Pode-se afirmar que no século XX originou-se uma indústria farmacêutica multinacional com extraordinária capacidade de pesquisa e desenvolvimento para produzir novos fármacos. Porém, contradizendo este potencial inovador, o número de fármacos introduzidos no mercado vem declinando desde 1960 e as oportunidades abertas com os avanços da biologia molecular, da genômica, da bioinformática e da química ainda não trouxeram os resultados esperados. No Brasil, a pesquisa científica tem obtido resultados de grande relevância, mas encontra muitas dificuldades para levar novos produtos ao mercado. O objetivo principal deste trabalho é discutir estratégias de fomento para a pesquisa e desenvolvimento de fármacos no país, procurando conciliar os requisitos técnicos e econômicos deste processo com as competências preexistentes. O referencial metodológico adotado enfatiza o papel determinante das relações econômicas na pesquisa e desenvolvimento de fármacos e procura encontrar caminhos compatíveis com a realidade nacional. Para tanto, discute as características técnicas e econômicas desta atividade, bem como a estratégia das empresas inovadoras e algumas experiências brasileiras nesta área do conhecimento. Fundamentado na análise de 766 novos fármacos introduzidos no mercado mundial entre 1984-2003, nos pilares econômicos do processo de inovação e no contexto político-institucional da pesquisa e desenvolvimento de fármacos, propõe alternativas para aprimorar o desenvolvimento científico e tecnológico do setor farmacêutico brasileiro. Muitas atividades relacionadas com a pesquisa e desenvolvimento de fármacos são realizadas no país, mas encontram-se dispersas nas principais universidades, centros e institutos de pesquisa. O mapeamento destas competências representa o ponto de partida para a criação de uma rede de inovação no setor farmacêutico. Um dos gargalos identificados neste trabalho é a fragilidade do suporte institucional para negociações de alta tecnologia, do qual fazem parte as patentes, os acordos de cooperação e a transferência de tecnologia. Para viabilizar, no Brasil, a incorporação de ferramentas de alta tecnologia empregadas no desenvolvimento de fármacos foi proposta a criação do Laboratório Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento de Fármacos. Além de garantir sofisticação técnica, este Laboratório Nacional atuaria como instituição aberta, multidisciplinar, assumindo o papel de um centro de articulação das iniciativas voltadas para o desenvolvimento de fármacos, podendo gerar recursos para financiar a pesquisa e contribuir para o desenvolvimento científico e tecnológico. Acordos de cooperação com empresas inovadoras e organismos internacionais fazem parte das estratégias para captação de recursos. Linhas de pesquisa alinhadas com as necessidades do Sistema Único de Saúde e com outras políticas do setor público também devem nortear a pesquisa e desenvolvimento de fármacos no país. A exploração de novos alvos moleculares, articulada com projetos genômicos, inovações incrementais, doenças negligenciadas e produtos naturais são apontados como áreas estratégicas. A afirmação de que o Brasil reúne as condições necessárias para participar do processo de desenvolvimento de fármacos - hipótese primária deste trabalho - encontra sustentação nos argumentos apresentados e revela que as condições para a inovação tecnológica nunca foram tão favoráveis quanto agora. Estimular o debate acerca de estratégias que possam fomentar o desenvolvimento científico e tecnológico da pesquisa e desenvolvimento de fármacos no país representa a contribuição almejada por este trabalho. / It can be asserted that in the twentieth century a multinational pharmaceutical industry with extraordinary research and development capacity to produce new drugs arose. However, contradicting this innovative potential, the number of new chemical entities introduced in the market is declining since 1960 and the opportunities open with the progresses of molecular biology, genomics, bioinformatics and chemistry haven\'t brought the expected results yet. In Brazil, the scientific research has been obtaining results of great relevance, but a lot of difficulty is found to introduce new products into the market. The main purpose of this work is to discuss fomentation strategies for the drug research and development in the country, trying to reconcile technical and economic requirements of this process with the pre-existent competences. The adopted methodological referential emphasizes the decisive role of economic relationships in drug research and development and tries to find out compatible ways with the national reality. For that, it discusses the technical and economic characteristics of this activity, as well as the strategy of innovative companies and some Brazilian experiences in this knowledge area. Based on the analysis of 766 new chemical entities introduced in world market among 1984 to 2003, in economic pillars of the innovation process and in political-institutional context of drug research and development, alternatives are proposed to straighten out the scientific and technological development of Brazilian pharmaceutical sector. Many activities related to the drug research and development are accomplished in the country, but they are scattered in the main universities, research centers and institutes. The charting of these competences represents the start up to create an innovation net in the pharmaceutical section. One of the bottlenecks identified in this work is the fragility of institutional support for high technology negotiations, of which patents, cooperation agreements and technology transference make part. To make it possible, in Brazil, incorporation of high technology tools used in drug development, creation of National Laboratory of Drug Research and Development was proposed. Besides guaranteeing technical sophistication, this National Laboratory would act as an open institution, multidisciplinary, shouldering the role of an articulation center of initiatives aiming drug development, being able to generate resources to finance research and to contribute to scientific and technological development. Cooperation agreements with innovative companies and international organisms are part of strategies to raise funds research fields aligned with the needs of the Brazilian Unique Health System (SUS) and with other policies of Public Sector also must direct the drug research and development in the country. New molecular targets evaluation articulated in genomic process, incremental innovations, neglected diseases and natural products are pointed out as strategic areas. The statement that Brazil has conditions of participating in the process of drug development - primary hypothesis of this work - finds back-up in reported arguments and reveals that conditions for technological innovation have never been as favorable as now. To stimulate the debate concerning strategies that can foment scientific and technological development of drug research and development in the country represents the contribution aimed for this work.

