A doença de Chagas, parasitose causada pelo Trypanosoma cruzi, é doença prevalente na América Latina. Estima-se que cerca de 10 milhões de pessoas estão sob o risco de infecção e, em 2008, registraram-se mais de 10 mil óbitos devido à doença. Os únicos dois fármacos disponíveis na terapêutica, nifurtimox e benznidazol, são mais eficazes no tratamento da doença no início da fase aguda. Entretanto, a fase crônica da doença não possui tratamento. O nitrofural (NF), fármaco antimicrobiano, destaca-se por possuir atividade contra o T. cruzi, porém, apresenta toxicidade. Seu derivado hidroximetilado, o hidroximetilnitrofural (NFOH), por sua vez, mostrou maior atividade antichagásica e menor toxicidade. Ante a necessidade de novos fármacos antichagásicos, a existência de alvos terapêuticos promissores como a 14α-esterol desmetilase (CYP51) e a cruzaína e mediante utilização do bioisosterismo como ferramenta de modificação molecular, realizou-se a triagem virtual de 144 ligantes análogos do NFOH pelo método de docking com o programa GOLD para a CYP51 de T. cruzi. Adicionalmente, realizou-se estudo qualitativo dos campos de interação moleculares (MIFs) com o programa GRID para a enzima humana e do parasita, homólogas entre si, estudo que revelou 9 resíduos de aminoácidos no sítio ativo da enzima parasitária que podem ser explorados no planejamento de inibidores seletivos. Neste trabalho, obtiveram-se 5 compostos inéditos, caracterizados por determinação da faixa de fusão, análise elementar, técnicas de espectroscopia no infravermelho, espectroscopia de ressonância magnética nuclear de 1H,13C, HSQC, HMBC, HETCOR e NOESY, e a atribuição dos sinais foi realizada com o auxílio de técnicas de modelagem molecular. Testaram-se 4 compostos contra a forma amastigota de T. cruzi em células da linhagem U2OS. Todos os compostos apresentaram atividade da ordem de micromolar e índices de seletividade satisfatórios. O composto LAPEN-2901 teve sua estrutura elucidada por cristalografia de raios X, apresentou toxicidade duas vezes menor que o NFOH e potência semelhante à do composto de referência benznidazol, porém menor eficácia. Os resultados obtidos ressaltam a importância de grupos nitro, 1,2,4-triazólicos e tiossemicarbazônicos para o planejamento de derivados eficazes no tratamento da fase crônica da doença de Chagas. / Chagas disease, parasitosis caused by Trypanosoma cruzi, is a disease that predominates in Latin America. It is estimated that 10 million people are under the risk of infection and, in 2008, more than 10 thousand deaths were registered. The only two drugs available in the therapeutics, nifurtimox and benznidazole, showed to be more effective in the acute phase of the disease. However, there is no choice for the chronic phase. Nitrofurazone (NF), an antimicrobial drug, has activity against T. cruzi, although being toxic. Its hydroxymethyl derivative, the hydroxymethylnitrofurazone (NFOH), showed to be more active and less toxic than the prototype. Considering the need for new antichagasic drugs, the existence of promising new therapeutic targets, as 14α-esterol demethylase and cruzain, and by employing the bioisosterism approach, a virtual screening using T. cruzi CYP51 was performed for 144 NFOH analogues. Additionaly, a qualitative molecular interaction field study was performed, revealing 9 aminoacids in the parasitic enzyme relevant for selectivity. Five novel compounds were synthesized, characterized by melting range, elemental analysis, IR spectroscopy, 1H and 13C NMR as well as HSQC, HMBC, HETCOR and NOESY experiments, in which the signal assigning were aided using molecular modeling techniques Four compounds were tested against T. cruzi amastigotes in infected U2OS cells. All compounds were sufficiently selective towards T. cruzi and showed trypanomicidal activity in low micromolar range. The compound LAPEN-2901 had its structure determined using X-ray crystallography and showed lower toxicity than NFOH and potency similar to benznidazole, but lower efficacy. These results highlight the importance of the 1,2,4-triazolic, thiosemicarbazonic and nitro group moieties for designing new efficient compounds for the chronic phase of Chagas disease.

