Development of state-of-the-art medical imaging modalities such as Magnetic Resonance Imaging, Computed Tomography, Galactography, MR Diffusion Tensor Imaging, and Tomosynthesis plays an important role for visualization and assessment of anatomical structures. Included among these structures are structures of branching topology such as the bronchial tree in chest computed tomography images, the blood vessels in retinal images and the breast ductal network in x-ray galactograms and the tubular bone patterns in dental radiography. Analysis of such images could help reveal abnormalities, assist in estimating a risk of diseases such as breast cancer and COPD, and aid in the development of realistic anatomy phantoms. This thesis aims at the development of a set of automated methods for the analysis of anatomical structures of tree and network topology. More specifically, the two main objectives include (i) the development of analysis framework to explore the association between topology and texture patterns of anatomical branching structures and (ii) the development of the image processing methods for enhanced visualization of regions of interest in anatomical branching structures such as branching nodes. / Computer and Information Science

Este trabalho teve como objetivo a realização de estudos de Relações Quantitativas Tridimensionais Estrutura-Atividade, QSAR 3D, com identificação de alvos potenciais para compostos 5-nitro-heterocíclicos com estruturas azometínica ou oxadiazolínica com bioatividade dual, antifúngica e anti-T. cruzi, visando à identificação de novos compostos que possam ser aproveitados como possíveis candidatos a fármaco ou como compostos-líderes para novos estudos de modificação molecular. Os compostos estudados pertencem a quatro séries intimamente relacionadas, a saber: Série AzoO: 5-nitro-2-furfurilideno benzidrazidas 4-substituídas; Série AzoS: 5-nitro-2-tiofilideno benzidrazidas 4-substituídas; Série OxaO: 3-acetil-oxadiazolina 2,5-furfurilideno benzidrazidas 4-substituídas e Série OxaS: 3-acetil-oxadiazolina 2,5-tiofilideno benzidrazidas 4-substituídas. A utilização de forma integrada de ferramentas pertencentes às áreas de química farmacêutica, quimioinformática e bioinformática permite a caracterização de cavidades catalíticas de proteínas e a identificação das propriedades físico-químicas consideradas essenciais para a interação adequada entre ligante e biomacromolécula-alvo. Por outro lado, permitem também a identificação de alvos a partir da comparação de estruturas químicas, com as propriedades físico-químicas associadas, entre ligantes conhecidos e possíveis alvos; este procedimento de comparação de perfis moleculares, conhecido como virtual profiling, parte do princípio de que moléculas semelhantes a ligantes conhecidos de proteínas têm o potencial de interagir com essa mesma proteína, onde o grau de semelhança é determinado não somente pela estrutura química, mas também pela distribuição de características físico-químicas. As ferramentas utilizadas em estudos in silico incluem também análise de descritores topológicos que permitem a caracterização de propriedades físico-químicas considerando sua distribuição espacial em relação à estrutura química de uma dada molécula. O uso destes descritores permite a determinação do grau de semelhança entre moléculas ou partes de moléculas (fragmentos moleculares), e encontra-se na base das metodologias de triagem e de caracterização de sítios catalíticos de proteínas. Dentro da proposta de trabalho foram realizados estudos envolvendo virtual profiling, análise de fragmentos moleculares com base em descritores físico-químicos capazes de caracterizar superfícies de proteínas e ligantes, caracterização de cavidade catalítica de possível alvo e docking dos compostos a alvos putativos. Foi também realizada a determinação de atividade antifúngica e análise de resultados de QSAR 3D, levando finalmente à construção de uma hipótese quanto ao possível alvo biológico para os compostos azometínicos e oxadiazolínicos. O procedimento de virtual profiling apontou como possíveis alvos as enzimas CYP19A (aromatase), CYP3A4, CYP3A5 e CYP3A7. Embora estas enzimas não estejam diretamente envolvidas com as atividades biológicas testadas para os compostos até o momento, existem estudos que demonstram a interação de compostos azólicos de ação antifúngica, cujo alvo é CYP51 (14α-desmetilase), também com CYP19A e CYP3A4. Em conjunto com a análise da caracterização das propriedades físico-químicas com uso de descritores topológicos e a própria dualidade da atividade biológica, concluiu-se que seria possível a interação dos compostos das séries estudadas com CYP51, sendo esta enzima alvo não somente de antifúngicos azólicos, como também de compostos com ação anti-T. cruzi. A caracterização da