Objetivo: O objetivo do presente estudo foi descrever a relação entre as concentrações plasmáticas totais e livres tumorais do etoposídeo (ETO) e a inibição do crescimento do tumor observada em ratos Wistar portadores de tumor Walker- 256 (W256) utilizando a modelagem farmacocinética/farmacodinâmica (PK/PD). Métodos: Os procedimentos com animais foram aprovados no CEUA/UFRGS sob o número 22302. Os experimentos de farmacocinética foram realizados para determinar concentrações plasmáticas e livres em duas regiões do tumor sólido W256 através de microdiálise. Após a administração do ETO nas doses de 10 ou 20 mg/kg i.v. bolus em ratos Wistar portadores de tumor W256, amostras de sangue e microdialisado de tecido do centro e periferia do tumor foram coletadas simultaneamente, até 7 h pós-dose, para determinar o fator de penetração no tumor. Um método analítico por CLAE-UV foi desenvolvido e validado para quantificação do etoposídeo nas amostras de plasma e dialisado. Os experimentos de farmacodinâmica foram conduzidos em ratos portadores de tumor W256 que receberam ETO 5 e 10 mg/kg i.v. bolus uma vez ao dia por 8 e 4 dias, respectivamente. O volume dos tumores foram monitorados diariamente durante 30 dias. Análise não-compartimental dos dados de PK foi realizada no WinNonlin®. A modelagem dos dados PK e PK/PD foi realizada no Monolix®, utilizando abordagem populacional. Os dados PK/PD foram analisados usando o modelo Simeoni TGI modificado através da introdução de uma função Emax para descrever a relação nãolinear entre a concentração plasmática e tumoral e o efeito. Resultados e Discussão: O método por CLAE-UV foi desenvolvido e validado para quantificar as amostras de ETO em plasma e tecido. A penetração do ETO no tumor foi maior na periferia (61 ± 15 % e 61 ± 29 %) do que no centro do tumor (34 ± 6 % e 28 ± 11 %) após administração das doses 10 e 20 mg/kg, respectivamente (ANOVA, α = 0.05). Um modelo de 4 compartimentos compreendendo uma distribuição saturável (cinética de Michaelis-Menten) nos compartimentos tumorais a partir do compartimento central modelou simultaneamente os perfis de concentração-tempo do ETO em plasma e em ambas regiões do tumor. O modelo populacional PK/PD Simeoni TGI–Emax foi capaz de descrever o efeito antitumoral dependente do regime de administração do ETO utilizando concentrações totais plasmáticas ou livres no tumor, resultando em um maior k2max (potência máxima) para as concentrações livres (25,8 mL.μg-1.dia-1 - intratumoral vs. 12,6 mL.μg-1.dia-1 - plasma total). Conclusões: Os resultados mostram que a utilização das concentrações livres do fármaco no tumor para a modelagem PK/PD pode fornecer um melhor entendimento da relação farmacocinética e farmacodinâmica e melhoram a capacidade de previsão do modelo, considerando que a eficácia dos fármacos antineoplásicos no tratamento de tumores sólidos é dependente da capacidade do fármaco em se distribuir no tecido tumoral. / Objective: The aim of this study was to describe the relationship between total plasma and free interstitial tumor etoposide (ETO) concentrations and the drug tumor growth inhibition observed in a Walker-256 (W256) tumor-bearing Wistar rat model using the pharmacokinetic/pharmacodynamic (PK/PD) modeling. Methods: The experiments with animals were approved by CEUA/UFRGS (protocol number 22302). Pharmacokinetic experiments were conducted to determine total plasma and free intratumoral concentrations in two regions of W256 solid tumor by microdialysis. After administration of ETO 10 or 20 mg/kg i.v. bolus to W256 tumorbearing Wistar rats, blood and tissue microdialysate samples from tumor center and periphery were simultaneously collected up to 7h to determine the tumor penetration factor. An analytical HPLC-UV method was developed and validated for quantification of ETO in plasma and microdialysate samples. The pharmacodynamic experiments were conducted in W256 tumor-bearing rats that received ETO 5 or 10 mg/kg i.v. bolus every day for 8 and 4 days, respectively. Tumor volumes were monitored daily for 30 days. Non-compartmental analysis of PK data was performed in WinNonlin®. The PK and PK/PD modeling by population approach were performed using Monolix®. PK/PD data were analyzed using a modification of Simeoni TGI model by introducing an Emax function to describe the nonlinear relationship between tumor and plasma concentrations and effect. Results and Discussion: The HLPCUV method was developed and validated to determine plasma and tissue samples of ETO. ETO tumor penetration was higher in the tumor periphery (61 ± 15 % and 61 ± 29 %) than center (34 ± 6 % and 28 ± 11 %) following 10 and 20 mg/kg doses, respectively (ANOVA, α = 0.05). A 4-compartment structural model comprising a saturable distribution (Michaelis-Menten kinetics) into the tumor compartments from the central compartment simultaneously described the ETO concentration–time profiles in plasma and both tumor regions. The PK/PD population Simeoni TGI–Emax model was capable of describing the schedule-dependent antitumor effects of ETO using total plasma or free tumor concentrations obtained in a W256-tumor bearing Wistar rat model, resulting in higher k2max (maximal potency) for free concentrations (25.8 mL.μg-1.day-1 - intratumoral vs. 12.6 mL.μg-1.day-1 total plasma). Conclusions: The results showed that the use of free intratumoral drug concentrations in the PK/PD modeling can provide a better understanding of the pharmacokinetics and pharmacodynamics relationship and improve the forecasting ability of the models considering that the efficacy of antineoplastic drugs in the treatment of solid tumors is dependent on the drug ability to distribute into the tumor.

