Μελέτες 3D σχέσεων δομής δράσης και De Novo σχεδιασμού διαμορφωτικώς ευέλικτων βιοδραστικών μορίων βασισμένες σε συνδυασμό πειραμάτων πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού δύο διαστάσεων και διαμορφωτικής ανάλυσης

Abstract

Using the CoMFA and CoMSIA 3D QSAR methodologies two significant categories of conformationally flexible bioactive compounds were studied. The conformations of the molecules used were derived from a combination of 2D NMR and theoretical calculations. In the first category of molecules, which comprised antileukemic steroidal esters of nitrogen mustards, the CoMFA and CoMSIA analyses that were carried out resulted in successful correlation and provided similar results. The steric effect and the hydrophobic/hydrophilic balance especially in the steroidal part of the molecules seem to determine activity. As for the alkylating part, its orientation towards the beta surface of the steroidal skeleton is combined with increased activity. However, a minimum distance between the alkylating part and the steroidal skeleton must be maintained, so that the contact with the 19-CH3 group can be avoided. As far as the steroidal part is concerned the presence of hydrophobic groups in rings B and D is important to increase activity. The CoMFA and CoMSIA models were used to predict the activity of twelve compounds of the test group. More than half of the compounds were predicted quite precisely. The evaluation of the thermal effects of one of the most active esters in a biological membrane model with the application of Differential Scanning Calorimetry (DSC) showed that the steroidal part modifies the thermal effects of the alkylating agent only if the two parts are connected through a chemical bond. The presence of the streroid may reduce the interaction of the alkylating agent with the membrane, thus reducing toxicity. In the second category of molecules that comprised antileishmanial cyclosubstituted ether phospholipids, the CoMFA and CoMSIA analyses resulted in very successful correlations and provided similar results for both Leishmania strains (L. infantum and L. donovani) that were studied. The steric effect and the hydrophobic over hydrophilic balance determine activity. In the case of L. infantum, the presence of a long alkyl chain is essential to ensure activity. This is not true for L. donovani In addition, the most favourable headgroup is choline, which is the least bulky. The CoMFA and CoMSIA models were used to predict the activity of test compounds providing quite satisfactory results. The CoMFA model was used as a matrix in Leapfrog to produce new analogues. Five of the resulting compounds had interesting structures and achieved a high binding score. In conclusion, the combination of 2D NMR experiments and computational methodologies in the identification of the bioactive conformation of compounds for the development of 3D QSAR proved to be successful in both categories of conformationally flexible molecules. The above results are expected to be used in the elucidation of the mechanisms of action involved and the design of new more potent analogues.

