<p>Malaria is a widespread disease caused by parasites of the genus <i>Plasmodium</i>. Each year 500 million clinical cases are reported resulting in over one million casualties. The most lethal species, <i>P. falciparum</i>, accounts for ~90% of the fatal cases and has developed resistance to chloroquine. The resistant strains are a major problem and calls for novel drugs.</p><p>In this thesis, the process of computational inhibitor design is illustrated through the development of <i>P. falciparum</i> aspartic protease inhibitors. These proteases, called plasmepsins, are part of the hemoglobin degradation chain. The hemoglobin is degraded during the intraerythrocytic cycle and serves as the major food source. By inhibiting plasmepsins the parasites can be killed by starvation.</p><p>Novel inhibitors with very high affinity were found by using a combination of computational and synthetic chemistry. These inhibitors were selective and did not display any activity on human cathepsin D. The linear interaction energy (LIE) method was utilized in combination with molecular dynamics (MD) simulations to estimate free energies of binding. The MD simulations were also used to characterize the enzyme–inhibitor interactions and explain the binding on a molecular level.</p><p>The influence of the partial charge model on binding free energy calculations with the LIE method was assessed. Two semiempirical and six <i>ab initio</i> quantum chemical charge derivation schemes were evaluated. It was found that the fast semiempirical charge models are equally useful in free energy calculations with the LIE method as the rigorous <i>ab initio</i> charge models.</p>

Malaria is a widespread disease caused by parasites of the genus Plasmodium. Each year 500 million clinical cases are reported resulting in over one million casualties. The most lethal species, P. falciparum, accounts for ~90% of the fatal cases and has developed resistance to chloroquine. The resistant strains are a major problem and calls for novel drugs. In this thesis, the process of computational inhibitor design is illustrated through the development of P. falciparum aspartic protease inhibitors. These proteases, called plasmepsins, are part of the hemoglobin degradation chain. The hemoglobin is degraded during the intraerythrocytic cycle and serves as the major food source. By inhibiting plasmepsins the parasites can be killed by starvation. Novel inhibitors with very high affinity were found by using a combination of computational and synthetic chemistry. These inhibitors were selective and did not display any activity on human cathepsin D. The linear interaction energy (LIE) method was utilized in combination with molecular dynamics (MD) simulations to estimate free energies of binding. The MD simulations were also used to characterize the enzyme–inhibitor interactions and explain the binding on a molecular level. The influence of the partial charge model on binding free energy calculations with the LIE method was assessed. Two semiempirical and six ab initio quantum chemical charge derivation schemes were evaluated. It was found that the fast semiempirical charge models are equally useful in free energy calculations with the LIE method as the rigorous ab initio charge models.