Métodos computacionais assumiram a partir de 1980, um papel de destaque no planejamento de novos fármacos, oferecendo abordagens racionais para reduzir o grau de incerteza na geração de novos compostos bioativos. Dentre estes métodos, destacam-se aqueles dependentes de campos de força, como o atracamento e a dinâmica molecular. Infelizmente, estes métodos exigem estratégias de parametrização capazes de lidar com a diversidade química associada ao planejamento de fármacos. Os esforços atuais neste sentido são focados em fase gasosa, como no caso do GAFF e MMFF94, Assim, o presente trabalho busca explorar a capacidade de um campo de força baseado em fase condensada, o GROMOS, na reprodução de propriedades fisico-químicas de anéis aromáticos comumente encontrados em fármacos. Assim, parâmetros ligados e de Lennard-Jones do GROMOS53a6 foram utilizados para a construção das topologias destas moléculas orgânicas, enquanto novos parâmetros coulômbicos e torsionais foram gerados. Em seguida, suas propriedades físico-químicas foram simuladas e comparadas aos respectivos valores experimentais, permitindo a determinação da qualidade de cada topologia. Até o momento, 41 moléculas foram parametrizadas com sucesso, levando a erros absolutos abaixo de 15% para densidade, entalpia de vaporização e capacidade térmica isobárica. A partir desta etapa de validação, os parâmetros obtidos foram aplicados no estudo de hexafirinas sintéticas em diferentes solventes e íons, acessando com sucesso a conformação e coordenação das moléculas envolvidas. Desta forma, os dados obtidos constituem-se em um benchmark para futuros estudos baseados no campo de força GROMOS, sugerindo seu potencial para estudos de moléculas orgânicas sintéticas em fase condensada. Abre-se, ainda, a perspectiva de emprego de técnicas de dinâmica molecular, com estes parâmetros, no estudo do perfil conformacional, dinâmica e flexibilidade de fármacos em solução. / Since 1980, computational methods took a major role in drug design, offering rational approaches to mitigate the uncertainty in the generation of new bioactive compounds. Among these methods, it is possible to highlight the force field dependents, like molecular docking and molecular dynamics. Unfortunately, these methods demand parametrization strategies capable to to deal with such chemical diversity associated with drug planning. The efforts currently available in this sense are focused on gas phase, like GAFF and MMF94, Therefore, the present work aims to explore the capacity of a force field based on condensed phase, GROMOS, on reproducing physical-chemical properties of aromatic rings commonly found on drugs. Thus, bonded and Lennard-Jones parameters of GROMOS53a6 was used to build topologies for these organic molecules, while new coulombic and torsional parameters were generated. Next, their physical-chemical properties were simulated and compared to respective experimental data, allowing a quality determination of each topology. So far, 41 molecules were successfully parameterized, leading to absolute errors below 15% for density, enthalpy of vaporization and isobaric heat capacity. From this validation step, the obtained parameters were applied on the synthetic hexaphyrin studies in different solvents and ions, successfully accessing the conformation and coordination of the participating molecules. Therefore, the obtained data constitute a benchmark for future studies based on GROMOS force field, suggesting its potential to carry out studies on synthetic organic molecules in condensed phase. Yet, it opens the perspective of applying molecular dynamics techniques with these parameters on the study of conformational profile, dynamics and flexibility of drugs in solution.

Objetivo: O objetivo do presente estudo foi descrever a relação entre as concentrações plasmáticas totais e livres tumorais do etoposídeo (ETO) e a inibição do crescimento do tumor observada em ratos Wistar portadores de tumor Walker- 256 (W256) utilizando a modelagem farmacocinética/farmacodinâmica (PK/PD). Métodos: Os procedimentos com animais foram aprovados no CEUA/UFRGS sob o número 22302. Os experimentos de farmacocinética foram realizados para determinar concentrações plasmáticas e livres em duas regiões do tumor sólido W256 através de microdiálise. Após a administração do ETO nas doses de 10 ou 20 mg/kg i.v. bolus em ratos Wistar portadores de tumor W256, amostras de sangue e microdialisado de tecido do centro e periferia do tumor foram coletadas simultaneamente, até 7 h pós-dose, para determinar o fator de penetração no tumor. Um método analítico por CLAE-UV foi desenvolvido e validado para quantificação do etoposídeo nas amostras de plasma e dialisado. Os experimentos de farmacodinâmica foram conduzidos em ratos portadores de tumor W256 que receberam ETO 5 e 10 mg/kg i.v. bolus uma vez ao dia por 8 e 4 dias, respectivamente. O volume dos tumores foram monitorados diariamente durante 30 dias. Análise não-compartimental dos dados de PK foi realizada no WinNonlin®. A modelagem dos dados PK e PK/PD foi realizada no Monolix®, utilizando abordagem populacional. Os dados PK/PD foram analisados usando o modelo Simeoni TGI modificado através da introdução de uma função Emax para descrever a relação nãolinear entre a concentração plasmática e tumoral e o efeito. Resultados e Discussão: O método por CLAE-UV foi desenvolvido e validado para quantificar as amostras de ETO em plasma e tecido. A penetração do ETO no tumor foi maior na periferia (61 ± 15 % e 61 ± 29 %) do que no centro do tumor (34 ± 6 % e 28 ± 11 %) após administração das doses 10 e 20 mg/kg, respectivamente (ANOVA, α = 0.05). Um modelo de 4 compartimentos compreendendo uma distribuição saturável (cinética de Michaelis-Menten) nos compartimentos tumorais a partir do compartimento central modelou simultaneamente os perfis de concentração-tempo do ETO em plasma e em ambas regiões do tumor. O modelo populacional PK/PD Simeoni TGI–Emax foi capaz de descrever o efeito antitumoral dependente do regime de administração do ETO utilizando concentrações totais plasmáticas ou livres no tumor, resultando em um maior k2max (potência máxima) para as concentrações livres (25,8 mL.μg-1.dia-1 - intratumoral vs. 12,6 mL.