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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.75.2020.tde-04022020-163539
Documento
Autor
Nome completo
Lorenzo Cianni
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2019
Orientador
Banca examinadora
Montanari, Carlos Alberto (Presidente)
Silva, Carlos Henrique Tomich de Paula da
Silva, João Santana da
Gütschow, Michael
Juliano Neto, Luiz
Oliva, Maria Luiza Vilela
Título em português
Design, synthesis and trypanocidal activity of cruzain reversible-covalent inhibitors
Palavras-chave em português
cruzain
inibição enzimática
química medicinal
SARs
Resumo em português

A doença de Chagas, causada pelo parasito protozoário Trypanosoma cruzi, continua sendo um grave problema de saúde devido à terapia inadequada e à falta de uma vacina eficaz. Novos fámacos que sejam seguros e eficazes são, portanto, criticamente necessários. A cruzaína (Cz), principal protease cisteínica (CP) do T. cruzi, é uma enzima essencial para o ciclo de vida do parasito e tem sido utilizada como alvo viável para a busca e identificação de novas entidades químicas (NCE) como agentes tripanossomicidas. Alguns resultados recentes demonstram que os inibidores covalentes reversíveis da Cz podem bloquear os passos de diferenciação celular no parasito e levá-lo à morte. Nesta tese, por emprego de abordagem racional baseada em hipóteses, foram planejados e sintetizados diferentes séries de inibidores da Cz baseadas em dipeptidil nitrilas. Em especial, o esqueleto molecular foi modificado para compreender as interações S3/P3, o papel do grupo ciclopropila no processo de reconhecimento bimolecular e o mapeamento S1/S1´ para melhorar a afinidade e avaliar a seletividade frente a outras CPs presentes em células de mamíferos. A partir do protótipo Neq0570 (pKi = 6,3), a afinidade para Cz foi aumentada em 1,6 unidades log para o Neq0922, pKi = 7,9, por uma combinação de modificações estruturais em P3, P2 e P1. Dos resultados relevantes obtidos, destacam-se três novos inibidores da Cz (Neq0940, Neq0938 e Neq0877) equipotentes ao Benzonidazol - Bz, (o fármaco atualmente usado no Brasil para o tratamento da doença de Chagas) em ensaios in vitro para a avaliação da atividade antitripanossomal sobre o T. cruzi. Considerando-se que o índice de seletividade (SI) do Bz é > 20, como no caso desses inibidores, testes in vivo serão necessários para avaliar a potência frente à forma aguda da doença de Chagas. Inibidores bioisostéricos de dipeptidil nitrilas estão sob investigação pré-clínica como agentes tripanossomicidas. Destarte, realizamos a síntese e os estudos de relação estrutura-atividade (SAR) de inibidores da Cz por substituição da amida em P3/P2 por trifluoroetilamina. Foram identificados três novos inibidores de Cz com afinidade em concentração nanomolar de um dígito (Neq0642, Neq0643 e Neq0659) com alta seletividade sobre a catepsina L de humanos (CatL). Os efeitos da configuração do centro estereogênico em P3/P2 associados à substituição de diferentes grupos em P1 levam a fortes efeitos não-aditivos nas SARs. A troca bioisostérica pelo grupo sulfonamida em P3/P2 resultou em uma nova série de inibidores que foi avaliada em um painel de CPs de agentes infecciosos e de seres humanos. Há uma reconhecida SAR na inibição da Cz, ao mesmo tempo em que revelam uma inibição na ordem nanomolar para a CatS, com elevada seletividade para os outras CPs de mamíferos (CatB, CatK e CatL). A exploração da SAR também incorpora os efeitos do grupo eletrofílico nitrila por inclusão de "warheads" alternativos. As constantes de inibição representadas por aldeídos e nitrilo-azadipeptídios são duas ordens de grandeza maiores para os melhores inibidores de Cz. Além disso, o inibidor de Cz nitrilo-azadipeptídico (Neq0690) foi usado na primeira geração de inibidores da CPB de Leishmania mexicana (LmCPB) obtida na forma cristalina com alta resolução da estrutura cristalográfica.

Título em inglês
Design, Synthesis and Trypanocidal Activity of Cruzain Reversible-Covalent Inhibitors
Palavras-chave em inglês
cruzain
enzyme inhibition
medicinal chemistry
SARs
Resumo em inglês

Chagas disease, caused by the protozoan parasite Trypanosoma cruzi, remains a serious health problem due to inadequate therapy and lack of an effective vaccine. New drugs that are safe and efficient are therefore critically needed. Cruzain (Cz), the main T. cruzi cysteine protease (CP), is an essential enzyme for the life cycle of the parasite and has been used as a viable target for the search and identification of new chemical entities (NCE) acting as trypanocidal agents. Recent literature results demonstrate that reversible covalent Cz inhibitors can block the cell differentiation steps in the parasite and kill it.To this end, by applying a knowledge-based design approach, we have designed and synthesized a new series of dipeptidyl nitrile inhibitors of Cz aimed at leveraging the S3/P3 interactions, understand the role of the cyclopropyl in the bimolecular recognition process and map the S1/S1´ to enhance affinity and selectivity over other CPs. Herein, we report three new Cz inhibitors (Neq0940, Neq0938 and Neq0877)being equipotent with Benznidazole (the only current drug used to treat Chagas disease in Brazil) with SI (selective index) ratio over 20 (respect to the host cell) and therefore making them attractive synthetic targets for further in vivo testing against the acute form of Chagas disease. Dipeptidyl nitrile bioisostere inhibitors are under preclinical investigation as trypanocidal agents. Therefore, we performed the synthesis and structure-activity relationship (SAR) investigation of nitrile-based Cz inhibitors incorporating a trifluoroethylamine moiety as P3/P2 amide replacement. Results display three new one-digit (Neq0642, Neq0643, and Neq0659) nanomolar Cz inhibitors with high selectivity over CatL. Also, this works reveals that the effects of configuration at the P3/P2 amide replacement and different substitution in P1 lead to strong nonadditivity outcome. The bioisosteric exchange by a sulfonamide moiety on P3/P2 resulted in a new series of inhibitors that was evaluated on a panel of infectious and human CPs. Data displays an interesting flat SAR for Cz while disclosing strong CatS inhibition with high selectivity for other mammalian CPs (CatB, CatK, and CatL). SAR investigation also includes the effects of the nitrile electrophilic group by including alternative warheads. Inhibition constants represented by aldehydes and nitrile azadipeptides are two orders of magnitude larger for the best Cz inhibitors. Besides, the nitrile azadipeptide Cz inhibitor (Neq0690) was used in the first generation of Leishmania mexicana CPB (LmCPB) high-resolution x-Ray crystal structure.

 
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Data de Publicação
2020-03-09
 
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