While realistic in vitro testing of dry powder inhalers (DPIs) can be used to establish in vitro–in vivo correlations (IVIVCs) and predict in vivo lung doses, the aerodynamic particle size distributions (APSDs) of those doses and their regional lung deposition remains unclear. Four studies were designed to improve testing centered on the behavior of Novolizer®. Different oropharyngeal geometries were assessed by testing different mouth-throat (MT) models across a realistic range of inhalation profiles (IPs) with Salbulin® Novolizer®. Small and large Virginia Commonwealth University (VCU) and Oropharyngeal Consortium (OPC) models produced similar ranges for total lung dose in vitro (TLDin vitro), while results for medium models differed significantly. While either group may be selected to represent variations in oropharyngeal geometry, OPC models were more difficult to use, indicating that VCU models were preferable. To facilitate simulation of human IPs through DPIs, inhalation profile data from a VCU clinical trial were analyzed. Equations were developed to represent the range of flow rate vs. time curves for use with DPIs of known airflow resistance. A new method was developed to couple testing using VCU MT models and simulated IPs with cascade impaction to assess the APSDs of TLDin vitro for Budelin® Novolizer®. This method produced IVIVCs for Budelin’s total lung dose, TLD, and was sufficiently precise to distinguish between values of TLDin vitro and their APSDs, resulting from tests using appropriately selected MT models and IPs. For example, for slow inhalation, TLD values were comparable in vivo and in vitro; TLDin vitro ranged from 12.2±2.9 to 66.8±1.7 mcg aerosolized budesonide while APSDs in vitro had mass median aerodynamic diameters of 3.26±0.27 and 2.17±0.03 µm, respectively. To explore the clinical importance of these variations, a published computational fluid dynamic (CFD) model was modified and coupled to accept the output of realistic in vitro tests as initial conditions at the tracheal inlet. While simplified aerosol size metrics and flow conditions used to shorten CFD simulations produced small differences in theoretical predictions of regional lung deposition, the results broadly agreed with the literature and were generally consistent with the median values reported clinically for Budelin.

A doença de Chagas, causada pelo Trypanosoma cruzi, é uma doença tropical que aflige milhões de pessoas, gerando consequências sócio-econômicas devastadoras. Ela tem sido considerada uma doença tropical super-negligenciada, já que os únicos fármacos disponíveis para o seu tratamento apresentam baixa eficácia e causam vários efeitos colaterais. Além disso, os mesmos foram introduzidos há mais de três décadas. Com esse cenário, é evidente a necessidade da descoberta, desenvolvimento e introdução de novos fármacos para o tratamento eficiente e seguro da doença de Chagas. A enzima gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase (GAPDH) é um alvo biomacromolecular atraente para a descoberta de novos fármacos contra os tripanossomatídeos, em virtude das enzimas da via glicolítica exercerem um papel fundamental no fornecimento de energia para a sobrevivência do parasito. Essa enzima foi selecionada neste trabalho de tese para a realização de estudos em química medicinal com base em quiminformática com o objetivo de identificar potenciais inibidores enzimáticos e do T. cruzi. Na primeira etapa desta tese, o ensaio virtual baseado na estrutura do alvo (SBVS) foi usado na identificação e seleção dos compostos. Como resultado do planejamento in silico, vinte compostos foram selecionados e avaliados experimentalmente na segunda etapa do trabalho empregando a técnica de calorimetria de titulação isotérmica (ITC). Destes, onze inibiram a GAPDH de T. cruzi resultando numa elevada taxa de acerto (>= 20%). Os novos inibidores apresentam excelente eficiência do ligante (LE), bem como mostram ligeira seletividade pela enzima do parasito. O ensaio dos inibidores contra a forma tripomastigota do T. cruzi identificou dois compostos capazes de inibir essa forma infectiva e um deles também mostrou ser um potente inibidor da forma amastigota do parasito, além de apresentar baixa toxidez. As duas melhores classes de inibidores da GAPDH e do parasito foram selecionadas para o estabelecimento de relações quantitativas entre a estrutura química e a atividade biológica (QSAR). Estudos de QSAR 2D (HQSAR) forneceram modelos com elevada capacidade preditiva e proporcionaram a identificação de características estruturais