Made available in DSpace on 2015-07-22T20:49:21Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-10-29. Added 1 bitstream(s) on 2015-08-11T03:25:40Z : No. of bitstreams: 1 Publico-065a.pdf: 467665 bytes, checksum: 5c21c191852c281d4e2eebf6fd7a8d72 (MD5). Added 1 bitstream(s) on 2015-08-11T03:25:40Z : No. of bitstreams: 2 Publico-065a.pdf: 467665 bytes, checksum: 5c21c191852c281d4e2eebf6fd7a8d72 (MD5) Publico-065b.pdf: 1808818 bytes, checksum: ea880bd6471f0602f5add685ca9800fe (MD5) / INTRODUÇÃO: A substituição monótona de bases G → A no genoma do HIV-1 é observada desde a década de 1990, entretanto, apenas recentemente esse efeito foi atribuído às APOBECs (apolipoprotein B editing catalytic polypeptide) da imunidade inata. As APOBECs celulares atuam na deaminação de citidina a uridina na fita de DNA viral de polaridade negativa e esse efeito é verificado como excesso de adeninas na fita complementar de DNA viral resultante do processo de transcrição reversa. A presença de hipermutações ocasiona perda da capacidade replicativa da partícula do HIV-1 e pode levar populações virais à extinção. Estudos in vitro demonstraram o efeito antiretroviral das APOBECs3 baseados, principalmente, na verificação de hipermutação. Por outro lado, estudos sistemáticos in vivo são escassos e os dados da literatura são controversos com relação ao efeito da hipermutação no genoma das subpopulações de HIV-1 e na dinâmica da infecção. OBJETIVOS: Este estudo objetivou avaliar os efeitos da hipermutação em pacientes HIVpositivos não tratados correlacionando a freqüência de hipermutação com a carga viral. A carga viral é um importante indicador biológico de replicação do HIV-1 e clínico de progressão para a aids. Assim sendo, foi testado se a presença de hipermutação tem efeito protetor no controle da infecção natural pelo HIV utilizando como parâmetro de apoio a carga viral plasmática do HIV-1 nas 157 amostras de pacientes não tratados testadas para detecção de hipermutação. A integrase constitui um hot spot de hipermutação no genoma viral. MÉTODOS: Foi realizada PCR (Polymerase Chain Reaction) para amplificar um fragmento de 582 pares de bases do gene da integrase e o produto de PCR foi visualizado em gel de agarose com HA-Yellow. O corante HA-Yellow retarda a migração eletroforética de um produto de PCR proporcionalmente ao conteúdo de bases A da sequência. Nosso método de análise foi validado com base em sequências de clones e calibrado em acordo com os resultados gerados pelo programa Hypermut (disponível em http://www.hiv.lanl.gov/content/sequence/HYPERMUT/ hypermut.html). A análise dos dados realizou-se com base na estatística de K-means que permitiu agrupar as amostras clínicas de acordo com sua distância de migração no gel de agarose com HA-Yellow. RESULTADOS: Foi observada hipermutação em 31,2% (n=49/157) destas amostras e houve associação entre presença de hipermutação e maiores níveis de viremia (P=0,02, teste de Mann-Whitney). Adicionalmente, a presença de hipermutação não apresentou associação com menores níveis de linfócitos T CD4 positivos (P=0,06, Teste de Mann-Whitney), nem ao gênero ou à etnia. CONCLUSÕES: Os valores de carga viral detectados em cada indivíduo refletem a quantidade de partículas virais filtradas pelo processo de hipermutação e o substrato da hipermutação é a replicação viral. Assim sendo, nós constatamos que amostras clínicas com altos níveis de replicação viral exibiram o fenômeno de hipermutação mais frequentemente. Em resumo, a detecção de variantes provirais de HIV-1 portando hipermutação correlacionou-se com maiores níveis de carga viral nos pacientes avaliados. Assim sendo, concluímos que a hipermutação, fenômeno bioquímico de substituições G para A no HIV-1, é um processo pervasivo e está associada com níveis mais elevados de replicação viral. Palavras- Chave: HIV-1, APOBEC, imunidade inata, carga viral, hipermutação / TEDE / BV UNIFESP: Teses e dissertações