A cruzaína, principal cisteíno protease do Trypanosoma cruzi, é um alvo terapêutico validado para o tratamento da doença de Chagas. Grande parte dos inibidores desta enzima é constituída de peptídeo-miméticos do tipo covalente irreversível cujo desenvolvimento, entretanto, tem sido evitado devido ao potencial efeito off target e ao perfil farmacocinético indesejável. O grupo de química medicinal NEQUIMED/ IQSC/USP vêm utilizando métodos avançados em quimioinformática para a identificação de inibidores reversíveis da cruzaína e de outras cisteíno proteases. Contudo, para que estes inibidores se desenvolvam a compostos matrizes mais eficientes, informações computacionais e estruturais de seus Modos de Interação (MOB) com a proteína alvo tornam-se fundamentais. Neste trabalho, a cristalografia de raios X foi utilizada para descrever em detalhes o MOB de três importantes inibidores reversíveis da cruzaína identificados pelo NEQUIMED: a dipeptidil-nitrila Neq0409 e os dois fragmentos moleculares Neq0147 e Neq0176. De modo a evitar a auto-proteólise experimentada pela cruzaína nativa que torna desafiadora a cristalização com inibidores de baixa afinidade como os fragmentos reversíveis, duas novas construções mutantes e inativas da cruzaína (a C25A e a C25S) foram desenvolvidas. A C25S foi validada como modelo cristalográfico representativo dado a coerência do MOB elucidado nesta enzima mutante e na cruzaína nativa para o inibidor mais estudado da cruzaína, o K777. A descrição da presença, orientação, conformação e modo de ação no sítio, além do completo padrão de interações fornecidos por estas estruturas cristalinas, validaram ortogonalmente os MOB preditos e os métodos de planejamento in silico usados no NEQUIMED, permitindo a identificação de inibidores muito mais potentes análogos ao Neq0147 e ao Neq0409. O grupo 2-acetamidotiofeno-3-carboxamida do Neq0176 e o anel heterocíclico de cinco membros baseado no 1,3,4-oxadiazol do Neq0147 foram identificados como alternativos aos tradicionais esqueletos peptídeo-miméticos. O impacto do efeito proteolítico na qualidade e na resolução de estruturas cristalográficas na cruzaína foi melhor compreendido a partir de duas estruturas de alta resolução obtidas para a cruzaína nativa em complexo com o metanotiossulfonato de metila (MMTS) e a iodoacetamida. Estes resultados permitiram compreender as bases experimentais para a cristalização de inibidores reversíveis de baixa afinidade. Todos os resultados estruturais obtidos via cristalografia de raios X neste trabalho são úteis para mapear as bases estruturais essenciais para o planejamento de futuros inibidores mais potentes e seletivos da cruzaína. / Cruzain, the major Trypanosoma cruzi cysteine protease, is a validated therapeutic target for the search of new medicines for the treatment of Chagas disease. A myriad of inhibitors of this enzyme consists of covalent irreversible peptidomimetics whose development has been impaired due to potential off target effect and undesirable pharmacokinetic profile. Modern cheminformatic methods employed by The Medicinal Chemistry Group (NEQUIMED/IQSC/USP) were used to identify cruzain reversible inhibitors. Their optimization for more efficient compounds can be accomplished by the use of data and information gathered from computational and structural modes of interaction (MOB). In this doctoral thesis, the X-ray crystallography was used to describe in detail the MOB of three important new cruzain reversible inhibitors: the dipeptidil-nitrile Neq0409 and the two molecular fragmentos Neq0147 and Neq0176. In order to avoid cruzain self-proteolysis during crystallization with low affinity reversible inhibitors such as the identified fragments, two new mutant and inactive constructs of cruzain (the C25S and C25A) were designed to upholding the same properties of the wild type catalytic site. The C25S was validated as representative crystallographic model given the coherence of the MOB elucidated for the best-known and studied cruzain inhibitor, the K777. The description of the presence, orientation, conformation and mode of action at the site, besides the complete pattern of bimolecular interactions, provided by these crystalline structures, orthogonally validated the predicted in silico MOB and allowed the identification of other potent inhibitors analogous to the Neq0147 and the Neq0409. The 2-acetamidothiophene-3-carboxamide moiety (Neq0176) and heterocyclic five-membered ring based on the 1,3,4-oxadiazole (Neq0147) were thereby identified as attractive alternatives to traditional peptidomimetics. The impact of proteolytic effect on the quality and resolution of crystallographic structures in cruzain was best understood from two high-resolution structures obtained for the native cruzain in complex with methyl methanethiolsulfonate (MMTS) and iodoacetamide. These results allow the understanding of experimental basis for the crystallization with reversible inhibitors of low affinity such as fragments. All structural results obtained by X-ray crystallography together with the catalytic site depiction using GRID and SuperStar methods are useful for mapping the essential structural basis for the design of future more potent and selective cruzain inhibitors.

