Development of drugs to treat tuberculosis targeting DprE1. Synthesis, docking studies and activity of drug candidates based in the dinitrobenzamide scaffold

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Delgado, Tiago Alexandre Duarte
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/56540
Resumo: Tese de Mestrado, Bioquímica, 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências
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spelling Development of drugs to treat tuberculosis targeting DprE1. Synthesis, docking studies and activity of drug candidates based in the dinitrobenzamide scaffoldTuberculoseDprE1DPADNBNitrobenzamidasTeses de mestrado - 2022Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências QuímicasTese de Mestrado, Bioquímica, 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasThere is an urgent need for the discovery of new drugs that are effective against both drug-susceptive and drug-resistant TB. A promising new target for such compounds is DprE1, an essential epimerase for M. tuberculosis that is involved in the synthesis of DPA. This is a vital precursor of arabinogalactan, one of the components of the mycobacterial cell wall, Numerous inhibitors of this target have been described in the literature, among them nitrobenzamides (DNB). Previous work in the group has led to derivatives that showed promising activities against Mtb. Those results could be indicative of the importance of flexibility on the inhibitor’s structure. As such, we synthesised a library containing two families of compounds. The first family contains longer flexible alkyl linkers separating 2 aromatic ring moieties. The second family presented more rigid structures. Almost every first family compound displayed activities that were on par with the best in the literature. This shows that the increase of the flexibility in the DNB scaffold is well tolerated and can be used in future compounds. In particular, two of our compounds (those with 5 and 9 carbon linkers) showed especially promising activities, comparable to the more active DNBs described previously. Some of the compounds of the second family also showed some activity against M. tuberculosis, however, much lower than the compounds of the first family. This indicates that the use of cyclic linkers is less favorable, which may be related to spatial impediments near the amide zone and to a greater rigidity of the structure. Docking studies were also performed. The in-silico approach results led to a possible explanation for the variation of the activity, suggesting a new possible route for the improvement of the activity of future compounds.A tuberculose é uma doença infeciosa causada pelo bacilo Mycobacterium tuberculosis (Mtb), afetando maioritariamente os pulmões. Atualmente é estimado que um quarto da população mundial esteja infetada, ainda que só uma pequena percentagem venha a desenvolver a doença ativa. De acordo com a Organização Mundial da Saúde (OMS), por ano, a tuberculose é responsável por cerca de 1.5 milhões de mortes e 10 milhões de infeções novas. A tuberculose pode ser tratada e prevenida, com 85% dos casos a serem tratados com sucesso por uma terapia de 6 meses e que envolve 4 fármacos. Contudo, a falta de adesão a esta terapia e de um acompanhamento adequado facilitam o aparecimento de variantes resistentes aos fármacos utilizados. Estas variantes necessitam de terapias específicas, as quais são mais longas e envolvem fármacos que têm efeitos secundários mais severos. A elevada prevalência da tuberculose no início da década de 2010, juntamente com o aumento dos casos de tuberculose multirresistente, levou a OMS a implementar o plano End TB em 2014. Apesar de nem todos os objetivos definidos estarem a ser cumpridos, em 2019 o número de casos apresentava uma tendência clara de diminuição. Porém, a pandemia causada pelo SARS-CoV-2 levou à disrupção de muitos serviços, incluindo os serviços de diagnóstico e tratamento da tuberculose, resultando em uma capacidade reduzida do sistema de saúde para identificar e tratar adequadamente os casos de tuberculose. Isto levou à reversão do progresso feito, com estimativas a apontarem para o número de mortes em 2020 ter regressado aos níveis de 2017. Devido a isto, os objetivos definidos no plano End TB parecem cada vez mais difíceis de serem cumpridos. Ainda assim, algumas regiões mostram histórias de sucesso que provam que não é impossível fazê-lo. Porém, é essencial desenvolver novas terapias que sejam eficazes no tratamento da tuberculose, tanto nas variantes suscetíveis aos fármacos como nas que apresentam resistência. Um possível alvo para a ação de novos fármacos que permitam o tratamento da tuberculose é a decaprenilfosforil-β-D-ribose oxidase (DprE1). Este enzima é responsável pela oxidação do DPR a DPX, que é posteriormente reduzido a DPA. Este produto é um precursor essencial para a síntese de 2 polissacáridos da parede celular da Mtb. Assim, como não existe mais nenhuma proteína capaz de exercer uma função semelhante à DprE1 em Mtb, a sua inibição leva à morte das micobactérias. Já foram identificadas várias famílias de compostos que conseguem inibir este enzima. Destas, as mais relevantes são as benzotiazinonas e as nitrobenzamidas. Estes compostos são inibidores suicidas da DprE1, sendo o grupo nitro essencial para a