μg-1.dia-1 - plasma total). Conclusões: Os resultados mostram que a utilização das concentrações livres do fármaco no tumor para a modelagem PK/PD pode fornecer um melhor entendimento da relação farmacocinética e farmacodinâmica e melhoram a capacidade de previsão do modelo, considerando que a eficácia dos fármacos antineoplásicos no tratamento de tumores sólidos é dependente da capacidade do fármaco em se distribuir no tecido tumoral. / Objective: The aim of this study was to describe the relationship between total plasma and free interstitial tumor etoposide (ETO) concentrations and the drug tumor growth inhibition observed in a Walker-256 (W256) tumor-bearing Wistar rat model using the pharmacokinetic/pharmacodynamic (PK/PD) modeling. Methods: The experiments with animals were approved by CEUA/UFRGS (protocol number 22302). Pharmacokinetic experiments were conducted to determine total plasma and free intratumoral concentrations in two regions of W256 solid tumor by microdialysis. After administration of ETO 10 or 20 mg/kg i.v. bolus to W256 tumorbearing Wistar rats, blood and tissue microdialysate samples from tumor center and periphery were simultaneously collected up to 7h to determine the tumor penetration factor. An analytical HPLC-UV method was developed and validated for quantification of ETO in plasma and microdialysate samples. The pharmacodynamic experiments were conducted in W256 tumor-bearing rats that received ETO 5 or 10 mg/kg i.v. bolus every day for 8 and 4 days, respectively. Tumor volumes were monitored daily for 30 days. Non-compartmental analysis of PK data was performed in WinNonlin®. The PK and PK/PD modeling by population approach were performed using Monolix®. PK/PD data were analyzed using a modification of Simeoni TGI model by introducing an Emax function to describe the nonlinear relationship between tumor and plasma concentrations and effect. Results and Discussion: The HLPCUV method was developed and validated to determine plasma and tissue samples of ETO. ETO tumor penetration was higher in the tumor periphery (61 ± 15 % and 61 ± 29 %) than center (34 ± 6 % and 28 ± 11 %) following 10 and 20 mg/kg doses, respectively (ANOVA, α = 0.05). A 4-compartment structural model comprising a saturable distribution (Michaelis-Menten kinetics) into the tumor compartments from the central compartment simultaneously described the ETO concentration–time profiles in plasma and both tumor regions. The PK/PD population Simeoni TGI–Emax model was capable of describing the schedule-dependent antitumor effects of ETO using total plasma or free tumor concentrations obtained in a W256-tumor bearing Wistar rat model, resulting in higher k2max (maximal potency) for free concentrations (25.8 mL.μg-1.day-1 - intratumoral vs. 12.6 mL.μg-1.day-1 total plasma). Conclusions: The results showed that the use of free intratumoral drug concentrations in the PK/PD modeling can provide a better understanding of the pharmacokinetics and pharmacodynamics relationship and improve the forecasting ability of the models considering that the efficacy of antineoplastic drugs in the treatment of solid tumors is dependent on the drug ability to distribute into the tumor.

Objetivo: O objetivo do presente estudo foi descrever a relação entre as concentrações plasmáticas totais e livres tumorais do etoposídeo (ETO) e a inibição do crescimento do tumor observada em ratos Wistar portadores de tumor Walker- 256 (W256) utilizando a modelagem farmacocinética/farmacodinâmica (PK/PD). Métodos: Os procedimentos com animais foram aprovados no CEUA/UFRGS sob o número 22302. Os experimentos de farmacocinética foram realizados para determinar concentrações plasmáticas e livres em duas regiões do tumor sólido W256 através de microdiálise. Após a administração do ETO nas doses de 10 ou 20 mg/kg i.v. bolus em ratos Wistar portadores de tumor W256, amostras de sangue e microdialisado de tecido do centro e periferia do tumor foram coletadas simultaneamente, até 7 h pós-dose, para determinar o fator de penetração no tumor. Um método analítico por CLAE-UV foi desenvolvido e validado para quantificação do etoposídeo nas amostras de plasma e dialisado. Os experimentos de farmacodinâmica foram conduzidos em ratos portadores de tumor W256 que receberam ETO 5 e 10 mg/kg i.v. bolus uma vez ao dia por 8 e 4 dias, respectivamente. O volume dos tumores foram monitorados diariamente durante 30 dias. Análise não-compartimental dos dados de PK foi realizada no WinNonlin®. A modelagem dos dados PK e PK/PD foi realizada no Monolix®, utilizando abordagem populacional. Os dados PK/PD foram analisados usando o modelo Simeoni TGI modificado através da introdução de uma função Emax para descrever a relação nãolinear entre a concentração plasmática e tumoral e o efeito. Resultados e Discussão: O método por CLAE-UV foi desenvolvido e validado para quantificar as amostras de ETO em plasma e tecido. A penetração do ETO no tumor foi maior na periferia (61 ± 15 % e 61 ± 29 %) do que no centro do tumor (34 ± 6 % e 28 ± 11 %) após administração das doses 10 e 20 mg/kg, respectivamente (ANOVA, α = 0.05). Um modelo de 4 compartimentos compreendendo uma distribuição saturável (cinética de Michaelis-Menten) nos compartimentos tumorais a partir do compartimento central modelou simultaneamente os perfis de concentração-tempo do ETO em plasma e em ambas regiões do tumor. O modelo populacional PK/PD Simeoni TGI–Emax foi capaz de descrever o efeito antitumoral dependente do regime de administração do ETO utilizando concentrações totais plasmáticas ou livres no tumor, resultando em um maior k2max (potência máxima) para as concentrações livres (25,8 mL.μg-1.dia-1 - intratumoral vs. 12,6 mL.