Introdução: estudos com Enfuvirtida (ENF) mostraram que mutações na HR1 da gp41 levam à resistência primária de cepas em pacientes sem tratamento prévio com inibidores de fusão (Derdeyn et al., 2000; Rimsky et. al., 1998; Sista et. al., 2002). Outros, que o uso contínuo de HAART leva à falha virológica (Shafer et. al., 1998; Shafer & Vuitton, 1999). Para a melhor escolha terapêutica recomenda-se usar a Genotipagem do HIV1 (Ministério da Saúde, 2008b; Perez-Elias et. al., 2003; Shafer et. al., 2001). Objetivos: avaliar o perfil de resistência do HIV1 ao ENF pelo sequenciamento da HR1 da gp41 em pacientes sob HAART, sem uso de inibidor de fusão. Realizar fenotipagem virtual da pol do HIV1 em trinta e duas cepas com resistência aos NRTI, NtRTI , NNRTI e PI para verificar indicação do ENF. Métodos: investigamos 877 prontuários de pacientes do CRT-DST/AIDS entre 5/2002 a 7/2005 e verificamos que 92 que haviam realizado o Teste de Genotipagem do HIV1 em nosso laboratório, sem tratamento prévio com inibidores de entrada poderiam participar do nosso estudo. O primeiro grupo, com 60 pacientes apresentou cepas sensíveis à pelo menos um antirretroviral (ARV) e o segundo com 32 cujas cepas apresentaram resistência parcial e completa às drogas. A região HR1/HR2 da gp41 foi seqüenciada com o kit Big Dye Terminator vs. 3.1. Alinhamos as seqüências e as comparamos com HXB2 através do programa BioEdit vs.7.0.9.0. As mutações de resistência ao ENF foram determinadas pelo algoritmo Francês (ANRS) e pelo da Universidade de Stanford. Submetemos as sequências ao Virtual Phenotype Assay (Virco, Bélgica) para obtermos a Fenotipagem Virtual. Os subtipos da HR1/HR2 da gp41 e do pol foram determinados por análises filogenéticas e os recombinantes, pelo Simplot v 3.5.1. Resultados: 89(97%) amostras foram seqüenciadas, 2 (2%) não amplificaram e 1 (1%) não tinha material suficiente. Destas, 82 (92%) eram do subtipo B, 6(7%) do F1 e 1(1%), do BF na gp41. No pol, 80(87%) eram B, 4(4%) eram F e 7(8%), eram FB. Três (3%) apresentaram resistência primária ao ENF, determinada pela N42D (1%), N43H (1%) e L44M (1%). Dez amostras tinham os polimorfismos Q39R(10%), N42H(10%), N42R(10%), N42N/S(10%) e N42S(60%). Na HR2, as mutações N126N/K, N126K/Q/E, E137E/K, E137K e S138S/A estavam presentes em 26% das cepas. Apesar das cepas apresentarem resistência aos ARV pelo teste de genotipagem, a fenotipagem virtual mostrou que 10% dos ARV ainda atuavam sobre elas, enquanto que 75% delas apresentaram resistência parcial e 15%, completa às drogas. Conclusão: nosso estudo sugere a introdução do teste de genotipagem da HR1/HR2 da gp41 antes de indicar do ENF em pacientes com falha terapêutica e que a Fenotipagem Virtual pode ser usada para a escolha do melhor esquema antirretroviral que permita uma supressão viral sustentada. / Background: studies using Enfuvirtide (ENF) have showed that mutations in the HR1 (gp41) have been associated with primary resistance in strains of the patients without previous treatment with fusion inhibitors. (Rimsky et. al.,1998; Derdeyn et al.,2000, Sista et. al.,2002). The widespread use of HAART may achieve maximal suppression of the viral load, but the viral rebound may occur, leading to virologic failure (Shafer et. al.,1998; Shafer & Vuitton,1999). To optimize therapeutic choices it is recommended to use the HIV1 Genotypic Assay. Objective: to evaluate the resistance profile in the HR1 in patients submitted to HAART, but naïve entry inhibitors. To make the Virtual Phenotypic Assay in the pol of the HIV1 strains isolated of the 32 patients with resistance to the antiretroviral (ARV) and to verify the possibility of using the ENF. Methods: we investigated 877 handbook patients of the CRT-DST/AIDS from May/2002 to July/2005. We identified 92 naïve patients to entry inhibitors included in our cohort to do genotypic assay; they were included in our research. The first group was composed by 60 persons with sensible strains to only one ARV. The second, with 32 presented strains with resistance to all ARV. HR1/HR2 was