cavidade catalítica de CYP51, tanto em termos de descritores de propriedades físico-químicas como de características estereoquímicas, associada ao estudos de QSAR 3D, confirmaram a possibilidade de interação da série oxadiazolínica com a CYP51, em orientação semelhante à dos antifúngicos azólicos. A série azometínica, que apresenta a mesma atividade dual da série oxadiazolínica, embora com potências diferentes, não possui conformação adequada para a interação da forma proposta. Existem, no entanto, dados que indicam a possibilidade de interação de compostos no sítio catalítico da enzima de forma diferente em relação a compostos oxadiazolínicos e antifúngicos azólicos. / This study had as objective the study of Tridimensional Quantitative Structure-Activity Relationships, 3D QSAR, and the identification of potential targets for 5-nitro-heterocyclic compounds with azomethynic or oxadiazolynic structures presenting dual antifungal and anti-T. cruzi bioactivity, aiming the discovery of new compounds to be used as possible drug candidates or lead compounds. The studied compounds belong to four closely related series: AzoO series: 4-substituted 5-nitro-2-furfurylidene benzhydrazides; AzoS Series: 4-substituted 5-nitro-2-thiophylidene benzhydrazides; OxaO Series: 4-substituted 3-acetyl-oxadiazolyne 2,5-furfurylidene benzhydrazides; and OxaS Series: 4-substituted 3-acetyl-oxadiazolyne 2,5-thiophilydene benzhydrazides. The integrated use of tools belonging to the areas of medicinal chemistry, chemoinformatics, and bioinformatics allow for the characterization of catalytic cavities of proteins and the identification of physicochemical properties considered essential for the adequate interaction between ligand and target biomacromolecule. In addition to this, they also make possible the identification of targets through the comparison of chemical structures, with their associated physicochemical properties, of known ligands and their possible targets; this approach, known as virtual profiling, is based on the principle that molecules similar to known ligands of proteins can potentially interact with this same protein, with the similarity degree being determined not only by chemical structure but also through the distribution of physicochemical characteristics. The tools used in studies in silico also include the analysis of topological descriptors that can be used to analyse physicochemical characteristics considering their spacial distribution in relation to the chemical structure of a given molecule. The use of these descriptors makes possible the determination of the similarity degree between molecules or part of molecules (molecular fragments), and is the basis for methodologies of screening and characterization of the catalytic sites or proteins. Considering the proposed objective, studies were carried involving virtual profiling, analysis of molecular fragments based on physicochemical descriptors able to characterize the surface of ligands and proteins, characterization of the catalytic site of a possible target, and docking of the compounds to putative targets. The antifungal activity of compounds was determined and 3D QSAR results analysed, leading to the formulation of a hypothesis for the possible biological target for the azomethynic and oxadiazolynic compounds. Virtual profiling results pointed as possible targets the P450 enzymes CYP19A (aromatase), CYP3A4, CYP3A5, and CYP3A7. Although these enzymes are not directly involved with the currently tested biological activities for these compounds, there are studies reporting the interaction of azole antifungal compounds, whose target is CYP51 (14α-demethylase), with CYP19A and CYP3A4. Taken together with the analysis of physicochemical characteristics based on topological descriptors, and considering the duality of determined biological activities, it was concluded that the interaction of the studied compounds with CYP51 was possible since this enzyme is the target nor only for azole antifungals, but also for anti-T. cruzi compounds. Characterization studies of CYP51 catalytic cavity considering not only physicochemical properties descriptors but also stereochemical characteristics, associated to the results of 3D QSAR, confirmed the possibility of interaction of compounds from the oxadiazolynic series with CYP51, in an orientation similar to azole antifungals. The azomethynic series, that also presents the same dual biological activity though with different potency, does not present an adequate conformation for the ineraction proposed for the oxadiazolynic series; however, there are reports indicating the possibility of interaction of compounds in the catalytic site of the enzyme in a different way from that of antifungal azoles and the proposed interaction of oxadiazolynic compounds.