importantes para a otimização dos ligantes a compostos-matrizes. / Chagas disease, caused by Trypanosoma cruzi, is a tropical disease, which afflicts millions of people, thus generating devastating socio-economic consequences. It has been pointed out that it is a super-neglected tropical disease, based on available drugs with low efficacy and that give rise to many side effects. In addition, these drugs were introduced three decades ago. With this scenario, it is clear the necessity of the discovery, development and introduction of new efficient drugs to treat Chagas disease. The enzyme glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase is a promising target for the development of new drugs against trypanosomatides, since the enzymes of the glycolytic pathway display a fundamental role in the energy supply to parasite survival. In this thesis, this enzyme was selected for medicinal chemistry within the cheminformatics framework aiming at the identification of potential enzymatic and parasite inhibitors. In the first part, structure-based virtual screening (SBVS) methods were employed in the selection and identification of compounds. Based on the in silico design, twenty compounds were selected and experimentally evaluated in the second part using the isothermal titration calorimetry (ITC) technique. Out of these, eleven compounds inhibited the T. cruzi GAPDH, resulting in high hit rates (>= 20 %). The new selected inhibitors display excellent ligand efficiency (LE), as well as some selectivity for the parasite enzyme. The inhibitors assay against the trypomastigote form of T. cruzi was used to identify two compounds able to inhibit this infective form, and one showed to be a strong amastigote parasite inhibitor, also disclosing low cytotoxicity profile. The best two classes of GAPDH and parasite inhibitors were selected for the establishment of a quantitative structure-activity relationship (QSAR). 2D QSAR (HQSAR) studies resulted in linear models with high predictive power, amenable for the identification of important structural features in the process of hit-to-lead optimization.

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.

O propacetamol é um pró-fármaco do acetoaminofeno, administrado por via intravenosa, utilizado para o controle da febre e da dor do período perioperatório em terapias do tipo multimodal. No organismo o propacetamol é hidrolisado rapidamente pelas esterases plasmáticas em dietilglicina e acetoaminofeno, seu metabólito ativo, cujo mecanismo de ação é a inibição da síntese de prostaglandinas resultantes da hidrólise do ácido araquidônico pela enzima ciclo-oxigenase 2. Em altas doses, o acetoaminofeno sofre oxidação pela isoforma CYP2E1 do sistema de enzimas do citocromo P450 biotransformando-se em N-acetil-p-benzoquinona imina (NAPQI), um metabólito extremamente reativo e hepatotóxico. Embora seu amplo uso e boa tolerabilidade, observa-se um número reduzido de dados literários sobre o prófármaco alvo ou possíveis metabólitos. Assim, inicialmente investigou-se a aplicação de protocolos existentes na literatura visando à síntese do cloridrato de propacetamol, sendo a rota sintética estabelecida em dois passos reacionais. Logo, uma metodologia clássica usando catálise com iodeto foi eficiente em gerar o pró-fármaco com rendimento global de 25%. Além disso, um método assistido por micro-ondas foi testado a fim de melhorar o rendimento e otimizar as condições reacionais. Este protocolo permitiu isolar o pró-fármaco desejado em excelente rendimento comparado a outras abordagens sintéticas descritas na literatura. Este método também apresenta algumas vantagens adicionais como a ausência de catalisador e um menor volume de solvente no meio reacional. Logo, o cloridrato de propacetamol foi sintetizado em 10 minutos a 120°C com 98% de rendimento. Depois de sintetizado, o pró-fármaco foi submetido à avaliação do efeito antipirético mostrando-se eficiente na inibição da febre estimulada por lipopolissacarídeo (LPS) na dose de 600 mg/kg de massa corpórea, a qual equivale à dose de 300 mg/kg de acetaminofeno. Na última parte deste trabalho foram realizados ensaios de metabolismo in vitro por meio de reações microssomais, a fim de identificar a formação de metabólitos via espectrometria de massas por captura de íons (ion trap), os quais mostraram que o principal metabólito foi o acetaminofeno, já que o uso da estratégia de pró-fármacos em química medicinal objetiva a liberação de fármacos pelo metabolismo enzimático. Portanto, os estudos realizados são considerados