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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.46.2016.tde-25042016-172925
Documento
Autor
Nome completo
Hamilton Mitsugu Ishiki
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2005
Orientador
Banca examinadora
Amaral, Antonia Tavares do (Presidente)
Alencastro, Ricardo Bicca de
Farah, Joao Pedro Simon
Quina, Frank Herbert
Takahata, Yuji
Título em português
Relações quantitativas entre estrutura química e atividade biológica (QSAR/QSAR-3D) de compostos com potencial atividade antituberculose
Palavras-chave em português
Compostos orgânicos (Propriedades; Quimioterapia)
Parâmetros fisico-químicos
Preparação de compostos
QSAR
Química farmacêutica
Relações quantitativas entre estrutura química e atividade biológica
Testes biológicos
Tuberculostáticos
Resumo em português
A tuberculose (TB) é uma doença causada pelo Mycobacterium tuberculosis. De acordo com estimativas da Organização Mundial da Saúde, a tuberculose é responsável pela morte de ~2 a 3 milhões de pessoas/ano no mundo e nos próximos 15 anos cerca de 1 bilhão de pessoas deverão ser infectadas, e destas, aproximadamente 35 milhões deverão morrer. Apesar de existirem vários medicamentos sendo utilizados no tratamento da doença, constatasse o crescimento no número de casos devido, principalmente, às variedades resistentes do M. tuberculosis. Considerando-se o aparecimento de cepas resistentes em TB, recomenda-se que novos medicamentos e/ou alvos biológicos alternativos devam ser intensivamente pesquisados. A ribonucleotídeo redutase (RNR), por exemplo, é uma proteína de interesse, pois catalisa uma etapa importante e única na síntese de novo dos dNTPs, reduzindo o ribonucleosídeo 5' -difosfato ao seu correspondente desoxirribonucleosídeo 5' -difosfato. A RNR é importante na síntese do DNA, e portanto, na divisão das células. Esta enzima importante, que possuí 16% de homologia com a RNR de mamíferos, é um alvo potencial para o desenvolvimento de novos fármacos, com provável aplicação no tratamento do câncer, da malária e do tripanossoma. Sabe-se que diferentes classes de compostos, através de diferentes mecanismos de ação, inibem a RNR, incluindo as α-(N)-heterocíclicas carboxaldeído tiossemicarbazonas, um dos inibidores mais potentes da RNR. Sabe-se que alguns derivados da tiossemicarbazona, inibidoras da RNR de células tumorais, apresentam atividade frente o M. tuberculosis atuando provavelmente através do mesmo mecanismo, envolvendo a inibição da correspondente RNR. Neste contexto, nesta tese de doutorado, foram aplicadas diferentes abordagens de QSAR/QSAR-3D no estudo de 40 derivados da 2-piridino-carboxaldeído tiossemicarbazona, inibidores da RNR de células H.Ep.-2, retirados de literatura selecionada (French & Blanz-Jr. 1974). Estes compostos foram divididos em cinco séries, a saber: séries A, B, C, D, e E contendo, respectivamente, 40, 39, 30, 23 e 22 compostos, na tentativa de tornar estas séries estruturalmente mais homogêneas. Para cada série, foram criados três grupos de treinamento e os respectivos grupos de teste (I, II e III), visando-se avaliar o poder de predição dos modelos gerados através das análises de QSAR/QSAR-3D. Para as análises de QSAR clássico, foram utilizados como variáveis independentes, os descritores mais relevantes gerados através do programa DRAGON e, pré-selecionados por PLS. Considerando-se a ausência de informações sobre a estrutura cristalográfica da enzima RNR do M. tuberculosis, os estudos de QSAR-3D foram iniciados empregando-se metodologias propostas em CoMFA e, em CoMSIA, implementadas no programa SYBYL. Além destas, foi realizada a modelagem por homologia da RNR do M. tuberculosis, utilizando-se o programa WHATIF. Para as abordagens CoMFA e CoMSIA as geometrias otimizadas através do método semi-empírico AM1 foram alinhadas átomo-a-átomo e, através da similaridade dos respectivos campos estéricos e eletrostáticos, utilizando-se o programa SEAL. Nos dois procedimentos a geometria do composto não substituído, um dos mais ativos na série, foi utilizada como molde considerando-se a ausência de informações sobre a conformação bioativa. A modelagem da RNR por homologia foi realizada utilizando-se como molde as estruturas cristalográficas, respectivamente, do C. ammoniagenes (código PDB 1KGN) e da S. typhimurium (código PDB 1R2F), sambas apresentando valores de identidade superior a 65%. Mais recentemente foram publicados os dados cristalográficos para a cadeia beta (subunidade menor) da RNR do M. tuberculosis (código PDB 1UZR). Os modelos CoMFA e CoMSIA gerados apresentaram valores aceitáveis para os coeficientes de correlação de predição, com altos valores para os coeficientes de correlação ajustados e baixos valores para os erros padrões. Os melhores modelos CoMFA e CoMSIA foram obtidos considerando o grupo com substituintes apenas na posição 5 do anel piridínico. Razoáveis coeficientes de correlação de predição para os modelos CoMSIA com altos coeficientes de correlação de ajuste e baixos valores para os erros padrões forma obtidos. Os mapas de contorno gerados em CoMFA e CoMSIA sugerem que grupos aceptores de ligações de hidrogênio próximos ao nitrogênio do anel piridínico deverá aumentar o valor da atividade inibitória. Esta observação está em boa concordância com os dados da literatura, na qual a formação de um complexo entre a TSC e o íon Ferro foi sugerido para a inibição da RNR. Estes estudos deverão permitir um melhor entendimento sobre as características estruturais desta classe de TSC inibidoras da RNR, como agentes antitumorais, em termos dos campos estéricos, eletrostáticos, hidrofóbico, doador e aceptor de ligações de hidrogênio, bem como a contribuição para o desenvolvimento racional de novos inibidores para esta importante enzima. Adicionalmente, dois compostos preparados em nosso laboratório, demonstraram atividade frente o M. tuberculosis, em testes realizados in vivo.