No capítulo 1, a modelagem HQSAR, a docagem e os estudos de ROCS foram construídos utilizando uma série de 57 inibidores de cruzaína. O melhor modelo HQSAR (q2 = 0,70, r2 = 0,95, r2test = 0,62, q2rand. = 0,09 and r2rand. = 0,26) foi utilizado para predizer a potência de 121 compostos extraídos da literatura (conjunto de dados V1), resultando em um valor de r2 satisfatório de 0,65 para essa validação externa. Uma validação externa adicional foi empregada utilizando uma série de 1223 compostos extraído dos bancos de dados ChEMBL e CDD (conjunto de dados V3); nessa validação externa o valor de AUC (área sob a curva) para a curva ROC foi de 0,70. Os mapas de contribuição, obtidos para o melhor modelo HQSAR 3.4, estão de acordo com as predições do modo de interação e com as bioatividades dos compostos estudados. Nos estudos de ROCS, a forma molecular utilizada como filtro, foi útil na rápida identificação de modificações moleculares promissoras para inibidores de cruzaína. O valor de AUC obtido com a curva ROC foi de 0,72, isso indica que o método foi muito eficiente na distinção entre inibidores ativos e inativos da enzima cruzaína. Em seguida, o melhor modelo HQSAR foi utilizado para predizer os valores de pIC50 para novos compostos. Alguns dos compostos identificados, utilizando esse método, demonstraram valores de potência calculada maior do que a série de treinamento em estudo. No capítulo 2, os efeitos sobre a potência na inibição da enzima cruzaína pela substituição de um grupo nitrila como warhead por outros grupos foi avaliada. Com a síntese de 20 compostos do tipo dipeptidil, avaliou-se a relação estrutura-atividade (SAR), baseado na troca do grupo warhead na porção P1\'. O grupo oxima foi mais potente que o grupo correspondente nitrila em 0,7 unidades logarítmicas. Os compostos do tipo dipeptidil aldeídos e azanitrila obtiveram potências mais elevadas do que o correspondente dipeptidil nitrila em duas de magnitude. Os compostos dipeptidil alfa-beta insaturados foram menos potentes do que o correspondente dipeptidil nitrila. No capítulo 3, estratégias de química medicinal foram empregadas nas sínteses de 23 novos análogos, contendo o esqueleto básico de imidazopiridina. Sete e doze compostos sintetizados exibiram EC50 <= 1µM in vitro contra os parasitos Tripanosoma cruzi (T. cruzi) e brucei (T. brucei), respectivamente. Com os resultados promissores de atividade biológica in vitro, citotoxicidade, estabilidade metabólica, ligação proteica e propriedades farmacocinéticas, o composto 41 foi selecionado como candidato para os estudos de eficácia in vivo. Esse composto foi submetido em um modelo agudo da infecção com T. cruzi em ratos (cepa Tulahuen). Depois de estabelecida a infecção, os ratos foram dosados duas vezes ao dia, durante 5 dias; e monitorados por 6 semanas usando um sistema de imagem in vivo IVIS (do inglês, \"In Vivo Imaging System\"). O composto 41 demonstrou inibição parasitária comparável com o grupo de treinamento dosado com benzonidazol. O composto 41 representa um potencial líder para o desenvolvimento de novos fármacos para o tratamento de tripanossomíases. / In chapter 1, the HQSAR, molecular docking and ROCS were applied to a dataset of 57 cruzain inhibitors. The best HQSAR model (q2 = 0.70, r2 = 0.95, r2test = 0.62, q2rand. = 0.09 and r2rand. = 0.26) was then used to predict the potencies of 121 unknown compounds (the V1 database), giving rise to a satisfactory predictive r2 value of 0.65 (external validation). By employing an extra external dataset comprising 1223 compounds (the V3 database) either retrieved from the ChEMBL or CDD databases, an overall ROC AUC (area under the curve) score well over 0.70 was obtained. The contribution maps obtained with the best HQSAR model (model 3.4) are in agreement with the predicted binding mode and with the biological potencies of the studied compounds. We also screened these compounds using the ROCS method, a Gaussian-shape volume filter able to identify quickly the shapes that match a query molecule. The AUC obtained with the ROC curves (ROC AUC) was 0.72, indicating that the method was very efficient in distinguishing between active and inactive cruzain inhibitors. These set of information guided us to propose novel cruzain inhibitors to be synthesized. Then, the best HQSAR model obtained was used to predict the pIC50 values of these new compounds. Some compounds identified using this method has shown calculated potencies higher than those which have originated them. In chapter 2, the effects on potency of cruzain inhibition of replacing a nitrile group with alternative warheads were explored; with the syntheses of 20 dipeptidyl compounds, we explored the structure activity relationships (SAR) based on exchanging of the warhead portion (P1\'). The oxime was 0.7 units more potent than the corresponding nitrile. Dipeptide aldehydes and azadipeptide nitriles were found to be two orders of magnitude more potent than the corresponding dipeptide nitriles. The vinyl esters and amides were less potent than the corresponding nitrile by between one and two orders of magnitude. In chapter 3, we synthesized 23 new imidazopyridine analogues arising from medicinal chemistry optimization at different sites on the molecule. Seven and twelve compounds exhibited an in vitro EC50 <= 1µM against Trypanosoma cruzi (T. cruzi) and Trypanosoma brucei (T. brucei) parasites, respectively. Based on promising results of in vitro activity (EC50 &lt; 100 nM), cytotoxicity, metabolic stability, protein binding and pharmacokinetics (PK) properties, compound 41 was selected as a candidate for in vivo efficacy studies. This compound was screened in an acute mouse model against T.cruzi (Tulahuen strain). After established infection, mice were dosed twice a day for 5 days, and then monitored for 6 weeks using an in vivo imaging system (IVIS). Compound 41 demonstrated parasite inhibition comparable to the benznidazole treatment group. Compound 41 represents a potential lead for the development of drugs to treat trypanosomiasis.