μg-1.dia-1 - plasma total). Conclusões: Os resultados mostram que a utilização das concentrações livres do fármaco no tumor para a modelagem PK/PD pode fornecer um melhor entendimento da relação farmacocinética e farmacodinâmica e melhoram a capacidade de previsão do modelo, considerando que a eficácia dos fármacos antineoplásicos no tratamento de tumores sólidos é dependente da capacidade do fármaco em se distribuir no tecido tumoral. / Objective: The aim of this study was to describe the relationship between total plasma and free interstitial tumor etoposide (ETO) concentrations and the drug tumor growth inhibition observed in a Walker-256 (W256) tumor-bearing Wistar rat model using the pharmacokinetic/pharmacodynamic (PK/PD) modeling. Methods: The experiments with animals were approved by CEUA/UFRGS (protocol number 22302). Pharmacokinetic experiments were conducted to determine total plasma and free intratumoral concentrations in two regions of W256 solid tumor by microdialysis. After administration of ETO 10 or 20 mg/kg i.v. bolus to W256 tumorbearing Wistar rats, blood and tissue microdialysate samples from tumor center and periphery were simultaneously collected up to 7h to determine the tumor penetration factor. An analytical HPLC-UV method was developed and validated for quantification of ETO in plasma and microdialysate samples. The pharmacodynamic experiments were conducted in W256 tumor-bearing rats that received ETO 5 or 10 mg/kg i.v. bolus every day for 8 and 4 days, respectively. Tumor volumes were monitored daily for 30 days. Non-compartmental analysis of PK data was performed in WinNonlin®. The PK and PK/PD modeling by population approach were performed using Monolix®. PK/PD data were analyzed using a modification of Simeoni TGI model by introducing an Emax function to describe the nonlinear relationship between tumor and plasma concentrations and effect. Results and Discussion: The HLPCUV method was developed and validated to determine plasma and tissue samples of ETO. ETO tumor penetration was higher in the tumor periphery (61 ± 15 % and 61 ± 29 %) than center (34 ± 6 % and 28 ± 11 %) following 10 and 20 mg/kg doses, respectively (ANOVA, α = 0.05). A 4-compartment structural model comprising a saturable distribution (Michaelis-Menten kinetics) into the tumor compartments from the central compartment simultaneously described the ETO concentration–time profiles in plasma and both tumor regions. The PK/PD population Simeoni TGI–Emax model was capable of describing the schedule-dependent antitumor effects of ETO using total plasma or free tumor concentrations obtained in a W256-tumor bearing Wistar rat model, resulting in higher k2max (maximal potency) for free concentrations (25.8 mL.μg-1.day-1 - intratumoral vs. 12.6 mL.μg-1.day-1 total plasma). Conclusions: The results showed that the use of free intratumoral drug concentrations in the PK/PD modeling can provide a better understanding of the pharmacokinetics and pharmacodynamics relationship and improve the forecasting ability of the models considering that the efficacy of antineoplastic drugs in the treatment of solid tumors is dependent on the drug ability to distribute into the tumor.

Métodos computacionais assumiram a partir de 1980, um papel de destaque no planejamento de novos fármacos, oferecendo abordagens racionais para reduzir o grau de incerteza na geração de novos compostos bioativos. Dentre estes métodos, destacam-se aqueles dependentes de campos de força, como o atracamento e a dinâmica molecular. Infelizmente, estes métodos exigem estratégias de parametrização capazes de lidar com a diversidade química associada ao planejamento de fármacos. Os esforços atuais neste sentido são focados em fase gasosa, como no caso do GAFF e MMFF94, Assim, o presente trabalho busca explorar a capacidade de um campo de força baseado em fase condensada, o GROMOS, na reprodução de propriedades fisico-químicas de anéis aromáticos comumente encontrados em fármacos. Assim, parâmetros ligados e de Lennard-Jones do GROMOS53a6 foram utilizados para a construção das topologias destas moléculas orgânicas, enquanto novos parâmetros coulômbicos e torsionais foram gerados. Em seguida, suas propriedades físico-químicas foram simuladas e comparadas aos respectivos valores experimentais, permitindo a determinação da qualidade de cada topologia. Até o momento, 41 moléculas foram parametrizadas com sucesso, levando a erros absolutos abaixo de 15% para densidade, entalpia de vaporização e capacidade térmica isobárica. A partir desta etapa de validação, os parâmetros obtidos foram aplicados no estudo de hexafirinas sintéticas em diferentes solventes e íons, acessando com sucesso a conformação e coordenação das moléculas envolvidas. Desta forma, os dados obtidos constituem-se em um benchmark para futuros estudos baseados no campo de força GROMOS, sugerindo seu potencial para estudos de moléculas orgânicas sintéticas em fase condensada. Abre-se, ainda, a perspectiva de emprego de técnicas de dinâmica molecular, com estes parâmetros, no estudo do perfil conformacional, dinâmica e flexibilidade de fármacos em solução. / Since 1980, computational methods took a major role in drug design, offering rational approaches to mitigate the uncertainty in the generation of new bioactive compounds. Among these methods, it is possible to highlight the force field dependents, like molecular docking and molecular dynamics. Unfortunately, these methods demand parametrization strategies capable to to deal with such chemical diversity associated with drug planning. The efforts currently available in this sense are focused on gas phase, like GAFF and MMF94, Therefore, the present work aims to explore the capacity of a force field based on condensed phase, GROMOS, on reproducing physical-chemical properties of aromatic rings commonly found on drugs. Thus, bonded and Lennard-Jones parameters of GROMOS53a6 was used to build topologies for these organic molecules, while new coulombic and torsional parameters were generated. Next, their physical-chemical properties were simulated and compared to respective experimental data, allowing a quality determination of each topology. So far, 41 molecules were successfully parameterized, leading to absolute errors below 15% for density, enthalpy of vaporization and isobaric heat capacity. From this validation step, the obtained parameters were applied on the synthetic hexaphyrin studies in different solvents and ions, successfully accessing the conformation and coordination of the participating molecules. Therefore, the obtained data constitute a benchmark for future studies based on GROMOS force field, suggesting its potential to carry out studies on synthetic organic molecules in condensed phase. Yet, it opens the perspective of applying molecular dynamics techniques with these parameters on the study of conformational profile, dynamics and flexibility of drugs in solution.