Título em inglês
Quantitative relationships between chemical structure and biological activity (QSAR/QSAR-3D) of compounds with potential anti-tuberculosis activity
Palavras-chave em inglês
Biological tests
Organic compounds (Properties; Chemotherapy)
Pharmaceutical chemistry
Physico-chemical parameters
Preparation of compounds
Qsar
Quantitative relationships between chemical structure and biological activity
TB drug
Resumo em inglês
Tuberculosis is an illness caused by Mycobacterium tuberculosis. Data from World Health Organization (WHO) estimates, that about 2-3 millions of human population died by Mycobacterium tuberculosis infection and that during the next 15 years about 1 billion will be infected and 35 million will certainly die. Although, in the clinic it was found several antiTBdrugs, these numbers will increase due several reasons including M. tuberculosis resistant strains. It has been stressed the importance of novel medicines and/or alternative biological targets research projects. It is known that Ribonucleotide reductase (RNR), is an enzyme that catalyses the rate limiting step in the de novo synthesis of dNTPs, reducing the ribonucleoside 5'-diphosphates to the corresponding deoxyribonuc1eoside 5' -diphosphates. RNR has a critical role in the DNA synthesis and, hence, cell division. This key enzyme, that shows 16% homology when compared with mammals RNR, is a potential target for drug design of cell growth inhibitors, with potential application in cancer therapy, antimalaria and trypanosome chemotherapy. It is known that different types of compounds or species by means of different mechanism pathways can show RNR inhibition, including α-(N)-heterocyclic carboxaldehydes thiosemicarbazones that are one of the most potent classes of RNR inhibitors. More than that, some of them, that shows activity against M. tuberculosis seems to follow the same mechanism pathways proposed to the thiosemicarbazones tumor cells activity that means, that they probably are RNR inhibitors. In this study, a series of 40 α-(N)-2-formyl-pyridine thiosemicarbazone derivatives tested against RNR of H.ep.-2-cells (human epidermoid carcinoma), taken from selected literature (French & Blanz-Jr. 1974), has quantitatively analyzed by means of several QSAR/3D-QSAR approaches. These compounds were divided into 5 individual subsets, namely A, B, C, D, and E, having 40, 39, 30, 23 e 22 compounds, respectively. This procedure has been done in order to achieve more structurally homogeneous subsets. For each set, three individual training and test sets (I,II and III) have been created in order to evaluate the predictivity power of the generated QSAR/3D-QSAR models. QSAR analysis have been done using descriptors generated by DRAGON program that have been further pre-selected by PLS procedures. Considering that crystallographic data of RNR M. tuberculosis are not available in the literature, 3D-QSAR studies have been done these applying, initially, CoMFA and CoMSIA approaches, implemented in SYBYL. Homology model studies have been performed with WHATIF program CoMFA e CoMSIA approaches used optimized geometry obtained by semi-empirical AM1 methods that have been aligned by two different methods. Rigid alignment, in which the compounds were fitted atom-by-atom onto a template, based on the root mean square fit. The N(l) and C(2) atoms of the pyridine moiety and the heavy atoms of thiosemicarbazone backbone of TSC were used as template structure. (2) Field based, in which the steric and electrostatic fields, generated by the SEAL program were considered in the alignment. In both procedures the unsubstituted 2-formylpyridine thiosemicarbazone in its syn conformation, has been taken as template. Homology RNR models were done using as template crystallographic data of ammoniagenes (1KGN) and S. typhimurium (1R2F) as template, respectively, with identity larger than 65%. More recent1y new crystallographic data have been published for the beta chain (smaller subunity) of RNR do M. tuberculosis (1UZR). CoMFA and CoMSIA generated models showed acceptable predictive correlation coefficients with high fitted correlation coefficients and low standard errors. Betler CoMFA and CoMSIA models have been derived considering a homogeneous subset of TSC substituted only at 5-position in pyridine ring. Reasonable predictive correlation coefficients for CoMSIA models with high fitted correlation coefficients and very low standard errors were obtained. The derived CoMFA and CoMSIA countour maps suggested that a hydrogen bond acceptor near the nitrogen pyridine ring could enhance inhibitory activity value. This observation is in good agreement with literature, in which a complex formation between TSC and iron ion has been suggested, to RNR inhibition. These studies are expected to enhance the understanding of the structural features of this class of TSC-RNR inhibitors as antitumor agents in terms of steric, electrostatic, hydrophobic and hydrogen donor and acceptor fields as well as to contribute to rational design of inhibitors of this key enzyme. Additionally, two compounds that have been prepared by us showed activity against M. tuberculosis using in vivo test system.
 
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Data de Publicação
2016-04-25
 
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