satisfatórios, visto que a síntese assistida por microondas foi o melhor método para o preparo do cloridrato de propacetamol em excelente rendimento e a atividade antipirética foi confirmada por meio de ensaios farmacológicos in vivo. Além disso, o presente trabalho pode contribuir com o estudo de metabolismo in vitro usando a espectroscopia de massas como ferramenta analítica na identificação de metabólitos. / Propacetamol is an acetaminophen prodrug of intravenous administration used to control fever and pain of perioperative period in multimodal analgesia therapy. After injection, it is completely converted by plasma esterases into dietylglycine and acetaminophen, its active metabolite whose mechanism of action is the inhibition of prostaglandins, which arose from hydrolysis of arachidonic acid by cyclooxygenase 2. In overdose, acetaminophen is converted to N-acetil-p-benzoquinone imine (NAPQI) by biotransformation mediated by P450 enzymes, mainly CYP2E1. This toxic metabolite is highly reactive and responsible for hepatic injury. The propacetamol has a good tolerability and a wide use, although there are restricted number of articles about it and its possible metabolites. We started the work by investigating the application of some methods described in literature to synthesize the propacetamol hydrochloride in two reaction steps. Thus, a classical methodology using iodine as catalyst was efficient to produce the prodrug in 25% global yield. In addition, a microwave-assisted method was tested to enhance the yield and optimize the reaction conditions. To our delight, it has allowed the isolation of the desired prodrug in excellent yield compared to other synthetics approaches described in literature. This method also has some extra advantages such as the absence of catalyst and lower solvent volume in reaction medium. Therefore, propacetamol hydrochloride was synthesized in 10 min at 120°C in 98% reaction yield. The synthesized molecule was undergone a pharmacologic evaluation and the prodrug was efficient in inhibiting fever induced by LPS. The dosage of propacetamol (600mg/kg) was equivalent to acetaminophen (300mg/kg) to inhibit fever until four hours after administration. The last part of this research was the in vitro metabolism essay by means of microssomal reaction in order to determine the metabolite formation through ion trap tandem mass spectrometry. That essay showed that the main produced metabolite was acetaminophen since the use of prodrug strategy in medicinal chemistry aims the drug release by enzymatic metabolism. In summary, the performed studies may be seen as satisfactory since the microwave-assisted synthesis was the best way to prepare propacetamol hydrochloride in an excellent yield and the antipyretic activity was confirmed by in vivo pharmacologic essays. Furthermore, the present work may contribute with an in vitro metabolism study using mass spectrometry as analytical tool for metabolite identification.

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.

Os cânceres de próstata e de mama estão entre as neoplasias mais comuns diagnosticadas na população ocidental. No Brasil, estes dois tipos de neoplasia são as principais causas de morte cuja incidência continua crescendo anualmente, sendo mais comum na população acima de 40 anos. As terapias utilizadas para os tratamentos de ambas as neoplasias estão baseadas principalmente nos receptores de hormônio (andrógeno e estrógeno). Embora muitos fármacos tenham sido desenvolvidos para os tratamentos destas patologias ao longo do tempo, eles perdem eficácia em caso de neoplasias resistentes, que apresentam mutações nas macromoléculas alvo. Assim, novas substâncias bioativas estão sendo investigadas a partir dos alvos biológicos consolidados e também para novos alvos. Neste trabalho, ensaios in vitro foram utilizados para avaliar as atividades farmacológicas e citotóxica de novas substâncias bioativas desenvolvidas no Grupo de Química Medicinal (NEQUIMED), a partir de duas linhagens celulares hormônio-dependentes para o estudo do câncer de próstata (LNCaP) e de mama (MCF-7). A partir das triagens realizadas, duas substâncias foram as mais potentes (Neq0502 e Neq0504) que levaram a morte das linhagens LNCaP e MCF-7 com IC50 na ordem de 20 a 30 µmol/L, respectivamente. No ensaio de ciclo celular, Neq0502 apresentou um perfil semelhante a enzalutamida (fármaco usado como referência), sem perturbações substanciais no ciclo. No entanto, Neq0504 teve um perfil bem distinto do raloxifeno (fármaco usado como referência) para a perturbação do ciclo