sua atividade. O mecanismo envolve uma primeira ativação do grupo nitro pelo FAD da DprE1, sendo este grupo transformado no grupo nitroso. Depois este grupo nitroso reage com a cisteína 387 da proteína, ficando preso no centro ativo do enzima e impedindo assim que o substrato natural desta possa entrar e ser oxidado. Para além dos inibidores covalentes, alguns inibidores não covalentes deste enzima também foram descobertos. Em trabalhos anteriores do grupo foi descoberta uma nova série de nitrobenzamidas que apresentavam atividades significativas, ao nível das melhores nitrobenzamidas. Estas estruturas consistiam em cadeias alquílicas lineares de tamanho variável que estavam ligadas ao N da amida da 3,5-dinitrobenzamida. Comparado aos DNB’s da literatura, esta estrutura era bastante simples, mas ainda assim mantinha uma boa atividade. Para além disso, a literatura descrevia o aumento da cadeia como sendo prejudicial para a atividade dos compostos. O facto da diminuição da atividade ter sido encontrada em cadeias relativamente rígidas conjugado com o facto de termos encontrado boa atividade com cadeias flexíveis fez-nos pensar que a atividade dos nossos compostos se poderia dever à flexibilidade da cadeia, fazendo com que ela se conseguisse adaptar bem ao pocket da proteína. Assim, decidimos desenvolver uma nova série de nitrobenzamidas que utiliza um linker alquílico linear de tamanho variável a ligar a dinitrobenzamide a um anel aromático substituído, utilizado como grupo terminal. Para tal, utilizou-se uma abordagem modular. Primeiro conectou-se o linker ao ácido 3,5-dinitrobenzóico, através de uma reação de adição-eliminação nucleofílica que envolveu a formação do cloreto de acilo do ácido. Depois, através da reação de Mitsunobu, uniu-se o intermediário anterior ao anel aromático. Todo este processo foi bastante otimizado, podendo ser utilizado no futuro para sintetizar novos compostos. Para além disso, foi também criada uma segunda família de compostos que utilizava linkers cíclicos para dar mais rigidez às estruturas, bem como alguns compostos que não se enquadram em nenhuma destas 2 famílias, com o objetivo de explorar melhor o pocket do enzima. Em paralelo, foi desenvolvida uma abordagem de docking para tentar explicar os resultados obtidos e tentar desenvolver um modelo que permitisse uma abordagem de desenho racional de fármacos no futuro. Quase todos os compostos da primeira família tiveram atividades excelentes, todas bastantes próximas das melhores da literatura. Em particular, 2 dos nossos compostos (os que apresentam linkers de 5 e de 9 carbonos), mostraram atividades especialmente promissoras, iguais às das nitrobenzamidas mais ativas descritas na literatura. Os compostos da segunda família, apresentaram também atividade relevante contra a M. tuberculosis no entanto inferiores às dos compostos da primeira família. Isto indica que a utilização de linkers cíclicos não é favorável à atividade dos compostos, sendo que isto poderá estar relacionado a impedimentos espaciais perto da zona da amida e por uma maior rigidez da estrutura. Os intermediários (dinitrobenzamida+linker) da primeira família também foram testados, sendo que os compostos com cadeia maior também apresentaram boas atividades. Curiosamente, a atividade destes compostos apresentava uma relação com o tamanho do linker, porém, o mesmo não aconteceu com os compostos finais. Isto indica que o posicionamento do anel aromático terminal no pocket deverá ser bastante importante. Assim, para futuros compostos, será importante encontrar o tamanho ótimo de linker que permita maximizar o número de interações que esse anel faz. Os resultados do docking indicam que de facto existem diferenças significativas na forma como o anel aromático terminal interage com os resíduos do pocket, reforçando a ideia que a melhoria das atividades deverá passar pela maximização das interações do grupo terminal. Porém, o modelo não foi capaz de estabelecer uma boa relação entre o score e a atividade dos compostos. Ainda assim, o modelo de docking criado poderá ser útil para o desenvolvimento de futuros compostos, já que poderá dar uma indicação de qual será o tamanho ideal do linker a se utilizar. Para além disso, algumas sugestões que poderão permitir melhorar o modelo criado foram descritas. Em suma, o trabalho realizado permitiu desenvolver compostos apresentaram boas atividades. Os resultados obtidos sugerem um possível caminho para desenvolver esta família através da maximização das interações de certas zonas, sendo que o modelo de docking criado poderá servir como um ponto de partida para explorar esta questão. Para além disso, os protocolos utilizados na síntese dos compostos poderão ser utilizados para a síntese de novos compostos da família, ou até podem ser adaptados para a criação de novas famílias de compostos.Constantino, Luís Filipe VicenteGomes, Claúdio M.Repositório da Universidade de LisboaDelgado, Tiago Alexandre Duarte2023-03-03T17:36:58Z202220222022-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/56540engmetadata only accessinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T17:04:12Zoai:repositorio.ul.pt:10451/56540Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T22:07:04.877442Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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