sequenced (ABIPrism BigDye Terminator vs 3.1). Bioedit Software vs.7.0.9.0 was used to compare sequences with the HIVHXB2. The resistance mutations to ENF were analyzed using French ANRS and Stanford HIV Drug Resistance Algorithm. The results by Virtual Phenotype Assay of 32 patients that presented regimen failure by Genotypic Assay predicted HIV phenotypic resistance. Subtype analysis were did by Phylogeny and the recombinants strains results, confirmed by Simplot v.3.5.1. Results: 89(97%) out of 92 samples were sequenced. Two of them (2%) could not be amplified and one (1%) we did not have enough material to use. In the HR1/HR2 82(92%) of the samples were typed as B, 6(7%), as F and 1(1%) as FB. In the pol 80(87%) were classified as B, 4(4%), as F and 7(8%) as FB. According to algorithms used, 3(3%) out of 89 ENF naïve patients presented complete resistance to this drug. One virus harbored the N42D mutation (1%), another, the N43H(1%) and the other one the L44M(1%). In 10 samples we observed the polymorphisms Q39R(1%), N42H(1%), N42R(1%), N42N/S(1%) and N42S(7%). In the HR2 domain the substitutions N126N/K, N126K/Q/E, E137E/K, E137K and S138S/A were present in 26% of the samples. Although strains presented resistance to the ARV by Genotypic Assay, in the Virtual Phenotypic Assay we verified that 10% of the drugs had some effect upon them. 75% of the strains presented partial and 15% completed resistance to ARV. Conclusion: it is important to introduce the HR1/HR2 genotyping test to verify resistance mutations to ENF before indicating this drug to patients with virologic failure. The virtual phenotypic assay can be used to select the better combination therapy to obtain viral suppression sustained response.

Introdução: estudos com Enfuvirtida (ENF) mostraram que mutações na HR1 da gp41 levam à resistência primária de cepas em pacientes sem tratamento prévio com inibidores de fusão (Derdeyn et al., 2000; Rimsky et. al., 1998; Sista et. al., 2002). Outros, que o uso contínuo de HAART leva à falha virológica (Shafer et. al., 1998; Shafer & Vuitton, 1999). Para a melhor escolha terapêutica recomenda-se usar a Genotipagem do HIV1 (Ministério da Saúde, 2008b; Perez-Elias et. al., 2003; Shafer et. al., 2001). Objetivos: avaliar o perfil de resistência do HIV1 ao ENF pelo sequenciamento da HR1 da gp41 em pacientes sob HAART, sem uso de inibidor de fusão. Realizar fenotipagem virtual da pol do HIV1 em trinta e duas cepas com resistência aos NRTI, NtRTI , NNRTI e PI para verificar indicação do ENF. Métodos: investigamos 877 prontuários de pacientes do CRT-DST/AIDS entre 5/2002 a 7/2005 e verificamos que 92 que haviam realizado o Teste de Genotipagem do HIV1 em nosso laboratório, sem tratamento prévio com inibidores de entrada poderiam participar do nosso estudo. O primeiro grupo, com 60 pacientes apresentou cepas sensíveis à pelo menos um antirretroviral (ARV) e o segundo com 32 cujas cepas apresentaram resistência parcial e completa às drogas. A região HR1/HR2 da gp41 foi seqüenciada com o kit Big Dye Terminator vs. 3.1. Alinhamos as seqüências e as comparamos com HXB2 através do programa BioEdit vs.7.0.9.0. As mutações de resistência ao ENF foram determinadas pelo algoritmo Francês (ANRS) e pelo da Universidade de Stanford. Submetemos as sequências ao Virtual Phenotype Assay (Virco, Bélgica) para obtermos a Fenotipagem Virtual. Os subtipos da HR1/HR2 da gp41 e do pol foram determinados por análises filogenéticas e os recombinantes, pelo Simplot v 3.5.1. Resultados: 89(97%) amostras foram seqüenciadas, 2 (2%) não amplificaram e 1 (1%) não tinha material suficiente. Destas, 82 (92%) eram do subtipo B, 6(7%) do F1 e 1(1%), do BF na gp41. No pol, 80(87%) eram B, 4(4%) eram F e 7(8%), eram FB. Três (3%) apresentaram