A serotonina e a histamina são duas das mais importantes aminas biogênicas do organismo. Regulam série de funções fisiológicas, como fluxo sanguíneo, temperatura corpórea, sono, fome, liberação de hormônios, comportamento afetivo e humor, entre outras. Assim, há grande interesse no planejamento e desenvolvimento de fármacos que interferem na transmissão serotoninérgica e histaminérgica, para futura aplicação como antidepressivos, antipsicóticos, ansiolíticos e anorexígenos, além de perifericamente, apresentarem possíveis ações antiinflamatórias. O objetivo deste trabalho é apresentar a síntese de compostos contendo os núcleos pirrolquinolínico, benzoindólico e benzodiidrofurânico com potencial atividade ligante nos receptores 5-HT2C e H4, assim como avaliar a seletividade desses compostos em comparação aos receptores 5-HT2A/B e H3. Sintetizou-se série de compostos utilizando reações de alilação, adição à carbonila, termociclização, rearranjo de Claisen, iodociclização e substituição nucleofílica para a obtenção dos compostos finais. Estudos de otimização de síntese por metodologia de superfície de resposta também são apresentados, assim como estudos de relações quantitativas entre estrutura química e atividade biológica de compostos ligantes dos receptores 5-HT2C e H4. / Serotonin and histamine are two major biogenic amines in the body. They regulate several physiological functions such as blood flow, body temperature, sleep, hunger, hormone release, emotional behavior and mood, among others. Thus, there is great interest in the design and development of drugs that interfere with serotoninergic and histaminergic transmission, for future use as antidepressants, antipsychotics, anxiolytics and anorectic, and peripherally, possible anti-inflammatory actions. The aim of this work is to present the synthesis of compounds containing the pyrroloquinoline, benzoindole and benzodihydrofurane nucleus with potential binding activity to 5-HT2C and H4 receptors, as well as to evaluate the selectivity of these compounds in comparison to 5-HT2A/B and H3. Series of compounds were synthesized using allylation, carbonyl addition, thermal cyclization, Claisen rearrangement, iodocyclization and nucleophilic substitution reactions. Optimization studies for the synthesis using response surface methodology are also presented, as well as quantitative structure-activity relationships studies of ligands of 5-HT2C and H4 receptors.

A doença de Chagas é uma doença tropical negligenciada e um grande problema de saúde mundial, principalmente na América Latina. O agente etiológico da doença é o protozoário Trypanosoma cruzi. Segundo a Organização Mundial da Saúde (OMS), cerca de 8 milhões de pessoas estão infectadas com o parasita e 25 milhões vivem áreas de risco de contaminação. A farmacoterapia consiste nos fármacos nifurtimox e benzonidazol. Ambos apresentam sérios efeitos adversos como dermatite, neurotoxicidade e hepatite, e baixa eficácia na fase crônica da doença. Nesse contexto, há urgência no desenvolvimento de novos fármacos seguros e eficazes para o tratamento da doença. Dentre os alvos moleculares validados para o desenvolvimento de novos fármacos para a doença de Chagas, destaca-se a cruzaína, principal cisteíno-protease do parasita. A cruzaína é expressa em todo o ciclo de vida do parasita e está envolvida em diversos processos biológicos do protozoário, como nutrição, reprodução, invasão, reconhecimento molecular e evasão. A alta atividade que muitos inibidores apresentam contra a enzima, não se traduz, para grande parte destes inibidores, em alta atividade e seletividade em ensaios fenotípicos. Isso ocorre devido a fatores como propriedades farmacocinéticas inadequadas. Nesse contexto, essa tese de doutorado aborda dois temas: o primeiro consiste na construção de modelos de redes neurais artificiais (r² = 0,81 e r²pred = 0,81) e KPLS, na sigla em inglês para Kernel-Based Partial Least Squares (N = 3, r² = 0,81 e r²pred =0,85). Esses modelos foram utilizados para investigar propriedades estruturais, fragmentos privigeligiados e propriedades físico-químicas associadas à atividade em ensaios fenotípicos in vitro. Em seguida, foram desenvolvidos modelos de floresta randômica (número de árvores = 100, r² = 0,97 e r²pred = 0,77) e KPLS radial (N= 4, r² = 0,88 e r²pred = 0,88) para avaliar as propriedades moleculares e estruturais relacionados à seletividade. Posteriormente, essas informações foram combinadas para a realização de triagens virtuais em larga escala. Por fim, um conjunto de estruturas selecionadas foram docadas no sítio ativo cruzaína e submetidas a submetidas à predição de permeabilidade através de membrana e absorção, distribuição, metabolismo, excreção e toxicidade (ADME-Tox). Esses estudos conduziram à descoberta de 260 novos compostos, os quais foram avaliados in silico quanto a atividade biológica, seletividade, e quanto aos pontos de clivagen pela enzima CYP3A4. O segundo tema consiste em simulações de dinâmica molecular do complexo K777-cruzaína em pH 5,5 e 8,0 combinadas a modelagem por redes neurais artificiais (RNAs). De acordo com as RNAs, a mudança nos estados de protonação de duas histidinas, causada por mudanças no pH pode deslocar alças, hélices-α e