Este trabalho teve como objetivo a realização de estudos de Relações Quantitativas Tridimensionais Estrutura-Atividade, QSAR 3D, com identificação de alvos potenciais para compostos 5-nitro-heterocíclicos com estruturas azometínica ou oxadiazolínica com bioatividade dual, antifúngica e anti-T. cruzi, visando à identificação de novos compostos que possam ser aproveitados como possíveis candidatos a fármaco ou como compostos-líderes para novos estudos de modificação molecular. Os compostos estudados pertencem a quatro séries intimamente relacionadas, a saber: Série AzoO: 5-nitro-2-furfurilideno benzidrazidas 4-substituídas; Série AzoS: 5-nitro-2-tiofilideno benzidrazidas 4-substituídas; Série OxaO: 3-acetil-oxadiazolina 2,5-furfurilideno benzidrazidas 4-substituídas e Série OxaS: 3-acetil-oxadiazolina 2,5-tiofilideno benzidrazidas 4-substituídas. A utilização de forma integrada de ferramentas pertencentes às áreas de química farmacêutica, quimioinformática e bioinformática permite a caracterização de cavidades catalíticas de proteínas e a identificação das propriedades físico-químicas consideradas essenciais para a interação adequada entre ligante e biomacromolécula-alvo. Por outro lado, permitem também a identificação de alvos a partir da comparação de estruturas químicas, com as propriedades físico-químicas associadas, entre ligantes conhecidos e possíveis alvos; este procedimento de comparação de perfis moleculares, conhecido como virtual profiling, parte do princípio de que moléculas semelhantes a ligantes conhecidos de proteínas têm o potencial de interagir com essa mesma proteína, onde o grau de semelhança é determinado não somente pela estrutura química, mas também pela distribuição de características físico-químicas. As ferramentas utilizadas em estudos in silico incluem também análise de descritores topológicos que permitem a caracterização de propriedades físico-químicas considerando sua distribuição espacial em relação à estrutura química de uma dada molécula. O uso destes descritores permite a determinação do grau de semelhança entre moléculas ou partes de moléculas (fragmentos moleculares), e encontra-se na base das metodologias de triagem e de caracterização de sítios catalíticos de proteínas. Dentro da proposta de trabalho foram realizados estudos envolvendo virtual profiling, análise de fragmentos moleculares com base em descritores físico-químicos capazes de caracterizar superfícies de proteínas e ligantes, caracterização de cavidade catalítica de possível alvo e docking dos compostos a alvos putativos. Foi também realizada a determinação de atividade antifúngica e análise de resultados de QSAR 3D, levando finalmente à construção de uma hipótese quanto ao possível alvo biológico para os compostos azometínicos e oxadiazolínicos. O procedimento de virtual profiling apontou como possíveis alvos as enzimas CYP19A (aromatase), CYP3A4, CYP3A5 e CYP3A7. Embora estas enzimas não estejam diretamente envolvidas com as atividades biológicas testadas para os compostos até o momento, existem estudos que demonstram a interação de compostos azólicos de ação antifúngica, cujo alvo é CYP51 (14α-desmetilase), também com CYP19A e CYP3A4. Em conjunto com a análise da caracterização das propriedades físico-químicas com uso de descritores topológicos e a própria dualidade da atividade biológica, concluiu-se que seria possível a interação dos compostos das séries estudadas com CYP51, sendo esta enzima alvo não somente de antifúngicos azólicos, como também de compostos com ação anti-T. cruzi. A caracterização da cavidade catalítica de CYP51, tanto em termos de descritores de propriedades físico-químicas como de características estereoquímicas, associada ao estudos de QSAR 3D, confirmaram a possibilidade de interação da série oxadiazolínica com a CYP51, em orientação semelhante à dos antifúngicos azólicos. A série azometínica, que apresenta a mesma atividade dual da série oxadiazolínica, embora com potências diferentes, não possui conformação adequada para a interação da forma proposta. Existem, no entanto, dados que indicam a possibilidade de interação de compostos no sítio catalítico da enzima de forma diferente em relação a