resistência primária ao ENF, determinada pela N42D (1%), N43H (1%) e L44M (1%). Dez amostras tinham os polimorfismos Q39R(10%), N42H(10%), N42R(10%), N42N/S(10%) e N42S(60%). Na HR2, as mutações N126N/K, N126K/Q/E, E137E/K, E137K e S138S/A estavam presentes em 26% das cepas. Apesar das cepas apresentarem resistência aos ARV pelo teste de genotipagem, a fenotipagem virtual mostrou que 10% dos ARV ainda atuavam sobre elas, enquanto que 75% delas apresentaram resistência parcial e 15%, completa às drogas. Conclusão: nosso estudo sugere a introdução do teste de genotipagem da HR1/HR2 da gp41 antes de indicar do ENF em pacientes com falha terapêutica e que a Fenotipagem Virtual pode ser usada para a escolha do melhor esquema antirretroviral que permita uma supressão viral sustentada. / Background: studies using Enfuvirtide (ENF) have showed that mutations in the HR1 (gp41) have been associated with primary resistance in strains of the patients without previous treatment with fusion inhibitors. (Rimsky et. al.,1998; Derdeyn et al.,2000, Sista et. al.,2002). The widespread use of HAART may achieve maximal suppression of the viral load, but the viral rebound may occur, leading to virologic failure (Shafer et. al.,1998; Shafer & Vuitton,1999). To optimize therapeutic choices it is recommended to use the HIV1 Genotypic Assay. Objective: to evaluate the resistance profile in the HR1 in patients submitted to HAART, but naïve entry inhibitors. To make the Virtual Phenotypic Assay in the pol of the HIV1 strains isolated of the 32 patients with resistance to the antiretroviral (ARV) and to verify the possibility of using the ENF. Methods: we investigated 877 handbook patients of the CRT-DST/AIDS from May/2002 to July/2005. We identified 92 naïve patients to entry inhibitors included in our cohort to do genotypic assay; they were included in our research. The first group was composed by 60 persons with sensible strains to only one ARV. The second, with 32 presented strains with resistance to all ARV. HR1/HR2 was sequenced (ABIPrism BigDye Terminator vs 3.1). Bioedit Software vs.7.0.9.0 was used to compare sequences with the HIVHXB2. The resistance mutations to ENF were analyzed using French ANRS and Stanford HIV Drug Resistance Algorithm. The results by Virtual Phenotype Assay of 32 patients that presented regimen failure by Genotypic Assay predicted HIV phenotypic resistance. Subtype analysis were did by Phylogeny and the recombinants strains results, confirmed by Simplot v.3.5.1. Results: 89(97%) out of 92 samples were sequenced. Two of them (2%) could not be amplified and one (1%) we did not have enough material to use. In the HR1/HR2 82(92%) of the samples were typed as B, 6(7%), as F and 1(1%) as FB. In the pol 80(87%) were classified as B, 4(4%), as F and 7(8%) as FB. According to algorithms used, 3(3%) out of 89 ENF naïve patients presented complete resistance to this drug. One virus harbored the N42D mutation (1%), another, the N43H(1%) and the other one the L44M(1%). In 10 samples we observed the polymorphisms Q39R(1%), N42H(1%), N42R(1%), N42N/S(1%) and N42S(7%). In the HR2 domain the substitutions N126N/K, N126K/Q/E, E137E/K, E137K and S138S/A were present in 26% of the samples. Although strains presented resistance to the ARV by Genotypic Assay, in the Virtual Phenotypic Assay we verified that 10% of the drugs had some effect upon them. 75% of the strains presented partial and 15% completed resistance to ARV. Conclusion: it is important to introduce the HR1/HR2 genotyping test to verify resistance mutations to ENF before indicating this drug to patients with virologic failure. The virtual phenotypic assay can be used to select the better combination therapy to obtain viral suppression sustained response.