folhas-β. Estes deslocamentos causam uma alteração do ambiente químico no sítio de interação, alterando a afinidade do inibidor pela enzima (energia livre de ligação). Em pH 5,5, a HIS162 interage principalmente com os resíduos ASP161, GLY163 e ASN182, e a CYS25 permanece disponível para realizar um ataque nucleofílico ao inibidor. Em pH 8,0, no entanto, a HIS162 perde as interações com o ASP161 e a GLY163, e interage com a cadeia lateral da CYS25 e com a cadeia principal da SER183. Estas alterações podem bloquear o ataque nucleofílico da CYS25 ao inibidor K777. Este estudo constribuiu para o avaliar a influência do pH na alteração dos elementos de estrutura secundária da enzima e sua relação com a afinidade dos inibidores pela cruzaína. Por fim, foram desenvolvidos modelos de QSAR 2D e 3D a partir de uma série de oxadiazóis (r²pred KPLS e r²pred CoMFA de 0,81 e 0,82, respectivamente). A integração de métodos de QSAR 2D e 3D e as estratégias de docagem molecular possibilitaram mapear os subsítios do sítio ativo da cruzaína quanto a ligações de hidrogênio, ligações de halogênio e interações do tipo π-π e CH-π. Estes estudos fornecem informações quanto ao espaço químico a ser explorado e alterações estruturais relevantes para o planejamento e avaliação de novos agentes antichagásicos e inibidores da cruzaína. / Chagas disease is a neglected tropical disease and a major global health problem, especially in Latin America. The etiological agent of the disease is the protozoan Trypanosoma cruzi. According to the World Health Organization (WHO), approximately 7 million people are infected with the parasite and 25 million live at risk of infection. Pharmacotherapy consists of the drugs nifurtimox and benznidazole. Both have serious adverse effects, such as dermatitis, neurotoxicity and hepatites, and low efficacy in the chronic phase of the disease. In this context, there is an urgent need for the development of novel, safe and effective drugs for the treatment of the disease. Among the molecular targets validated for the development of new drugs for Chagas disease, cruzain, the major cysteine protease of the parasite can be highlighted. Cruzain is expressed in the whole lifecycle of the parasite and is involved in several protozoan biological processes such as nutrition, reproduction, invasion, molecular recognition and evasion. The high activity that many inhibitors present against the enzyme does not translate, for most of these inhibitors, into high activity and selectivity in phenotypic assays. This is due to factors such as unfavorable pharmacokinetic properties. In this context, this doctoral thesis deals with two themes: the first is the construction of artificial neural network models (r² = 0.81 and r²pred = 0.81) and Kernel-Based Partial Least Squares (N = 3, r² = 0.81 and r²pred = 0.85). These models were used to investigate structural properties, fragments and physicochemical properties associated the in vitro activity in phenotypic assays. Next, random forest models were developed (number of trees = 100, r² = 0.97 and r²pred = 0.77) and radial KPLS (N= 4, r² = 0.88 and r²pred = 0.88) to evaluate the molecular and structural properties related to selectivity. Subsequently, this information was combined for the development of a large-scale virtual screening. Finally, a set of selected structures were docked in the active site of cruzain and subjected to prediction of membrane permeability, and absorption, distribution, metabolism, excretion and toxicity (ADME-Tox). These studies led to the discovery of 260 novel compounds, which were evaluated in silico for biological activity, selectivity and cleavage by the CYP3A4 enzyme. The second theme consists of molecular dynamics simulations of the K777-cruzain complex at pH 5.5. and 8.0 combined with artificial neural network modeling (ANN). According to the ANNs, the change in the protonation states of histidine residues caused by changes in pH can displace loops, α-helices and β-sheets. These shifts cause changes in the chemical environment of the interaction site, altering the affinity of the inhibitor by the enzyme (free binding energy). At pH 5.5, HIS162 interacts primarily with residues ASP161, GLY163 and ASN182, and CYS25 remains available to make the nucleophilic attack to the inhibitor. At pH 8.0, however, HIS162 loses interactions with ASP161 and GLY163, and interacts with the CYS25 side chain and the SER183 main chain. These changes can block the nucleophilic attack by CYS25 to the K777 inhibitor. This study contributed to evaluate the role played by the pH on the alteration of secondary structure elements of the enzyme and its relationship with the affinity of the inhibitors by cruzain. Finally, 2D and 3D QSAR models were developed for oxadiazole derivatives (r²pred KPLS and r²pred CoMFA of 0.81 and 0.82, respectively). The integration of 2D and 3D QSAR methods and molecular docking strategies enabled the mapping of the the subsites of the cruzain active site regarding hydrogen bonding, halogen bonding and π-π and CH-π interactions. These studies provide information on the chemical space to be explored and structural changes relevant for the design and evaluation of new antichagasic agents and cruzain inhibitors.