celular. Finalmente, o índice de seletividade estabelecido a partir dos ensaios com as células de fibroblasto (Balb/C 3T3 clone A31) demonstrou que Neq0502 foi uma substância com a maior seletividade e baixa citotoxicidade em relação à célula não tumoral dentre toda a série estudada. A partir destes dados as novas substâncias poderão ser otimizadas usando Neq0502 como matriz em estudos futuros. / Prostate and breast cancers are among the most common cancers diagnosed in the western population. In Brazil, these two types of cancer are the leading causes of death whose incidence continues to increase annually and is more common in older population than 40 years. The therapies used for the treatment of both cancers are mainly based on the hormone receptors (androgen and estrogen). Although many drugs have been developed for the treatment of these pathologies over time, lose efficacy in case of resistant cancers which have mutations on the target macromolecules. Thus, new bioactive substances are being investigated based on stable biological targets and for new targets. In this study, in vitro assays were used to evaluate the pharmacological and cytotoxic activities of new bioactive substances developed in Medicinal Chemistry Group (NEQUIMED) from two hormone-dependent cell lines for the study of prostate (LNCaP) and breast (MCF-7) cancer. From trials screenings carried out, two compounds were found the most potent (Neq0502 and Neq0504) leading to death of LNCaP and MCF-7 lines with IC50 in the range of 20 to 30 µmol/L, respectively. In the cell cycle assay, Neq0502 made a similar profile to enzalutamide (drug used as a reference), without substantial disruption in the cycle. On the other hand, Neq0504 had a very different profile from raloxifene (a drug used as a reference) to the perturbation of the cell cycle. Finally, the selectivity index established from tests with fibroblast cells (Balb/C 3T3 clone A31) demonstrated that Neq0502 was a substance with high selectivity and low cytotoxicity in order to non-tumor cell from all the substances on the screening. From these data, new substances can be optimized using Neq0502 as a template in future studies.

O planejamento de moduladores da dinâmica dos microtúbulos, a partir da ligação à αβ-tubulina, constitui importante estratégia para a terapia do câncer. Os efeitos de inibição da polimerização da tubulina ou de estabilização dos microtúbulos são promovidos pela interação de compostos em cavidades específicas da proteína alvo. A interferência com a dinâmica dos microtúbulos nas células em rápida multiplicação provoca o bloqueio do ciclo celular, disparando sinais bioquímicos que culminam em apoptose. Os taxanos são os agentes antimitóticos mais importantes dentre os estabilizadores de microtúbulos, ao passo que os alcalóides da vinca e a colchicina são membros representativos dos inibidores da polimerização. Entretanto, o aparecimento de resistência, baixa biodisponibilidade e reações adversas graves são fatores que têm impulsionado a pesquisa por novos agentes anticâncer. Dentre os ligantes identificados recentemente para o sítio do taxol, o discodermolídeo e a dictiostatina, produtos naturais de origem marinha, são potentes estabilizadores de microtúbulos que apresentam maior solubilidade que o taxol e atividade contra células de câncer resistentes aos taxanos. Por essa razão, o modo de ligação desses compostos à cavidade de interação da β-tubulina tem sido objeto de investigação. Modelos preditivos de HQSAR foram desenvolvidos para derivados sintéticos do discodermolídeo e utilizados em conjunto com estudos baseados na estrutura do receptor, em concordância com evidências experimentais, para a proposição de modelos de interação para os análogos na cavidade do taxol. Os modelos de conformação bioativa foram utilizados no alinhamento estrutural do conjunto de dados para estudos de QSAR 3D CoMFA e comparação com o alinhamento baseado nas estruturas minimizadas dos ligantes. A caracterização de padrões de reconhecimento molecular foi útil para a proposição de um modelo farmacofórico baseado nas estruturas dos produtos naturais estabilizadores de microtúbulos. Um modelo farmacofórico simplificado foi integrado ao processo de triagem virtual consistindo na aplicação de filtros hierárquicos sucessivos para a identificação de novos estabilizadores de microtúbulos. Caseobliquinas foram ensaiadas como estabilizadoras de microtúbulos, enquanto que intermediários sintéticos da dictiostatina foram avaliados quanto aos seus efeitos na polimerização da tubulina. Nos