Métodos computacionais assumiram a partir de 1980, um papel de destaque no planejamento de novos fármacos, oferecendo abordagens racionais para reduzir o grau de incerteza na geração de novos compostos bioativos. Dentre estes métodos, destacam-se aqueles dependentes de campos de força, como o atracamento e a dinâmica molecular. Infelizmente, estes métodos exigem estratégias de parametrização capazes de lidar com a diversidade química associada ao planejamento de fármacos. Os esforços atuais neste sentido são focados em fase gasosa, como no caso do GAFF e MMFF94, Assim, o presente trabalho busca explorar a capacidade de um campo de força baseado em fase condensada, o GROMOS, na reprodução de propriedades fisico-químicas de anéis aromáticos comumente encontrados em fármacos. Assim, parâmetros ligados e de Lennard-Jones do GROMOS53a6 foram utilizados para a construção das topologias destas moléculas orgânicas, enquanto novos parâmetros coulômbicos e torsionais foram gerados. Em seguida, suas propriedades físico-químicas foram simuladas e comparadas aos respectivos valores experimentais, permitindo a determinação da qualidade de cada topologia. Até o momento, 41 moléculas foram parametrizadas com sucesso, levando a erros absolutos abaixo de 15% para densidade, entalpia de vaporização e capacidade térmica isobárica. A partir desta etapa de validação, os parâmetros obtidos foram aplicados no estudo de hexafirinas sintéticas em diferentes solventes e íons, acessando com sucesso a conformação e coordenação das moléculas envolvidas. Desta forma, os dados obtidos constituem-se em um benchmark para futuros estudos baseados no campo de força GROMOS, sugerindo seu potencial para estudos de moléculas orgânicas sintéticas em fase condensada. Abre-se, ainda, a perspectiva de emprego de técnicas de dinâmica molecular, com estes parâmetros, no estudo do perfil conformacional, dinâmica e flexibilidade de fármacos em solução. / Since 1980, computational methods took a major role in drug design, offering rational approaches to mitigate the uncertainty in the generation of new bioactive compounds. Among these methods, it is possible to highlight the force field dependents, like molecular docking and molecular dynamics. Unfortunately, these methods demand parametrization strategies capable to to deal with such chemical diversity associated with drug planning. The efforts currently available in this sense are focused on gas phase, like GAFF and MMF94, Therefore, the present work aims to explore the capacity of a force field based on condensed phase, GROMOS, on reproducing physical-chemical properties of aromatic rings commonly found on drugs. Thus, bonded and Lennard-Jones parameters of GROMOS53a6 was used to build topologies for these organic molecules, while new coulombic and torsional parameters were generated. Next, their physical-chemical properties were simulated and compared to respective experimental data, allowing a quality determination of each topology. So far, 41 molecules were successfully parameterized, leading to absolute errors below 15% for density, enthalpy of vaporization and isobaric heat capacity. From this validation step, the obtained parameters were applied on the synthetic hexaphyrin studies in different solvents and ions, successfully accessing the conformation and coordination of the participating molecules. Therefore, the obtained data constitute a benchmark for future studies based on GROMOS force field, suggesting its potential to carry out studies on synthetic organic molecules in condensed phase. Yet, it opens the perspective of applying molecular dynamics techniques with these parameters on the study of conformational profile, dynamics and flexibility of drugs in solution.

Pode-se afirmar que no século XX originou-se uma indústria farmacêutica multinacional com extraordinária capacidade de pesquisa e desenvolvimento para produzir novos fármacos. Porém, contradizendo este potencial inovador, o número de fármacos introduzidos no mercado vem declinando desde 1960 e as oportunidades abertas com os avanços da biologia molecular, da genômica, da bioinformática e da química ainda não trouxeram os resultados esperados. No Brasil, a pesquisa científica tem obtido resultados de grande relevância, mas encontra muitas dificuldades para levar novos produtos ao mercado. O objetivo principal deste trabalho é discutir estratégias de fomento para a pesquisa e desenvolvimento de fármacos no país, procurando conciliar os requisitos técnicos e econômicos deste processo com as competências preexistentes. O referencial metodológico adotado enfatiza o papel determinante das relações econômicas na pesquisa e desenvolvimento de fármacos e procura encontrar caminhos compatíveis com a realidade nacional. Para tanto, discute as características técnicas e econômicas desta atividade, bem como a estratégia das empresas inovadoras e algumas experiências brasileiras nesta área do conhecimento. Fundamentado na análise de 766 novos fármacos introduzidos no mercado mundial entre 1984-2003, nos pilares econômicos do processo de inovação e no contexto político-institucional da pesquisa e desenvolvimento de fármacos, propõe alternativas para aprimorar o desenvolvimento científico e tecnológico do setor farmacêutico brasileiro. Muitas atividades relacionadas com a pesquisa e desenvolvimento de fármacos são realizadas no país, mas encontram-se dispersas nas principais universidades, centros e institutos de pesquisa. O mapeamento destas competências representa o ponto de partida para a criação de uma rede de inovação no setor farmacêutico. Um dos gargalos identificados neste trabalho é a fragilidade do suporte institucional para negociações de alta tecnologia, do qual fazem parte as patentes, os acordos de cooperação e a transferência de tecnologia. Para viabilizar, no Brasil, a incorporação de ferramentas de alta tecnologia empregadas no desenvolvimento de fármacos foi proposta a criação do Laboratório Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento de Fármacos. Além de garantir sofisticação técnica, este Laboratório Nacional atuaria como instituição aberta, multidisciplinar, assumindo o papel de um centro de articulação das iniciativas voltadas para o desenvolvimento de fármacos, podendo gerar recursos para financiar a pesquisa e contribuir para o desenvolvimento científico e tecnológico. Acordos de cooperação com empresas inovadoras e organismos internacionais fazem parte das estratégias para captação de recursos. Linhas de pesquisa alinhadas com as necessidades do Sistema Único de Saúde e com outras políticas do setor público também devem nortear a pesquisa e desenvolvimento de fármacos no país. A exploração de novos alvos moleculares, articulada com projetos genômicos, inovações incrementais, doenças negligenciadas e produtos naturais são apontados como áreas estratégicas. A afirmação de que o Brasil reúne as condições necessárias para participar do processo de desenvolvimento de fármacos - hipótese primária deste trabalho - encontra sustentação nos argumentos apresentados e revela que as condições para a inovação tecnológica