelial electrical resistance using STX electrodes and an EVOM resistance meter, while enzyme activities were measured by specific spectrophotometric assays. Results: After 5 days of hyperglycaemic insult, there was a significant increase in BBB permeability that was reversed by glucose normalization. Co-treatment of cells with HG and a number of antioxidants including vitamin C, free radical scavengers and antioxidant enzymes including catalase and superoxide dismutase mimetics attenuated the detrimental effects of HG. Inhibition of p38 mitogen-activated protein kinase (p38MAPK) and protein kinase C but not phosphoinositide 3 kinase (PI3 kinase) also reversed HG-induced BBB hyperpermeability. In HBMEC, HG enhanced pro-oxidant (NAD(P)H oxidase) enzyme activity and expression that were normalized by reverting to normoglycaemia. Conclusions: HG impairs brain microvascular endothelial function through involvements of oxidative stress and several signal transduction pathways.