A doença de Chagas, uma infecção causada pelo protozoário Trypanosoma cruzi, é um grave problema de saúde pública. Atualmente, cerca de dez milhões de pessoas em todo o mundo estão infectadas, sendo que a situação é mais crítica na América Latina, onde a doença é endêmica. A necessidade de novas alternativas terapêuticas é grande, pois os fármacos disponíveis apresentam sérias limitações, como baixa eficácia e alta toxicidade. A enzima cruzaína, uma cisteíno-protease essencial à sobrevivência do parasita, é considerada um importante alvo para o desenvolvimento de novos agentes antichagásicos. Neste trabalho, o objetivo foi o desenvolvimento de novos inibidores da enzima cruzaína empregando como modelo um composto hit (1) com propriedades anti-T. cruzi. Este inibidor competitivo (um derivado imidazólico), que apresenta elevada potência e afinidade contra a enzima alvo (IC50 = 1 µM e Ki = 120 nM, respectivamente), foi identificado em trabalhos anteriores de nosso grupo por meio da integração de técnicas computacionais (triagem virtual) e experimentais (avaliação bioquímica in vitro). A presente proposta de planejamento molecular, empregando métodos de química medicinal, levou a investigação de padrões estruturais explorando a complementaridade entre as moléculas pequenas e os resíduos de aminoácidos dos subsítios da cruzaína. Um conjunto promissor de 38 compostos foi planejado, sintetizado e avaliado em ensaios in vitro frente à enzima cruzaína e posteriormente, contra o parasita. Entre os derivados do composto hit (1), que apresentaram valores de IC50 contra a enzima alvo na faixa nano- e micromolar, destaca-se o composto 14 (IC50 = 120 nM e Ki = 20 nM), um inibidor competitivo, potente e de alta afinidade contra a enzima alvo, que também apresentou atividade in vitro e in vivo contra o parasita. A integração de métodos experimentais e computacionais foi útil no processo de otimização de inibidores inéditos da cruzaína. As relações entre a estrutura e atividade obtidas são de grande relevância para o desenvolvimento de candidatos a novos fármacos para a terapia da doença de Chagas. / Chagas´ disease, an infection caused by Trypanosoma cruzi, is a serious public health problem. Currently, about ten million people are infected worldwide, and the situation is more critical in Latin America, where the disease is endemic. The need for new therapies is urgent, since the drugs available have serious limitations, such as low efficiency and high toxicity. The cruzain enzyme, an essential cysteine protease for the parasite survival is considered an important target for the development of new antichagasic agents. In this work, the goal was the development of new cruzain inhibitors based on modifications of a hit compound (1) with properties anti-T. cruzi. This competitive inhibitor (an imidazole derivative), shows high affinity and potency (IC50 = 1 µM and Ki = 120 nM, respectively), and was identified in a previous work in our group by integrating computational techniques (virtual screening) and experimental (in vitro biochemical evaluation). The proposed molecular design, employing methods of medicinal chemistry, aimed to investigate structural patterns exploiting the complementarity between small molecules and amino acid residues of the subsites of cruzain. A promising set of 38 compounds was designed, synthesized and evaluated in in vitro assays against the cruzain enzyme and subsequently against the parasite. Among the derivatives of the hit compound (1), which had IC50 values against the target enzyme in the nano- and micromolar range, the compound 14 (IC50 = 120 nM and Ki = 20 nM), a potent and high affinity competitive inhibitor against cruzain showed activity in vitro and in vivo against the parasite. This work illustrates the importance of the integration of experimental and computational methods in the optimization process of novel cruzain inhibitors. The structure-activity relationship studies revealed in this work are useful for the development of new drug candidates for the treatment of Chagas´ disease.

A tuberculose (TB) é uma das maiores causas de morte por infecção no mundo, sendo que, em 2015, registraram-se 10,4 milhões de novos casos. O agente etiológico da doença, o Mycobacterium tuberculosis (Mtb), apresenta altos níveis de resistência frente aos quimioterápicos disponíveis para o tratamento da TB. Além disso, a terapia atual da doença explora poucos alvos essenciais ao Mtb. Neste sentido, explorar novos alvos, essenciais ao crescimento e sobrevivência da micobactéria é de grande interesse e poderia gerar fármacos mais efetivos, eficazes contra cepas resistentes e a forma latente da TB. Para este fim, o presente trabalho propôs o desenvolvimento de inibidores da enzima fosfopanteteína adenililtransferase (PPAT), a qual possui caráter regulatório na via de biossíntese da Coenzima A (CoA) da micobactéria. Inicialmente, propuseram-se 50 estruturas de potenciais inibidores da PPAT de M. tuberculosis (MtPPAT), baseando-se na estrutura de seu substrato, a fosfopanteteína, e na estrutura do sítio ativo da enzima. Em seguida, propuseram-se outros 28 ligantes. A fim de se prever as potenciais complementaridades entre os 78 inibidores propostos e o sítio ativo da MtPPAT, empregou-se a estratégia de docking. Posteriormente, realizaram-se cálculos semi-empíricos, com os complexos dos ligantes que se mostraram mais interessantes nas simulações de docking, a fim de se obter informações sobre a entalpia de interação dos ligantes com o sítio ativo da MtPPAT. A partir dos resultados obtidos nos estudos computacionais, selecionaram-se os inibidores que se mostraram mais promissores. A síntese destes ligantes e a de seus fragmentos foi realizada. Avaliaram-se a atividade microbiológica in vitro, bem como a citotoxicidade dos ligantes sintetizados. Alguns dos compostos sintetizados apresentaram atividade frente às cepas sensíveis e resistentes do Mtb na casa de micromolar. Todos os compostos ativos não foram considerados citotóxicos. A fim de validar o planejamento e o alvo dos possíveis inibidores, verificando a atividade inibitória desses frente à enzima MtPPAT, realizou-se a produção e purificação da enzima. Por fim, realizaram-se ensaios de inibição enzimática frente à MtPPAT, os quais permitiram a identificação dos primeiros inibidores da enzima já descritos, com atividade na casa de micromolar, validando-se o alvo em questão. / Tuberculosis is one of the major causes of death by infection worldwide. In 2015, 10.4 thousand new cases of the disease were registered. The tuberculosis\' causing agent Mycobacterium tuberculosis presents high levels of resistance for the available chemotherapy. Thereof, exploit new M. tuberculosis targets is of utmost importance to overcome drug resistant tuberculosis. In this sense, the enzyme phosphopantetheine adenylyltransferase (PPAT) generates scientific interest since it displays a regulatory role in the M. tuberculosis coenzyme A (CoA) biosynthesis. Therefore, the purpose of the present study was the development of M. tuberculosis PPAT (MtPPAT) inhibitors. Initially, 50 potentially MtPPAT inhibitors were designed based on MtPPAT\'s substrate and the enzyme\'s active site. After preliminary results, more 28 compounds were designed. Docking simulations were performed with the 78 compounds synthesized, leading to the prediction of the interaction between the proposed inhibitors and MtPPAT active site. Latelly, semi-empirical calculations were performed with the most promising compounds. These calculations were carried out to obtain information about the enthalpy interactions between compounds and MtPPAT active site. Computational studies led to the selection of the most promising inhibitors. Those compounds and some of their fragments were synthesized, purified, and characterized. The synthesized compounds had their in vitro microbiological activity and cytotoxicity evaluated. Some of the synthesized compounds showed activity against the Mtb sensitive and resistant strains in micromolar range. Besides that, the active compounds were not considered cytotoxic. To validate the potential inhibitors\' design and evaluate their capacity to inhibit MtPPAT, the enzyme was produced and purified. MtPPAT inhibitory assays were performed, leading to the first inhibitors of the enzyme, with activity in micromolar range, validating the target.