nunca foram tão favoráveis quanto agora. Estimular o debate acerca de estratégias que possam fomentar o desenvolvimento científico e tecnológico da pesquisa e desenvolvimento de fármacos no país representa a contribuição almejada por este trabalho. / It can be asserted that in the twentieth century a multinational pharmaceutical industry with extraordinary research and development capacity to produce new drugs arose. However, contradicting this innovative potential, the number of new chemical entities introduced in the market is declining since 1960 and the opportunities open with the progresses of molecular biology, genomics, bioinformatics and chemistry haven\'t brought the expected results yet. In Brazil, the scientific research has been obtaining results of great relevance, but a lot of difficulty is found to introduce new products into the market. The main purpose of this work is to discuss fomentation strategies for the drug research and development in the country, trying to reconcile technical and economic requirements of this process with the pre-existent competences. The adopted methodological referential emphasizes the decisive role of economic relationships in drug research and development and tries to find out compatible ways with the national reality. For that, it discusses the technical and economic characteristics of this activity, as well as the strategy of innovative companies and some Brazilian experiences in this knowledge area. Based on the analysis of 766 new chemical entities introduced in world market among 1984 to 2003, in economic pillars of the innovation process and in political-institutional context of drug research and development, alternatives are proposed to straighten out the scientific and technological development of Brazilian pharmaceutical sector. Many activities related to the drug research and development are accomplished in the country, but they are scattered in the main universities, research centers and institutes. The charting of these competences represents the start up to create an innovation net in the pharmaceutical section. One of the bottlenecks identified in this work is the fragility of institutional support for high technology negotiations, of which patents, cooperation agreements and technology transference make part. To make it possible, in Brazil, incorporation of high technology tools used in drug development, creation of National Laboratory of Drug Research and Development was proposed. Besides guaranteeing technical sophistication, this National Laboratory would act as an open institution, multidisciplinary, shouldering the role of an articulation center of initiatives aiming drug development, being able to generate resources to finance research and to contribute to scientific and technological development. Cooperation agreements with innovative companies and international organisms are part of strategies to raise funds research fields aligned with the needs of the Brazilian Unique Health System (SUS) and with other policies of Public Sector also must direct the drug research and development in the country. New molecular targets evaluation articulated in genomic process, incremental innovations, neglected diseases and natural products are pointed out as strategic areas. The statement that Brazil has conditions of participating in the process of drug development - primary hypothesis of this work - finds back-up in reported arguments and reveals that conditions for technological innovation have never been as favorable as now. To stimulate the debate concerning strategies that can foment scientific and technological development of drug research and development in the country represents the contribution aimed for this work.

A compreensão dos mecanismos de reconhecimento molecular receptor-ligante é um dos aspectos centrais na descoberta e planejamento de novos fármacos baseado em estrutura. Uma metodologia chave é o atracamento de pequenas moléculas em sítios de ligação de proteínas, o atracamento molecular (em inglês, "molecular docking"). Existem dois pontos chaves em qualquer programa de atracamento: a busca da "melhor" conformação ligante-proteína e o cálculo da energia livre desta associação, ou sua constante de afinidade. Foi construído neste trabalho um conjunto-teste formado por 50 complexos proteína-ligante, com valores de K i ou K d determinados experimentalmente, para a construção de uma função empírica específica para o programa DOCKTHOR, utilizando como variáveis de entrada valores de energias de interação eletrostática e de Lennard-Jones, área de contato ligante-receptor da superfície acessível ao solvente, presença de ligações hidrogênio, e o número de ligações torcionáveis do ligante. Estes variáveis foram utilizados para a construção de dois tipos de funções de cálculo de energia livre. Através de regressão múltipla, foi avaliada a importância de cada uma das variáveis utilizadas como dados de entrada na construção desta função. Utilizando uma rede neural, buscou-se construir o melhor modelo para o cálculo de constantes de afinidade. O programa DOCKTHOR atualmente tem poder de predição correspondente a r = viii 0,4245, o que mostra a importância de se melhorar sua função de avaliação. A função construída com a metodologia de regressão múltipla que obteve melhor resultado foi a que utilizou as 5 variáveis de entrada apresentando termos lineares, cruzados e quadráticos, com r igual a 0,7542. Funções empíricas construídas por redes neurais também foram avaliadas neste trabalho. Utilizando a metodologia de validação cruzada de grupo (VCG) chegou-se à conclusão que a melhor arquitetura para a rede neural é constituída por 9 neurônios na camada oculta, pois possui o menor erro de generalização e a maior homogeneidade nos erros. No teste com esta arquitetura de rede neural, com a função construída utilizando os 50 complexos proteína- ligante no treinamento e os mesmos, no teste, observamos que 66% dos complexos tiveram uma diferença menor que 1,0 dos valores observados em relação aos esperados. O erro de generalização, obtido por VCG, de uma rede neural utilizando 9 neurônios na camada oculta foi cerca de dez vezes menor ao obtido utilizando uma função polinomial. Isto é um indicativo da superioridade da metodologia de rede neural, com relação a metodologia de regressão multivariada, principalmente em uma função empírica desenvolvida para estimar afinidades relativas à uma ampla gama de complexos receptor-ligante. / The understanding of receptor-ligand molecular recognition is one of the central aspects in structure-based design and discovery of new drugs. The key methodology is the docking of small molecules in active sites of proteins. There are two aims in any program of molecular docking: the search for the best ligand-protein conformation and the calculation of the free energy of this association, or its affinity constant. The test set used in this work was composed by 50 protein- ligand complexes, with experimentally measured Ki or Kd values for the construction of an empirical function specific to the DOCKTHOR program, using as input variables: energy of electrostatic interaction and Lennard-Jones, contact area of ligand-receptor on the surface accessible to the solvent, the presence of hydrogen bridges, and the number of the ligand rotatable bonds that were frozen in the process of docking. These variables were used for the construction of two types of free energy scoring functions. The importance of each variable used as input data for the construction of those functions was rated by means of multiple regression. A neural network was x also used to try to build the best model for the calculation of the affinity constant. The DOCKTHOR program currently has a prediction power leading to r = 0.4245, which indicates the importance of improving its scoring. The function built with the multiple regression methodology used 5 input variables and had linear, quadratic, and cross-product terms leading to r = 0.7542. Using the methodology of group cross-validation (VCG), it was concluded that the best architecture for the neural network consists of 9 neurons in the hidden layer, as it has the smallest error of generalization and greater consistency in errors. In the tests with this neural network architecture built using the same 50 protein-ligand complexes in training and test, 66% of the complexes had a difference smaller than 1.0 in the observed values. The generalization error (obtained by VCG) of a neural network that uses 9 neurons in the hidden layer was about ten times lower than that obtained by using a polynomial function. This is an indication of the superiority of the neural network methodology with respect to the multivariate regression methodology, specially for an empirical function developed for a broad range of receptor-ligand complexes.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:51:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao final.pdf: 1262049 bytes, checksum: 07f1ebc0954cc7f649c905b7d60adcf7 (MD5) Previous issue date: 2008-08-25 / Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / The understanding of receptor-ligand molecular recognition is one of the central aspects in structure-based design and discovery of new drugs. The key methodology is the docking of small molecules in active sites of proteins. There are two aims in any program of molecular docking: the search for the best ligand-protein conformation and the calculation of the free energy of this association, or its affinity constant. The test set used in this work was composed by 50 protein- ligand complexes, with experimentally measured Ki or Kd values for the construction of an empirical function specific to the DOCKTHOR program, using as input variables: energy of electrostatic interaction and Lennard-Jones, contact area of ligand-receptor on the surface accessible to the solvent, the presence of hydrogen bridges, and the number of the ligand rotatable bonds that were frozen in the process of docking. These variables were used for the construction of two types of free energy scoring functions. The importance of each variable used as input data for the construction of those functions was rated by means of multiple regression. A neural network was x also used to try to build the best model for the calculation of the affinity constant. The DOCKTHOR program currently has a prediction power leading to r = 0.4245, which indicates the importance of improving its scoring. The function built with the multiple regression methodology used 5 input variables and had linear, quadratic, and cross-product terms leading to r = 0.7542. Using the methodology of group cross-validation (VCG), it was concluded that the best architecture for the neural network consists of 9 neurons in the hidden layer, as it has the smallest error of generalization and greater consistency in errors. In the tests with this neural network architecture built using the same 50 protein-ligand complexes in training and test, 66% of the complexes had a difference smaller than 1.0 in the observed values. The generalization error (obtained by VCG) of a neural network that uses 9 neurons in the hidden layer was about ten times lower than that obtained by using a polynomial function. This is an indication of the superiority of the neural network methodology with respect to the multivariate regression methodology, specially for an empirical function developed for a broad range of receptor-ligand complexes. / A compreensão dos mecanismos de reconhecimento molecular receptor-ligante é um dos aspectos centrais na descoberta e planejamento de novos fármacos baseado em estrutura. Uma metodologia chave é o atracamento de pequenas moléculas em sítios de ligação de proteínas, o atracamento molecular (em inglês, "molecular docking"). Existem dois pontos chaves em qualquer programa de atracamento: a busca da "melhor" conformação ligante-proteína e o cálculo da energia livre desta associação, ou sua constante de afinidade. Foi construído neste trabalho um conjunto-teste formado por 50 complexos proteína-ligante, com valores de K i ou K d determinados experimentalmente, para a construção de uma função empírica específica para o programa DOCKTHOR, utilizando como variáveis de entrada valores de energias de interação eletrostática e de Lennard-Jones, área de contato ligante-receptor da superfície acessível ao solvente, presença de ligações hidrogênio, e o número de ligações torcionáveis do ligante. Estes variáveis foram utilizados para a construção de dois tipos de funções de cálculo de energia livre. Através de regressão múltipla, foi avaliada a importância de cada uma das variáveis utilizadas como dados de entrada na construção desta função. Utilizando uma rede neural, buscou-se construir o melhor modelo para o cálculo de constantes de afinidade. O programa DOCKTHOR atualmente tem poder de predição correspondente a r = viii 0,4245, o que mostra a importância de se melhorar sua função de avaliação. A função construída com a metodologia de regressão múltipla que obteve melhor resultado foi a que utilizou as 5 variáveis de entrada apresentando termos lineares, cruzados e quadráticos, com r igual a 0,7542. Funções empíricas construídas por redes neurais também foram avaliadas neste trabalho. Utilizando a metodologia de validação cruzada de grupo (VCG) chegou-se à conclusão que a melhor arquitetura para a rede neural é constituída por 9 neurônios na camada oculta, pois possui o menor erro de generalização e a maior homogeneidade nos erros. No teste com esta arquitetura de rede neural, com a função construída utilizando os 50 complexos proteína- ligante no treinamento e os mesmos, no teste, observamos que 66% dos complexos tiveram uma diferença menor que 1,0 dos valores observados em relação aos esperados. O erro de generalização, obtido por VCG, de uma rede neural utilizando 9 neurônios na camada oculta foi cerca de dez vezes menor ao obtido utilizando uma função polinomial. Isto é um indicativo da superioridade da metodologia de rede neural, com relação a metodologia de regressão multivariada, principalmente em uma função empírica desenvolvida para estimar afinidades relativas à uma ampla gama de complexos receptor-ligante.