Submitted by LILIAN HERNÁNDEZ ALVAREZ null (lilianhern@gmail.com) on 2017-10-16T13:40:19Z No. of bitstreams: 1 Lilian_dissertacao_final.pdf: 8133270 bytes, checksum: ea7913c9f03bc3c89f0211896c01cc88 (MD5) / Approved for entry into archive by Monique Sasaki (sayumi_sasaki@hotmail.com) on 2017-10-18T17:58:56Z (GMT) No. of bitstreams: 1 hernandezalvarez_l_me_sjrp.pdf: 8133270 bytes, checksum: ea7913c9f03bc3c89f0211896c01cc88 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-10-18T17:58:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 hernandezalvarez_l_me_sjrp.pdf: 8133270 bytes, checksum: ea7913c9f03bc3c89f0211896c01cc88 (MD5) Previous issue date: 2017-09-29 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Trypanosoma cruzi é o agente causal da doença de Chagas, uma infecção negligenciada que afeta milhões de pessoas nas regiões tropicais. A maioria dos fármacos empregados no tratamento desta doença são altamente tóxicos e geram resistência. Na atualidade, o descobrimento de inibidores alostéricos é um tópico emergente dentro da área de desenho computacional de fármacos, pois promove a acessibilidade a medicamentos mais seletivos e menos tóxicos. Neste trabalho foi desenvolvida uma estratégia para a descoberta computacional de inibidores alostéricos a qual foi aplicada à cruzaína, a principal cisteíno protease do T. cruzi. A caracterização molecular da forma livre e ligada da cruzaína foi investigada através do ancoramento molecular, simulações de dinâmica molecular, cálculos de energia livre de ligação e construção de redes de interações entre resíduos. A partir da análise baseada na geometria das estruturas geradas na dinâmica molecular, foram detectados dois potenciais sítios alostéricos na cruzaína. Os resultados sugerem a existência de diferentes mecanismos de regulação exercidos pela ligação de inibidores diferentes no mesmo sítio alostérico. Além disso, foram identificados os resíduos que estabelecem os caminhos de transmissão de informação entre um dos sítios alostéricos identificado e o sítio ativo da enzima. O presente estudo é a primeira aproximação de desenho de inibidores alostéricos da cruzaína e serve para futuras intervenções farmacológicas. Esses resultados constituem uma base para o desenho de inibidores específicos de cisteíno proteases homólogas da papaína. / Trypanosoma cruzi is the causative agent of Chagas disease, a neglected infection affecting millions of people in tropical regions. There are several chemotherapeutic agents for the treatment of this disease, but most of them are highly toxic and generate resistance. Currently, the development of allosteric inhibitors constitutes a promising research field, since it may improve the accessibility to more selective and less toxic medicines. To date, the allosteric drugs prediction is a state-of-the-art topic in rational structure-based computational design. In this work a simulation strategy was developed for computational discovery of allosteric inhibitors, and it was applied for or cruzain, a promising target and the major cysteine protease of T. cruzi. Molecular dynamics simulations, binding free energy calculations and network-based modelling of residue interactions were combined to characterize and compare molecular distinctive features of the apo form and the cruzain-allosteric inhibitor complexes. By using geometry-based detection on trajectory snapshots we determined the existence of two main allosteric sites suitable for drug targeting. The results suggest dissimilar mechanism exerted by the same allosteric site when binding different potential allosteric inhibitors. Finally, we identified the residues involved in suboptimal paths linking the identified site and the orthosteric site. The present study constitutes the first approximation for designing cruzain allosteric inhibitors and may serve for future pharmacological intervention. These findings are particularly relevant for the design of allosteric modulators of papain-like cysteine proteases. / CAPES: 031/2013