A Doença de Chagas, causada pelo parasita Trypanosoma cruzi, atinge cerca de um quarto da população da América Latina. Os fármacos disponíveis para o tratamento desta doença são inapropriados, apresentam baixa eficácia e sérios efeitos colaterais que limitam o seu uso. Esse grave panorama torna urgente a descoberta de novos agentes quimioterápicos para o tratamento seguro e eficaz da doença. A via glicolítica é principal forma de obtenção de energia de tripanosomatídeos. Um alvo molecular atrativo desta via bioquímica que desempenha papel essencial no controle do fluxo glicolítico do Trypanosoma cruzi, a enzima gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase (GAPDH), foi selecionada neste trabalho de Tese para estudos em biologia estrutural e química medicinal visando à identificação e planejamento de novos inibidores enzimáticos. Neste contexto, triagens biológicas resultaram na identificação de compostos de origem natural e sintética com atividade inibitória in vitro frente à GAPDH de T. cruzi, ampliando a diversidade química de moduladores seletivos deste alvo. Estudos cinéticos e estruturais demonstraram o comportamento não cooperativo entre os sítios ativos da enzima GAPDH de T. cruzi em relação à interação com o cofator NAD+, fornecendo importantes evidências mecanísticas e estruturais para uma melhor compreensão das bases moleculares envolvidas no processo de reconhecimento molecular. Os estudos das relações quantitativas entre a estrutura e atividade (QSAR 2D e QSAR 3D) resultaram na geração de modelos com elevada consistência estatística interna e externa, além de alto poder preditivo da propriedade-alvo. Além disso, estudos de modelagem molecular e de QSAR 3D revelaram aspectos estruturais relevantes para o planejamento de inibidores seletivos da enzima GAPDH de tripanosomatídeos. Por fim, uma estratégia de triagem virtual baseado na estrutura do receptor foi empregada para a identificação de novos inibidores da GAPDH de T. cruzi, consistindo, entre outros, na aplicação de filtros hierárquicos sucessivos envolvendo restrições farmacofóricas e estudos de docagem molecular que resultaram na seleção de 35 candidatos a inibidores da enzima-alvo. Os trabalhos integrando estudos em química medicinal e biologia estrutural apresentados nessa Tese de Doutorado significam importantes contribuições no desenvolvimento de bases científicas sólidas para o planejamento de novos inibidores potentes e seletivos da enzima GAPDH de T. cruzi, um alvo molecular de alta prioridade em nosso grupo de pesquisa. / Parasitic diseases are the foremost threat to human health and welfare around the world. Chagas\' disease (also called American trypanosomiasis) is a tropical parasitic disease which occurs in Latin America, particularly in South America. The currently available drugs for this parasitic disease have severe limitations, including poor efficacy and high toxicity. The crucial dependence of trypanosomatids on glycolysis as a source of energy makes the glycolytic enzymes promising targets for drug design. Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) from Trypanosoma cruzi, a key enzyme in the glycolytic cascade, has been selected as an attractive drug target in this PhD Thesis work for studies in structural biology and medicinal chemistry for the identification and design of new enzyme inhibitors. In this context, compounds from both natural and synthetic sources with in vitro inhibitory activity against T. cruzi GAPDH were identified by screening assays, improving the chemical diversity of selective modulators of the target. Kinetic and structural studies have demonstrated the non-cooperative behavior between the T. cruzi active sites in the interaction with the NAD+ cofactor, shedding some light on the mechanistic and structural determinants underlying the biochemical recognition phenomenon. Quantitative structure-activity relationships (2D QSAR 2D and 3D QSAR) were successfully created, resulting in statistically significant models with good predictive ability for untested compounds. In addition, molecular modeling and 3D QSAR studies highlighted important structural aspects to assist the design of novel trypanosomatid GAPDH inhibitors. Finally, a structure-based virtual screening approach was employed for the identification of novel inhibitors of T. cruzi GAPDH, consisting of several consecutive hierarchical, fast pharmacophore matching and molecular docking, which afforded 35 inhibitor candidates for the target enzyme. The integration of structural biology and medicinal chemistry studies presented in this PhD Thesis are important contributions in the development of strong scientific basis for the design of new selective and potent inhibitors of GAPDH from T. cruzi, a molecular target of highest priority in our research group.