últimos anos, tem sido intensificada a busca por novos ligantes do sítio da colchicina, dentre os quais os indóis estão entre os mais relevantes. Para quatro conjuntos de dados totalizando 170 derivados de indóis, modelos de HQSAR foram desenvolvidos para a avaliação virtual de uma base de dados. Estudos de QSAR 3D CoMFA e CoMSIA baseados nos farmacóforos foram comparados para 3 conjuntos de dados. Os resultados sugerem que o núcleo indólico pode interagir de maneiras diferentes na cavidade de interação da proteína. Chalconas do tipo 1, inspiradas em ligantes clássicos do sítio da colchicina, foram avaliadas em ensaios celulares e de polimerização da tubulina, levando a síntese e avaliação de uma nova série de chalconas com propriedade antiproliferativa significativa. Por outro lado, derivados de N-acil-hidrazonas apresentaram atividade antimitótica semelhante à colchicina, enquanto as tiosemicarbazonas citotóxicas não interagiram diretamente com a tubulina. / Inhibition of microtubule function is one of the most important approaches to anticancer therapy. Two main effects can be elicited by tubulin/microtubule-interactive agents: inhibition of tubulin assembly or microtubule stabilization. Interference with either the assembly or disassembly of microtubules within the mitotic spindle in rapidly dividing cells disrupts the normal process of cell division and provokes chemical signals that induce apoptosis. On one hand, taxanes are the most prominent among the microtubule-stabilizing antimitotic agents, while on the other hand, colchicine and the vinca alkaloids are representative members of the tubulin polymerization inhibitors. However, due to poor pharmacokinetic properties, high toxicity and resistance, their clinical utility has been limited, generating new opportunities for the development of novel anticancer agents. In recent years, structurally diverse taxoid-site ligands have been identified, including the potent microtubule-stabilizers discodermolide and dictyostatin. These marine sponge-derived natural products have higher water solubility than taxol and exhibit activity against taxane-resistant cell lines. Therefore, the elucidation of their binding modes is important in drug design. Predictive conformation-independent hologram QSAR models were developed for a series of synthetic discodermolide analogs as antiproliferative agents. Receptor-based studies were integrated with molecular recognition patterns, in agreement with experimental evidences, leading to ligand-binding conformations for discodermolide analogs in the taxol-site. The bioactive conformation models were used to the structural alignment of the data set for the development of 3D QSAR CoMFA models, and for comparison with the models constructed with the rigid-body alignment based on minimized structures of the ligands. A set of structural features related to the interaction with the taxol cavity was identified and the molecular recognition patterns were employed to the construction of pharmacophore models based on the microtubule-stabilizing natural products. A final simplified pharmacophore model was integrated in a virtual screening procedure consisting of consecutive hierarchical filters targeting the identification of novel microtubule-stabilizers. Caseobliquins were screened as microtubule-stabilizers, while intermediates for the synthesis of dictyostatin were evaluated by their effects on tubulin assembly. Recently, the search for more simple anti-tubulin agents has renewed the interest in the development of colchicine analogs, often discarded for their high toxicity. Considering the structurally diverse ligands of the colchicine site, the indole derivatives are among the most important ones. Hologram QSAR models were developed for four data sets consisting of 170 indole derivatives, and used to evaluate a data set of commercially available compounds. Pharmacophore-based 3D QSAR CoMFA and CoMSIA models were constructed and compared to three of the individual data sets. The results indicated that the indole nucleus bind to the protein cavity in different ways. Type 1 chalcones, designed based on classical colchicine site ligands, have been screened for their anti-proliferative activity and tubulin assembly inhibition, leading to the synthesis and assessment of a novel series of chalcone analogs with substantial antiproliferative properties. Some N-acylhydrazone derivatives behaved as mitotic arresters in a way similar to that of colchicine, while cytotoxic thiosemicarbazones did not exhibit tubulin-interacting properties.