A enzima cruzaína é um alvo validado e promissor para a descoberta de agentes tripanossomicidas. A validação desta enzima estimulou o desenvolvimento de vários inibidores ao longo dos últimos vinte anos. A descoberta de novos compostos, provenientes de classes químicas distintas, mais seguros e eficazes representa uma importante contribuição para o desenvolvimento da quimioterapia da doença de Chagas. Dentre essas classes, encontram-se as dipeptidil-nitrilas, que apresentam alta potência contra a cruzaína e são conhecidamente inibidores covalente-reversíveis. Estudos de afinidade através de Calorimetria de Titulação Isotérmica (ITC) são fundamentais na compreensão de sistemas bioquímicos e viabilizam a determinação dos parâmetros termodinâmicos. A ITC possibilita determinar com precisão e acurácia os valores de Kd(1/Ka), &Delta;H,&Delta;G,&Delta;S e &Delta;Cp e com esses parâmetros pode-se traçar facilmente o perfil termodinâmico dos ligantes. No presente trabalho, a enzima selvagem cruzaína bem como sua forma mutante C25S foram preparadas e, pela primeira vez, foi realizado o estudo de afinidade através da ITC para 16 dipeptidil-nitrilas usadas como inibidores da cruzaína. O perfil termodinâmico (TP) foi obtido e observado como entálpico-dirigido com compensação entrópica desfavorável. A fatoração da energia livre ( &Delta;G) de interação foi usada para avaliar os efeitos causados pelas substituições em P1, P2 e P3 na energética, sugerindo uma correlação direta entre a afinidade e a otimização entálpica/entrópica. As substituições avaliadas promoveram um aumento de 10 a 20 vezes na afinidade da cruzaína pelo inibidor. Estudos em diferentes tampões foram realizados para a determinação da influência do efeito de ionização na afinidade. Foi determinado o valor de &Delta;Cp do complexo cruzaína-Neq0409 e a relação de &Delta;HITC com &Delta;HvH. O Neq0569 foi testado contra a proteína mutante C25A, tendo sido observada inversão da assinatura que passou a ser entropicamente dirigida. Além disso, uma redução de 176 vezes na afinidade foi observada, demonstrando a importância da ligação covalente-reversível para o aumento da afinidade. / The enzyme cruzain is a validated and promising target for the discovery of trypanocidal agents. The validation of this enzyme has stimulated the development of several inhibitors over the past twenty years. The discovery of new compounds from different chemical classes, which are safer and more effective is an important contribution to the development of chemotherapy of Chagas disease. Among known classes are the dipeptidyl nitriles that exhibit high cruzain affinity and are known to be covalent-reversible inhibitors. Molecular optimization requires a rigorous assessment of physicochemical properties, including the thermodynamic characterization of molecular forces that govern cruzain-inhibitor interactions. Affinity studies through Isothermal Titration Calorimetry (ITC) are fundamental in understanding biochemical systems and enable the determination of thermodynamic parameters. The ITC tool provides the determination of Kd values (1/Ka), &Delta;H, &Delta;G, &Delta;S and &Delta;Cp accurately and precisely. These parameters can easily be used to draw the thermodynamic profile of ligands. In this study, the wild type cruzain enzyme and its mutant form C25S were prepared and, for the first time by the best of our knowledge, the study was conducted by ITC for 16 dipeptidyl nitriles used as inhibitors of cruzain enzyme, which is a hydrolase. The thermodynamic profile (TP) was obtained and observed to be enthalpy-driven with unfavorable entropic compensation. The free energy factorization (&Delta;G) interaction was used to evaluate the effects caused by substitutions in P1, P2 and P3 in energy, thereby suggesting a direct correlation between the affinity and the enthalpy/entropy optimization. Substitutions made possible to observe an increase of 10 to 20 times higher than the affinity for previous cruzain inhibitors. Studies on different buffers were performed to determine the influence of ionizing effect on affinity. The &Delta;Cp value was determined for cruzain-Neq0409 complex and its &Delta;HITC relationship with &Delta;HvH was also evaluated. Neq0569 was tested against the mutant protein C25A, having been observed reversal of the signature which became entropy driven. Furthermore, a reduction of 176-fold in the affinity was observed, demonstrating the importance of covalent-reversible binding to increase affinity.