Les polyélectrolytes sont des polymères chargés, solubles dans l'eau, omniprésents dans les nature et capables d’interagir avec de nombreux composants cellulaires. Leur utilisation dans des essais cliniques est actuellement limitée par le manque de données fiables sur les relations entre leurs structures et leurs biopropriétés. Ce projet s'inscrit dans un programme plus vaste visant à obtenir une bibliothèque de polyélectrolytes multifonctionnalisés bien caractérisés pour le criblage de biopropriétés. Dans ce cadre, nous avons cherché à synthétiser des chaînes macromoléculaires contenant des unités maloniques C(COOH)2 situées à différentes positions le long du squelette du polymère. Ces unités peuvent être utilisées comme points de départ pour introduire plusieurs autres groupes fonctionnels en utilisant de nombreuses réactions de la chimie organique, conduisant à un grand nombre de structures à partir d'un squelette commun, y compris des copolymères. Cette thèse est schématiquement divisée en quatre parties : (a) une présentation bibliographique des relations existant entre structures et propriétés pour des polymères multifonctionnalisés, suivie d'une analyse plus spécifique de l'importance du positionnement d’esters carboxyliques le long d’une chaîne carbonée, (b) une description des efforts expérimentaux menés pour obtenir les poly(triméthylène-1,1-dicarboxylate)s, des intermédiaires clés dans la synthèse des polymères décrits dans les chapitres suivants, (c) une description de l'hydrolyse du précurseur ci-dessus, donnant l'acide poly(triméthylène-1,1-dicarboxylique), ainsi que des propriétés et de la réactivité de ce polyacide, (d) un rapport détaillé sur la synthèse de l’acide poly(triméthylène carboxylique) par décarboxylation quantitative du polyacide ci-dessus, ainsi que sur les propriétés et réactivité de ce polyacide. Dans les deux dernières sections, un accent particulier est mis sur la portée et les limites de diverses procédures de post-fonctionnalisation lorsque l'on tente d'obtenir une bibliothèque de polymères fonctionnels à partir de précurseurs polycarboxyliques / Polyelectrolytes are water-soluble charged polymers that are ubiquitous in life science and capable of interacting with many cellular constituents. Their use in clinical trials is currently limited by a lack of reliable data on the relationships linking their structures to bioproperties. This project is part of a larger program aimed at obtaining a library of well-characterized multifunctionalized polyelectrolytes for the screening of bioproperties. In this framework, we aimed at synthesizing macromolecular chains containing malonic units C(COOH)2 located at various positions alongside the polymer backbone. These units can be used as starting points to introduce several other functional groups using many reactions from organic chemistry, leading to a great number of structures from a common skeleton, including copolymers. This thesis is schematically divided into four parts: (a) a bibliographical presentation of the relationships existing between structures and properties for multifunctional polymers, followed by a more specific analysis on the importance of carboxylic esters positioning alongside a carbon chain backbone, (b) a description of experimental efforts aimed at obtaining poly(trimethylene-1,1-dicarboxylate)s, key intermediates in the synthesis of a large family of polymers described in the next chapters, (c) a depiction of the hydrolysis of the above precursor, yielding poly(trimethylene-1,1-dicarboxylic acid), as well as of the properties and reactivity of this polyacid, (d) a detailed report on the synthesis of poly(trimethylenecarboxylic acid) via the quantitative decarboxylation of the above polyacid, as well as of the properties and reactivity of this polyacid. A special focus is made in the last two sections on the scope and limitations of various post-functionalizing procedures when attempting to obtain a large library of functional polymers from polycarboxylic precursors

Os trabalhos realizados e apresentados nesta tese de doutorado compreendem diversos estudos computacionais e experimentais aplicados ao planejamento de candidados a novos fármacos para o tratamento do câncer, de uma metodologia inovadora para investigar a formação de complexos proteicos e de uma base de compostos naturais reunindo parte da biodiversidade brasileira com a finalidade de incentivar e auxiliar a descoberta e o desenvolvimento de novos fármacos no país. No primeiro capítulo, são descritos estudos que permitiram a identificação e o desenvolvimento de novas moléculas com atividade anticâncer, através da integração de ensaios bioquímicos e métodos de modelagem molecular na área de química medicinal. Dessa forma, estudos de modelagem molecular e ensaios bioquímicos utilizando uma base de compostos disponibilizada pela colaboração com o Laboratório de Síntese de Produtos Naturais e Fármacos (LSPNF) da UNICAMP, permitiram identificar uma série de moléculas da classe ciclopenta-β-indóis como inibidores da polimerização de microtúbulos com considerável atividade anti-câncer. Estes compostos apresentaram-se capazes de modular a polimerização de microtúbulos em ensaios in vitro frente ao alvo molecular e a células cancerígenas, com valores de IC50 na faixa de 20 a 30 μM. Além disso, estudos experimentais permitiram identificar o sítio da colchicina na tubulina como a região de interação desta classe e ensaios de migração celular comprovaram sua atividade antitumoral. A partir dos resultados obtidos, estudos mais aprofundados de docagem e dinâmica molecular permitiram elucidar as interações moleculares envolvidas no processo de ligação à proteína tubulina, e a utilização destes modelos moleculares no planejamento, síntese e avaliação de uma nova série de compostos. Com base nos dados obtidos por estudos computacionais, modificações foram propostas e novos inibidores da polimerização de tubulina foram planejados, sintetizados e avaliados, resultando na identificação de um inibidor de elevada atividade e perfil farmacodinâmico superior dentre as moléculas planejadas, com IC50 de 5 μM. Concomitantemente, ensaios de citotoxicidade in vitro demostraram uma interessante seletividade destes compostos por células cancerígenas em comparação a células saudáveis. Os estudos desenvolvidos com inibidores de tubulina aqui apresentados permitiram identificar moduladores da polimerização de microtúbulos com excelente perfil anti-câncer, que servirão como modelo para o desenvolvimento de novos tratamentos eficazes contra o câncer. No segundo capítulo é apresentado um novo método para predizer modificações conformacionais e a formação de complexos multiméricos em sistemas proteicos. Este