Μελετήθηκαν με χρήση CoMFA και CoMSIA 3D QSAR μεθοδολογιών, δύο σημαντικές κατηγορίες φαρμακευτικών ενώσεων που παρουσιάζουν διαμορφωτική ευελιξία, με αξιοποίηση του συνδυασμού δεδομένων 2D NMR και θεωρητικών υπολογισμών για την εύρεση των βιοδραστικών διαμορφώσεων τους. Στην πρώτη κατηγορία, η οποία περιελάμβανε αντιλευχαιμικούς εστέρες μουσταρδών του αζώτου με απλά και τροποποιημένα στεροειδή, οι αναλύσεις CoMFA και CoMSIA που πραγματοποιήθηκαν έδωσαν ικανοποιητικούς συσχετισμούς και παρόμοια μεταξύ τους αποτελέσματα. Καθοριστικής σημασίας φαίνεται να είναι τo στερικό φαινόμενο και η ισορροπία μεταξύ υδρόφοβων και υδρόφιλων ομάδων, ιδιαίτερα στο στεροειδικό τμήμα των μορίων. Όσο αφορά το αλκυλιωτικό τμήμα, ευνοείται ο προσανατολισμός του προς τη β-επιφάνεια του στεροειδικού σκελετού, με διατήρηση όμως μίας ελάχιστης απόστασης από το στεροειδικό σκελετό. Σημαντική για την αύξηση της δραστικότητας φαίνεται να είναι και η παρουσία υδρόφιλων ομάδων στους Β και Δ δακτυλίους. Τα μοντέλα CoMFA και CoMSIA χρησιμοποιήθηκαν για την πρόβλεψη της δραστικότητας των ενώσεων της ομάδας δοκιμής. Περισσότερες από τις μισές ενώσεις προβλέφθηκαν με σχετική ακρίβεια. Από την αξιολόγηση των θερμικών επιδράσεων ενός από τους δραστικότερους εστέρες με ένα μοντέλο βιολογικής μεμβράνης με Διαφορική Θερμιδομετρία Σάρωσης φάνηκε ότι το στεροειδές τμήμα τροποποιεί τις θερμικές επιδράσεις του αλκυλιωτικού παράγοντα μόνο εάν είναι συζευγμένο με αυτό μέσω δεσμού. Η παρουσία του στεροειδούς εμφανίζεται να ελαττώνει τις αλληλεπιδράσεις του αλκυλιωτικού παράγοντα και να εξασκεί ευεργετικό ρόλο στην ελάττωση της τοξικότητας του τελευταίου. Στη δεύτερη κατηγορία ενώσεων, δηλαδή των κυκλοϋποκατεστημένων αιθεροφωφολιπιδίων, οι αναλύσεις CoMFA και CoMSIA που πραγματοποιήθηκαν σε 33 μόρια όσον αφορά την αντιλεϊσμανιακή τους δράση κατά των προμαστιγωτών μορφών δύο ειδών Leishmania, των L. infantum και L. Donovani έδωσαν επιτυχείς συσχετισμούς και παρόμοια μεταξύ τους αποτελέσματα και για τα δύο είδη. Καθοριστικά για τη δράση είναι το στερικό φαινόμενο και η ισορροπία μεταξύ υδρόφοβων και υδρόφιλων ομάδων. Στην περίπτωση του L. infantum απαραίτητη προϋπόθεση για την εκδήλωση δράσης είναι η παρουσία μεγάλου μήκους αλκυλικής αλυσλιδας. Δεν ισχύει το ίδιο για το L. Donovani. Εξάλλου, στην πολική κεφαλή των αιθερφωσφολιπιδίων ευνοείται η λιγότερο υποκατεστημένη ομάδα, αυτή της χολίνης. Τα μοντέλα CoMFA και CoMSIA χρησιμοποιήθηκαν για την πρόβλεψη της δραστικότητας των ενώσεων της ομάδας δοκιμής, δίνοντας ικανοποιητικά αποτελέσματα. Το μοντέλο CoMFA χρησιμοποιήθηκε επίσης ώς μήτρα στην εφαρμογή de novo σχεδιασμού με το λογισμικό LeapFrog. Προέκυψαν πέντε ενδιαφέρουσες δομές με υψηλό σκορ σύνδεσης, οι οποίες φέρουν τροποιήσεις στο τελικό άκρο της αλκυλικής αλυσίδας. Οι δομές αυτές αξιολογήθηκαν εκ νέου από τα αντίστοιχα μοντέλα, όπου έδωσαν πράγματι υψηλές τιμές δραστικότητας. Συμπερασματικά, ο συνδυασμός πειραμάτων 2D NMR και υπολογιστικών μεθόδων κατά την εύρεση της διαμόρφωσης μορίων για την αξιοποίησή της σε μελέτες 3D QSAR αποδείχτηκε επιτυχής και για τις δύο κατηγορίες ενώσεων. Τα ανωτέρω αποτελέσματα αναμένεται να χρησιμοποιηθούν κατά τη διερεύνηση των εμπλεκόμενων μηχανισμών δράσης και κατά την ανάπτυξη νέων δραστικότερων αναλόγων.