<p align=\"justify\">A necessidade urgente de descoberta de terapias mais seguras e eficazes para o tratamento da doença de Chagas e leishmanioses tem motivado a pesquisa por novos inibidores das enzimas cruzaína e CPB, as principais cisteíno proteases do T. cruzie e Leishmania spp., respectivamente. Uma série de 52 compostos nitrílicos que atuam como inibidores covalente-reversíveis de cisteíno proteases foi sintetizada no grupo NEQUIMED/IQSC/USP e avaliada quanto a sua atividade inibitória contra as enzimas cruzaína, CPB de Leishmania mexicana e catepsina L de humanos. Utilizando planejamento molecular baseado em hipótese, mapeamos as relações estrutura-atividade (SARs) desses inibidores através de variações nas posições P1, P2, P3 e P1\' do esqueleto dipeptidil nitrílico. A substituição do grupo eletrofílico (warhead) aminonitrila em P1 pelo grupo azanitrila melhorou a afinidade em duas ordens de magnitude para todos os alvos avaliados. Um dos mais potentes inibidores, o análogo azanitrila Neq0690 mostrou uma cinética de ligação lenta com valores de pKi de 8,8, 9,3 e 9,7 para cruzaína, catepsina L e LmCPB, respectivamente. A substituição bioisostérica da ligação amida entre as posições P2-P3 pelo grupo trifluoroetilamina resultou na síntese do Neq0659, um potente inibidor com um perfil de ação seletivo para as proteases de parasitos. A substituição do grupo metileno em P1 pelo ciclopropano aumentou a afinidade para todas as enzimas. Contudo, uma inibição seletiva da cruzaína e LmCPB foi associada à presença do grupo (R)-benzila como substituinte da posição P1 dos derivados CF3 substituídos. Embora os compostos substituídos com leucina, tirosina, triptofano e 3-cloro fenilalanina como substituintes da posição P2 foram relativamente bem tolerados pela cruzaína e catepsina L, uma restrita especificidade foi verificada para LmCPB com pequenos ganhos de afinidade para os inibidores que possuíam os grupos leucina e metil benzoato como substituintes dessa posição. Com relação à posição P3, a inserção do grupo 3-terc-butilpirazol e 3-bromo piridina aumentou a afinidade para todos os alvos avaliados enquanto que um ganho seletivo para a LmCPB foi observado para os compostos que possuíam o grupo bifenila nessa posição. Além disso, duas novas estruturas cristalográficas da LmCPB complexada com o Neq0690 e metil metanotiossulfonato (MMTS) foram determinadas com resoluções de 1,3 Å e 1,5 Å, respectivamente. As estruturas dos co-complexos revelaram os modos de interação (MoB) desses ligantes, bem como as principais características do processo de reconhecimento bimolecular. Isso permitirá o uso de estratégias de planejamento baseado na estrutura do alvo com translação natural para a pesquisa por novos inibidores de cisteíno proteases, com amplo espectro de ação na quimioterapia de doenças a elas relacionadas. / <p align=\"justify\">The urgent need for the discovery of safer and more effective therapies for the treatment of Chagas disease and leishmaniasis has motivated the search for new inhibitors of the enzymes cruzain and CPB, the major T. cruzi and Leishmania spp. cysteine proteases, respectively. A series of 52 nitrile-containing compounds acting as covalent-reversible inhibitors of cysteine proteases was synthesized at the NEQUIMED/IQSC/USP Medicinal Chemistry Group and evaluated for their inhibitory activity against the enzymes cruzain, Leishmania mexicana CPB and cathepsin L from humans. Using hypothesis-driven molecular design, we mapped the structure-activity relationships (SARs) of these inhibitors through variations in the P1, P2, P3 and P1\' positions of the dipeptidyl nitrile scaffold. The substitution of the aminonitrile by the azanitrile group improved the affinity by two orders of magnitude for all the evaluated targets. One of the most potent inhibitors, the azanitrile analogue dubbed Neq0690 showed a slow-binding kinetics with pKi values of 8.8, 9.3 and 9.7 for cruzain, cathepsin L and LmCPB, respectively. Bioisosteric substitution of the amide moiety between the P2-P3 positions by the trifluoroethylamine group resulted in the synthesis of Neq0659, a potent inhibitor with a selective action profile for parasite proteases. Substitution of the methylene group at P1 by cyclopropane increased the affinity for all enzymes. However, selective inhibition of cruzain and LmCPB was associated with the presence of the (R)-benzyl group as substituent of the P1 position of the substituted CF3 derivatives. Although leucine, tyrosine, tryptophan and 3-chloro phenylalanine substituted compounds as substituents of the P2 position were relatively well tolerated by cruzain and cathepsin L, a restricted specificity was verified for LmCPB with small affinity gains for the inhibitors possessing the leucine and methyl benzoate as substituents of that position. Regarding the P3 position, the insertion of the 3-tert-butylpyrazole and 3-bromo pyridine groups increased the affinity for all evaluated targets whereas a selective gain for LmCPB was observed for the compounds having the biphenyl moiety at that position. In addition, it is noteworthy that two new crystallographic structures of LmCPB complexed with Neq0690 and methyl methanethiosulfonate (MMTS) were determined with resolutions of 1.3 Å and 1.5 Å, respectively. The structures of the co-complexes revealed the modes of binding (MoB) of these ligands, as well as the main characteristics of the bimolecular recognition process. This will allow the natural translational target structure strategies for the search for new inhibitors of cysteine proteases with broad spectrum of action in the chemotherapy of related diseases.