método foi elaborado durante os estudos desenvolvidos ao longo de um programa de intercâmbio no laboratório The Center for Theoretical and Biological Physics (CTBP, Rice University, Estados Unidos), sob orientação do professor Dr. José Nelson Onuchic. Durante este projeto, estudos de modelagem computacional foram realizados utilizando métodos computacionais modernos desenvolvidos no próprio CTBP, tal como o método de Análise de Acoplamento Direto (DCA, do inglês Direct-Coupling Analysis) e um método de simulação conhecido como Modelagem Baseada em Estrutura (SBM, do inglês Structure-Based Modeling). Nos estudos aqui apresentados, os métodos DCA e SBM desenvolvidos no CTBP foram combinados, modificados e ampliados no desenvolvimento de uma nova metodologia que permite identificar mudanças conformacionais e elucidar mecanismos de enovelamento e oligomerização em proteínas. Os resultados obtidos através da predição de diversos complexos proteicos multiméricos com uma alta precisão mostram que este sistema é extremamente eficaz e confiável para identificar regiões de interface de contato entre proteínas a a estrutura quaternária de complexos macromoleculares. Esta nova metodologia permite a elucidação e caracterização de sistemas proteicos incapazes de serem determinados atualmente por métodos puramente experimentais. No terceiro capítulo desta tese de doutorado, é descrito a construção de uma base virtual de dados em uma iniciativa pioneira que tem como principal objetivo reunir e disponibilizar o máximo possível de toda a informação já obtida através do estudo da biodiversidade brasileira. Esta base, intitulada NuBBE DataBase, reúne diversas informações como estrutura molecular 2D e 3D e informações de atividades biológicas de diversas moléculas já isoladas pelo Núcleo de Bioensaios Biossíntese e Ecofisiologia de Produtos Naturais (NuBBE), localizado na Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (UNESP). A NuBBEDB será de grande utilidade para a comunidade científica, fornecendo a centros de pesquisa e indústrias farmacêuticas informações para estudos de modelagem molecular, metabolômica, derreplicação e principalmente para o planejamento e a identificação de novos compostos bioativos. / The work developed during a doctorate program and shown here as a PhD thesis reports the accomplishment of a series of computational and experimental studies focused on the development of new anticancer agents, an innovative methodology for the investigation of protein complexes formation and of a new database for natural products based on the Brazilian biodiversity, in an effort to assist and encourage the discovery and development of new pharmaceutical drugs inside country. The first chapter describes studies that resulted in the identification and development of new molecules with anticancer activity through the integration of biochemical experiments and molecular modeling methods in the area of medicinal chemistry. Thus, molecular modeling studies and biochemical assays using a library of compounds provided by collaboration with the Laboratório de Síntese de Produtos Naturais e Fármacos (LSPNF) from the University of Campinas (Unicamp) have identified a number of molecules of the cyclopenta-b-indole class as inhibitors for microtubule polymerisation, with substantial anti-cancer activity. These compounds showed to be able to modulate microtubule polymerisation on in vitro assays against the molecular target and cancer cells with IC50 values in the range of 20 to 30 μM. Moreover, experimental studies have identified the colchicine site of tubulin as in the region of interaction of this class and cell migration assays have proven their antitumour activity. Based on these results, further studies using molecular docking and molecular dynamics allowed to elucidate the molecular interactions involved in the binding process to tubulin protein, and these molecular models were used to guide the design, synthesis and evaluation of a novel series of compounds. From the data obtained by computational studies, modifications were proposed to design, synthesise and evaluate new tubulin polymerisation inhibitors, resulting in identification of a high-activity inhibitor and superior pharmacodynamic profile and IC50 of 5 μM. Alongside, in vitro cytotoxicity assays demonstrated an interesting selectivity of these compounds for cancer cells when compared to healthy cells. The studies presented here with tubulin inhibitors allowed to identify modulators of microtubule polymerisation with excellent anti-cancer profile, that will provide a valuable scaffold for the development of new effective treatments against cancer. The second chapter presents a new method for predicting changes on the conformational and the formation of multimeric protein complexes. This method was developed during the studies carried out over an exchange program in the Center for Theoretical and Biological Physics (CTBT, Rice University, USA), under the supervision of professor Dr. José Nelson Onuchic. During this project, computer modeling studies were carried using modern methods developed in the CTBT itself, such as Direct-Coupling Analysis (DCA) and a simulation method known as Modeling Based Structure (SBM). In the studies presented here, the DCA and SBM methods developed in CTBP were combined, modified and expanded to develop a new methodology able to identify the conformational changes and to elucidate mechanisms folding and oligomerization of proteins. The results obtained through prediction of various multimeric protein complexes with high accuracy show that this system is extremely effective and reliable to identify interface contacts between proteins and to predict the quaternary structure of macromolecular complexes. This new method allows the characterization and elucidation of protein systems that are currently unable to be solely determined by experimental methods. The third chapter of this doctoral thesis describes the construction of a virtual database in a pioneering initiative that aims to gather and make available all the information already obtained through the study of Brazilian biodiversity. This database, entitled NuBBE DataBase, brings together various information such as 2D and 3D molecular structure and biological activity of several molecules already isolated by the Núcleo de Bioensaios Biossíntese e Ecofisiologia de Produtos Naturais(NuBBE), located at the Universidade Estadual Paulista Julio de Mesquita Filho (UNESP). The NuBBEDB will be useful to the scientific community, providing research and pharmaceutical centers information for molecular modeling studies, metabolomics, derreplication and principally for the planning and identification of new bioactive compounds.