compostos oxadiazolínicos e antifúngicos azólicos. / This study had as objective the study of Tridimensional Quantitative Structure-Activity Relationships, 3D QSAR, and the identification of potential targets for 5-nitro-heterocyclic compounds with azomethynic or oxadiazolynic structures presenting dual antifungal and anti-T. cruzi bioactivity, aiming the discovery of new compounds to be used as possible drug candidates or lead compounds. The studied compounds belong to four closely related series: AzoO series: 4-substituted 5-nitro-2-furfurylidene benzhydrazides; AzoS Series: 4-substituted 5-nitro-2-thiophylidene benzhydrazides; OxaO Series: 4-substituted 3-acetyl-oxadiazolyne 2,5-furfurylidene benzhydrazides; and OxaS Series: 4-substituted 3-acetyl-oxadiazolyne 2,5-thiophilydene benzhydrazides. The integrated use of tools belonging to the areas of medicinal chemistry, chemoinformatics, and bioinformatics allow for the characterization of catalytic cavities of proteins and the identification of physicochemical properties considered essential for the adequate interaction between ligand and target biomacromolecule. In addition to this, they also make possible the identification of targets through the comparison of chemical structures, with their associated physicochemical properties, of known ligands and their possible targets; this approach, known as virtual profiling, is based on the principle that molecules similar to known ligands of proteins can potentially interact with this same protein, with the similarity degree being determined not only by chemical structure but also through the distribution of physicochemical characteristics. The tools used in studies in silico also include the analysis of topological descriptors that can be used to analyse physicochemical characteristics considering their spacial distribution in relation to the chemical structure of a given molecule. The use of these descriptors makes possible the determination of the similarity degree between molecules or part of molecules (molecular fragments), and is the basis for methodologies of screening and characterization of the catalytic sites or proteins. Considering the proposed objective, studies were carried involving virtual profiling, analysis of molecular fragments based on physicochemical descriptors able to characterize the surface of ligands and proteins, characterization of the catalytic site of a possible target, and docking of the compounds to putative targets. The antifungal activity of compounds was determined and 3D QSAR results analysed, leading to the formulation of a hypothesis for the possible biological target for the azomethynic and oxadiazolynic compounds. Virtual profiling results pointed as possible targets the P450 enzymes CYP19A (aromatase), CYP3A4, CYP3A5, and CYP3A7. Although these enzymes are not directly involved with the currently tested biological activities for these compounds, there are studies reporting the interaction of azole antifungal compounds, whose target is CYP51 (14α-demethylase), with CYP19A and CYP3A4. Taken together with the analysis of physicochemical characteristics based on topological descriptors, and considering the duality of determined biological activities, it was concluded that the interaction of the studied compounds with CYP51 was possible since this enzyme is the target nor only for azole antifungals, but also for anti-T. cruzi compounds. Characterization studies of CYP51 catalytic cavity considering not only physicochemical properties descriptors but also stereochemical characteristics, associated to the results of 3D QSAR, confirmed the possibility of interaction of compounds from the oxadiazolynic series with CYP51, in an orientation similar to azole antifungals. The azomethynic series, that also presents the same dual biological activity though with different potency, does not present an adequate conformation for the ineraction proposed for the oxadiazolynic series; however, there are reports indicating the possibility of interaction of compounds in the catalytic site of the enzyme in a different way from that of antifungal azoles and the proposed interaction of oxadiazolynic compounds.