No capítulo 1, a modelagem HQSAR, a docagem e os estudos de ROCS foram construídos utilizando uma série de 57 inibidores de cruzaína. O melhor modelo HQSAR (q2 = 0,70, r2 = 0,95, r2test = 0,62, q2rand. = 0,09 and r2rand. = 0,26) foi utilizado para predizer a potência de 121 compostos extraídos da literatura (conjunto de dados V1), resultando em um valor de r2 satisfatório de 0,65 para essa validação externa. Uma validação externa adicional foi empregada utilizando uma série de 1223 compostos extraído dos bancos de dados ChEMBL e CDD (conjunto de dados V3); nessa validação externa o valor de AUC (área sob a curva) para a curva ROC foi de 0,70. Os mapas de contribuição, obtidos para o melhor modelo HQSAR 3.4, estão de acordo com as predições do modo de interação e com as bioatividades dos compostos estudados. Nos estudos de ROCS, a forma molecular utilizada como filtro, foi útil na rápida identificação de modificações moleculares promissoras para inibidores de cruzaína. O valor de AUC obtido com a curva ROC foi de 0,72, isso indica que o método foi muito eficiente na distinção entre inibidores ativos e inativos da enzima cruzaína. Em seguida, o melhor modelo HQSAR foi utilizado para predizer os valores de pIC50 para novos compostos. Alguns dos compostos identificados, utilizando esse método, demonstraram valores de potência calculada maior do que a série de treinamento em estudo. No capítulo 2, os efeitos sobre a potência na inibição da enzima cruzaína pela substituição de um grupo nitrila como warhead por outros grupos foi avaliada. Com a síntese de 20 compostos do tipo dipeptidil, avaliou-se a relação estrutura-atividade (SAR), baseado na troca do grupo warhead na porção P1\'. O grupo oxima foi mais potente que o grupo correspondente nitrila em 0,7 unidades logarítmicas. Os compostos do tipo dipeptidil aldeídos e azanitrila obtiveram potências mais elevadas do que o correspondente dipeptidil nitrila em duas de magnitude. Os compostos dipeptidil alfa-beta insaturados foram menos potentes do que o correspondente dipeptidil nitrila. No capítulo 3, estratégias de química medicinal foram empregadas nas sínteses de 23 novos análogos, contendo o esqueleto básico de imidazopiridina. Sete e doze compostos sintetizados exibiram EC50 <= 1µM in vitro contra os parasitos Tripanosoma cruzi (T. cruzi) e brucei (T. brucei), respectivamente. Com os resultados promissores de atividade biológica in vitro, citotoxicidade, estabilidade metabólica, ligação proteica e propriedades farmacocinéticas, o composto 41 foi selecionado como candidato para os estudos de eficácia in vivo. Esse composto foi submetido em um modelo agudo da infecção com T. cruzi em ratos (cepa Tulahuen). Depois de estabelecida a infecção, os ratos foram dosados duas vezes ao dia, durante 5 dias; e monitorados por 6 semanas usando um sistema de imagem in vivo IVIS (do inglês, \"In Vivo Imaging System\"). O composto 41 demonstrou inibição parasitária comparável com o grupo de treinamento dosado com benzonidazol. O composto 41 representa um potencial líder para o desenvolvimento de novos fármacos para o tratamento de tripanossomíases. / In chapter 1, the HQSAR, molecular docking and ROCS were applied to a dataset of 57 cruzain inhibitors. The best HQSAR model (q2 = 0.70, r2 = 0.95, r2test = 0.62, q2rand. = 0.09 and r2rand. = 0.26) was then used to predict the potencies of 121 unknown compounds (the V1 database), giving rise to a satisfactory predictive r2 value of 0.65 (external validation). By employing an extra external dataset comprising 1223 compounds (the V3 database) either retrieved from the ChEMBL or CDD databases, an overall ROC AUC (area under the curve) score well over 0.70 was obtained. The contribution maps obtained with the best HQSAR model (model 3.4) are in agreement with the predicted binding mode and with the biological potencies of the studied compounds. We also screened these compounds using the ROCS method, a Gaussian-shape volume filter able to identify quickly the shapes that match a query molecule. The AUC obtained with the ROC curves (ROC AUC) was 0.72, indicating that the method was very efficient in distinguishing between active and inactive cruzain inhibitors. These set of information guided us to propose novel cruzain inhibitors to be synthesized. Then, the best HQSAR model obtained was used to predict the pIC50 values of these new compounds. Some compounds identified using this method has shown calculated potencies