L’inhibition de l’arginase a été montrée pour le traitement de la dysfonction endothéliale dans plusieurs pathologies. Des inhibiteurs sont actuellement commercialisés (nor-NOHA, ABH et BEC) mais en dépit de leur potentiel, ils sont incompatibles avec un usage médical per os. L’obtention de nouveaux inhibiteurs reste donc un challenge pour le développement de candidats médicaments. La source naturelle et la voie hémisynthétique notamment, restent encore des axes peu explorés. Visant d’abord le développement d’un test fiable et reproductible pour l’évaluation de la capacité inhibitrice de molécules, nous avons optimisé un test existant et mis en place un essai colorimétrique miniaturisé et partiellement automatisé, utilisant une arginase mammifère commerciale, purifiée de foie de bœuf. Ce test a été validé via l’utilisation d’inhibiteurs de référence (CI50 : nor-NOHA 1,7 μM / BEC 3,3 μM), avant d’être utilisé pour l’évaluation biologique d’une série de polyphénols naturels, mettant en évidence les potentialités inhibitrices de l’acide chlorogénique (acide caféoylquinique / CI50 10,6 μM) et du picéatannol (stilbène / CI50 12,1 µM). Des études de cinétique enzymatique ont montré que l’inhibition était réversible et compétitive tandis que des études de docking moléculaire ont montré l’intérêt de la partie caféique pour l’activité inhibitrice. Nous nous sommes alors focalisés sur l’obtention de dérivés d’hémisynthèse. Dix-neuf dérivés dérivés cinnamides ont été préparés ainsi qu’une série de cinq composés esters. Les études de relation structure-activité ont montré le rôle important du groupement catéchol pour l’activité de ces molécules. Le composé (E)-N-(2-phényléthyl)-3,4-dihydroxycinnamide ou « caffeic acid phenyl amide » (CAPA) a présenté la meilleure activité (CI50 6,9 μM). C’est un inhibiteur réversible et compétitif de l’arginase étudiée et ses études de docking avec le site catalytique de l’enzyme ont confirmé les interactions du catéchol avec des résidus conservés du site actif et les ions manganèse. La préparation des dérivés de stilbènes cibles n’a pas été couronnée de succès mais grâce à des collaborations, deux stilbènes naturels, l’astringine et le picéide, ainsi qu’une série de stilbénoïdes synthétiques ont pu être évalués. Cependant, aucun de ces composés n’a révélé d’activité intéressante.Finalement, notre projet de thèse a mis en évidence les activités prometteuses de deux composés naturels, l’acide chlorogénique et le picéatannol, ainsi que celle d’un composé hémisynthétique dérivés cinnamide de l’acide caféique (CAPA). Ces molécules ont en commun, au niveau structural, la présence d’une partie 3,4-dhydroxycinnamique (caféoyle), révélant l’intérêt de ce motif pour la conception d’autres molécules à capacité inhibitrice d’arginase. Ces résultats obtenus in silico et in vitro sur l’arginase bovine b-ARG I devront être confirmés sur l’arginase humaine h-ARG avant d’envisager d’éventuelles études in vivo pour ces candidats-médicaments potentiels. / Inhibition of the enzyme arginase has been shown its evidences for the treatment of endothelial dysfunction in several pathologies. Some arginase inhibitors are currently being marketed (nor-NOHA, ABH and BEC) but despite their potency, they are incompatible with an oral administration. Research of new arginase inhibitors remains a challenge for the development of drug candidates. Natural source and semisynthetic compounds, in particular, still remain widely unexplored avenues.Firstly focusing on development of a reliable and reproducible in vitro assay for evaluation of arginase inhibitory capacity of molecules, we optimized a previously published protocol, which resulted in a colorimetric, miniaturized and partially automated assay by using a commercial mammalian arginase, purified bovine liver arginase (b-ARG I). This test was validated by evaluating the reference inhibitors (IC50: nor-NOHA 1.7 µM / BEC 3.3 µM). Then we used it for the biological evaluation of a series of natural polyphenols. The most active compounds were chlorogenic acid (caffeoylquinic acid / IC50 10.6 µM) and piceatannol (stilbene / IC50 12.1 µM). Enzyme kinetic studies showed that the inhibition mechanism of these two polyphenols was reversible and competitive, whereas molecular docking studies demonstrated the importance of caffeic moiety for the inhibitory activity. We then continued on synthesis and biological evaluation of semisynthetic derivatives, which were inspired by natural arginase inhibitors. Nineteen cinnamide derivatives and a series of five ester compounds were prepared. Structure-activity relationships (SARs) have shown the important role of catechol group for arginase inhibitory activity of these molecules. The compound (E)-N-(2-phenylethyl)-3,4-dihydroxycinnamide or "caffeic acid phenyl amide" (CAPA) showed the best activity (IC50 6.9 µM). This compound was characterisized as a reversible and competitive inhibitor of arginase by enzyme kinetics. Docking studies suggested several interactions between catechol function of CAPA with crucial residues of the arginase active site and manganese ions. The preparation of stilbene derivatives was not successful during this work. However thanks to collaborations, two natural stilbenoid glucosides (astringin and piceid), as well as a series of synthetic stilbenoid derivatives were evaluated for their arginase inhibition. Nevertheless, none of these stilbenoids has revealed an interesting activity.Finally, our thesis project showed potential arginase inhibitory activity of two natural compounds, chlorogenic acid and piceatannol, as well as a semisynthetic cinnamide derivative (CAPA). Considering their structures, these molecules have the presence of 3,4-dihydroxycinnamoyl (caffeoyl) moiety in common, revealing the importance of this moiety for the design of new arginase inhibitors. The results obtained from in silico and in vitro studies on bovine arginase (b-ARG I) should be confirmed on human arginase assay, before being evaluated in in vivo models for the druggable candidates.