A doença de Chagas, uma infecção parasitária amplamente distribuída na América Latina, é um problema grave de saúde pública com consequências devastadoras em termos de morbidade e mortalidade humana. O arsenal terapêutico contra a doença é bastante limitado e insuficiente em todos os aspectos clínicos. Visando o desenvolvimento de novos agentes antichagásicos, várias proteínas do parasita têm sido exploradas como alvos terapêuticos. Neste contexto, a enzima cruzaína, uma cisteíno protease envolvida nos estágios de desenvolvimento e diferenciação do Trypanosoma cruzi, foi selecionada para os nossos estudos, visando a identificação de inibidores através do uso do método de planejamento de fármacos baseado na estrutura do receptor (SBDD, do inglês, structure-based drug design). Esta metodologia engloba uma diversidade de estratégias, empregando estruturas cristalográficas de proteínas alvo, disponíveis usualmente no Protein Data Bank (PDB). Entre as técnicas modernas utilizadas no SBDD, destaca-se a triagem virtual baseada na estrutura do receptor (SBVS, do inglês, structure-based virtual screening), que possibilita a seleção de novos candidatos a ligantes de proteínas alvo, a partir de grandes bases de dados de compostos. No presente trabalho de dissertação, a seleção de 19 estruturas da enzima cruzaína, em complexo com ligantes, permitiu a aplicação de métodos de SBDD. Um conjunto com cerca de 3,4 milhões de compostos, com característica líder-similar (do inglês, lead-like), e outro conjunto com aproximadamente 450.000 compostos, com característica fragmento-similar (do inglês, fragment-like), foram coletados da base de dados ZINC. O programa DOCK 3.5.54 foi empregado na triagem virtual das bases de dados utilizando-se a estrutura cristalográfica PDB ID: 3KKU. Um subconjunto com 35.000 moléculas foi selecionado para estudos posteriores com os programas GOLD e Surflex. As 500 melhores moléculas selecionadas por cada um dos programas foram analisadas visualmente considerando-se diversas características estruturais dos subsítios da enzima cruzaína e dos ligantes (e.g., complementaridade molecular, flexibilidade, lipofilia do subsítio S2, presença de doadores e aceptores de hidrogênio entre os subsítios S2 e S1). Desta forma, um conjunto final de 18 compostos foi priorizado para os ensaios bioquímicos frente a enzima cruzaína. Destes 18 compostos, 6 apresentaram atividade inibitória frente a cruzaína, com destaque para os 2 mais promissores, com valores de IC50 (concentração de inibidor necessária para reduzir em 50% a atividade enzimática) de 20 µM e 580 nM. O inibidor mais potente da série foi selecionado da base fragmento-similar e apresentou um valor de eficiência do ligante (EL) de 0,53 kcal/mol/átomo, considerado significativo para otimização em química medicinal. A integração de técnicas computacionais e experimentais permitiu a descoberta de ligantes com inovação estrutural, abrindo novas perspectivas para o planejamento de inibidores mais potentes e seletivos da enzima cruzaína de T. cruzi. / Chagas disease, a parasitic infection widely distributed in Latin America, is a serious public health problem with devastating consequences in terms of human morbidity and mortality. The therapeutic arsenal against the disease is very limited and insufficient in all clinical aspects. This has led to a new paradigm for the discovery of new agents that act on specific enzymes or metabolic pathways. The enzyme cruzain, a cysteine protease essential for the survival of the parasite Trypanosoma cruzi, has been selected in this work as an attractive target for the development of new inhibitors through the use of structure-based drug design (SBDD). This approach brings together a diversity of strategies, which employs crystal structures of target proteins, usually available in the Protein Data Bank (PDB). Structure-based virtual screening (SBVS), one of the most important techniques used in SBDD, allows the selection of new ligands of target proteins from large libraries of compounds. In this work, 19 crystal structures of the cruzain enzyme, in complex with ligands, allowed the application of SBDD methods. A data set of about 3.4 million compounds, with lead-like characteristics, and a second data set, with approximately 450,000 compounds, with fragment-like characteristics, were collected from the ZINC data base. The docking program DOCK 3.5.54 was employed in the virtual screening of the data sets using the crystal structure PDB ID: 3KKU. A subset of 35,000 compounds was selected for further studies with the programs GOLD and Surflex. The 500 top ranked molecules for each of the programs were visually inspected considering a number of structural characteristics of the subsites of the cruzain enzyme, as well as of the ligands (e.g., molecular complementarity, flexibility, the hydrophobic S2 subsite, and the presence of hydrogen donors and acceptors between the subsites S2 and S1). Thus, a final subset of 18 compounds was prioritized for the biochemical assays against the cruzain enzyme. Six out of 18 compounds exhibited enzyme inhibition, with the most two promising inhibitors having IC50 values (IC50 refers to the concentration of compound required for 50% inhibition of cruzain) of 20 µM e 580 nM. The most potent inhibitor of the series was selected from the fragment-like data set and showed a ligand efficiency of 0,53 kcal/mol/atom, which is considered significant in drug design. The integration of computational and experimental approaches allowed the discovery of compounds with innovative structures, providing new perspectives for the design of inhibitors of T.cruzi cruzain having increased potency and selectivity.

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.