A doença de Chagas é endemia que afeta grande parte da América Latina. Estima-se que de 18 a 20 milhões de pessoas estejam infectadas pelo parasita causador da doença e que ocorram, aproximadamente, 50.000 mortes relacionadas à doença de Chagas por ano, nos 21 países da área endêmica. O arsenal terapêutico atualmente usado contra a parasitose, constituído por apenas dois fármacos, é insuficiente, considerando-se, também, que ambos não apresentam ação adequada na fase crônica da doença. Em razão de se tratar de parasitose que acomete apenas países em desenvolvimento, o interesse na pesquisa de novos antichagásicos é consideravelmente baixo por parte dos países que se destacam na introdução de novos fármacos na terapêutica. Resta aos países envolvidos a procura por novas alternativas quimioterápicas. Face ao exposto e ante à alta atividade, em testes in vitro contra o Trypanosoma cruzi, do derivado hidroximetilado do nitrofural, intermediário de síntese de bases de Mannich, obtido em trabalhos anteriores, o objetivo do presente projeto foi sintetizar bases de Mannich desse derivado com aminoácidos lisina e arginina e o dipeptídio lisina-arginina resultante. Os compostos foram sintetizados utilizando-se métodos clássicos e alternativos e grupos protetores, normalmente utilizados na síntese de peptídios e outros, tentativamente empregados, como os grupos metílico e etílico. Em adição, experimentos foram efetuados com o objetivo de otimizar a síntese do hidroximetilnitrofural. Os derivados sintetizados foram analisados por IV, RMN 1H e 13C, e alguns deles, também, por espectrometria de massas. Eles serão submetidos a testes in vitro em cultura de células infectadas com T. cruzi tão logo os grupos protetores sejam removidos. Além disso, serão efetuados testes de liberação para estudo da respectiva estabilidade. Dessa forma, esperam-se obter subsídios importantes para estudos mais aprofundados do seu mecanismo de ação e da possível mutagenicidade envolvida. / Chaga\'s disease is an endemic disease that aftects most part of Latin Arnerica. About 18 to 20 million people are infected by the parasite and around 50 thousand deaths are related to Chagas\' disease each year, in the 21 countries of endemic areas. The therapeutic armamentarium available against the disease is constituted by only two drugs and is insufficient, considering, also, that the drugs are not efficient in the chronic phase of the disease. As a parasitosis that only occurs in developing countries, the interest in the research for new antichagasic agents is considerably low in countries that are responsible for the introduction of new drugs in the therapeutics. So, the search for new chemotherapeutic alternatives is a task for the involved countries. In view of the situation and taking into account the high activity in in vitro tests against Trypanosoma cruzi showed by nitrofurazone hydroxymethyl derivative, an intermediary of Mannich bases reaction previously synthesized, the objective of this work was to synthesize its Mannich bases. The carriers used were aminoacids lysine and arginine and its dipeptide, lysinearginine. The compounds were synthesized using classic and alternative methods and protecting groups, currently used in peptide synthesis and others temptatively employed, as methyl and ethyl groups. Also, many experiments were performed in order to achieve the optimization of hydroxymethylnitrofurazone synthesis. The derivatives synthesized were analyzed by IR, 1H and 13C NMR, and some also by mass spectrometry. They will be submitted to in vitro tests with cell infected with T. cruzi as soon as the protecting groups are removed. Besides, tests of drug release will be performed to study their stability. We expect to obtain important information toward better comprehension of their mechanism of action and possible mutagenicity involved.

Câncer é a proliferação descontrolada de células anormais do organismo. As células cancerosas podem se transferir para outras partes do corpo onde passam a crescer e substituir o tecido sadio, num processo conhecido como metástase. De um total de 58 milhões de mortes ocorridas no mundo em 2007, o câncer foi responsável por 7,6 milhões. O câncer de mama é o segundo tipo de câncer mais freqüente no mundo, sendo o mais comum entre as mulheres. A cada ano, cerca de 20% dos novos casos de câncer em mulheres são de mama. No que diz respeito a valores absolutos, o câncer de próstata é o sexto tipo de câncer mais comum no mundo e o mais prevalente em homens, representando cerca de 10% do total. As principais formas de tratamento são a cirurgia, quimioterapia, radioterapia, hormonioterapia, imunoterapia e as terapias-alvo. Os tratamentos quimioterápicos e radioterápicos, principalmente, possuem baixa seletividade em sua ação frente a células malignas e benignas. O presente trabalho de dissertação tem como objetivo o desenvolvimento de testes in vitro, como o wound healing e o de migração, empregando células de adenocarcinoma mamário humano (MDA-MB-231) e de câncer de próstata humano (DU-145), além da triagem biológica de compostos químicos visando à identificação de novos candidatos a inibidores do processo de migração celular (metástase). Os protocolos experimentais foram estabelecidos e padronizados com sucesso, fornecendo resultados reprodutíveis, confiáveis e validados. Após extensivas triagens biológicas, duas classes de candidatos a inibidores foram identificadas. / Cancer is an abnormal proliferation of cells from an organ or tissue. The cancer cells may spread from one organ or part to another non-adjacent organ or part in a process called metastasis. In 2007, cancer was responsible for 7.6 million out of the 58 million deaths occurred in the World. Breast Cancer is the second leading cause of cancer death in the World, and the most frequent in women. Each year, over 20% of the new cases of cancer in women are breast cancer. In absolute values, prostate cancer is the sixth type of cancer more common in the World and the most prevalent in the men, representing about 10% of the total. There are a number of different methods used to treat cancer, including surgery, radiation and chemotherapy. Chemotherapy and radiotherapy treatments show low effectiveness and selectivity towards malignant and benign cells. The objective of the present dissertation work is to develop in vitro assays, such as wound healing and cell migration employing MDA-MD-231 breast cancer cells and DU-145 prostate cancer cells, as well as perform biological screening of chemical compounds in order to identify selective inhibitors of tumor metastasis as novel lead candidates for further development. The experimental protocols have been successfully implemented providing reproducible and reliable results. After extensive biological investigations, two inhibitor candidate classes have been identified.