higher than those which have originated them. In chapter 2, the effects on potency of cruzain inhibition of replacing a nitrile group with alternative warheads were explored; with the syntheses of 20 dipeptidyl compounds, we explored the structure activity relationships (SAR) based on exchanging of the warhead portion (P1\'). The oxime was 0.7 units more potent than the corresponding nitrile. Dipeptide aldehydes and azadipeptide nitriles were found to be two orders of magnitude more potent than the corresponding dipeptide nitriles. The vinyl esters and amides were less potent than the corresponding nitrile by between one and two orders of magnitude. In chapter 3, we synthesized 23 new imidazopyridine analogues arising from medicinal chemistry optimization at different sites on the molecule. Seven and twelve compounds exhibited an in vitro EC50 <= 1µM against Trypanosoma cruzi (T. cruzi) and Trypanosoma brucei (T. brucei) parasites, respectively. Based on promising results of in vitro activity (EC50 &lt; 100 nM), cytotoxicity, metabolic stability, protein binding and pharmacokinetics (PK) properties, compound 41 was selected as a candidate for in vivo efficacy studies. This compound was screened in an acute mouse model against T.cruzi (Tulahuen strain). After established infection, mice were dosed twice a day for 5 days, and then monitored for 6 weeks using an in vivo imaging system (IVIS). Compound 41 demonstrated parasite inhibition comparable to the benznidazole treatment group. Compound 41 represents a potential lead for the development of drugs to treat trypanosomiasis.

Com o objetivo de buscar e identificar novo(s) inibidor(es) da cruzaína uma cisteíno-protease do Trypanosoma cruzi, o agente etiológico da doença de Chagas foram propostos, validados e, a seguir, aplicados sobre a biblioteca de compostos ZINC (3.294.714 compostos), dois modelos de virtual screening (Modelos I e II). Os modelos de virtual screening propostos, contendo seqüências de filtros físicoquímicos, farmacofóricos, de docking e de seleção por inspeção visual, foram construídos a partir de informações de 13 complexos da cruzaína e de 20 complexos de outras cisteínoprotease, cujas estruturas estão disponíveis no PDB. Numa primeira etapa, o reconhecimento detalhado das características estruturais da cruzaína foi realizado por inspeção visual; pelos campos de interação molecular, gerados pelo programa GRID; pela identificação das propriedades de interação molecular na superfície da cavidade, geradas pelo programa CA VBASE e; por simulações de dinâmica molecular. O Modelo I de virtual screeníng - obtido a partir do reconhecimento das estruturas dos 13 complexos da cruzaína depositadas no PDB - foi aplicado sobre o ZINC, selecionando 10 compostos, dos quais 6 compostos foram adquiridos e submetidos ao teste de inibição enzimática da cruzaína, para a validação experimental do modelo. Observou-se que 3 destes compostos (ZINC02470662, ZINC02682879 e ZINC03192044, respectivamente) não mostraram inibição significativa da cruzaína, nas condições experimentais utilizadas, até a concentração de 7 mM, enquanto que os 3 restantes (ZINC02663001, ZINC01936854 e ZINC03326243, respectivamente) apresentaram inibição enzimática inespecífica, sugerindo que estes últimos agem pelo mecanismo promíscuo. O mecanismo promíscuo de inibição enzimática, foi verificado pela adição de 0,1% Triton X-100 no ensaio enzimático, observando-se a correspondente perda de inibição da cruzaína. Para estes compostos, a confirmação do mecanismo promíscuo foi feita observando-se a perda de inibição da enzima, após o aumento em dez vezes da concentração da cruzaína no ensaio enzimático. O Modelo II - obtido a partir do reconhecimento das estruturas dos 13 complexos da cruzaína e dos 20 complexos de outras cisteíno-proteases, identificadas na busca por cavidades similares à cruzaína - foi aplicado sobre o banco de dados ZINC,selecionando 55 compostos dos quais 19 foram adquiridos e submetidos ao teste de inibição enzimática da cruzaína, para validação experimental do modelo. Observou-se que o composto ZINC01794422 apresentou inibição específica da enzima com constante de inibição no valor de Ki = 21 &#181;M, enquanto que os demais 18 compostos não mostraram inibição significativa, nas condições experimentais utilizadas, até a concentração de 592 &#181;M. O mecanismo promíscuo de inibição enzimática não foi observado, uma vez que todos os testes foram realizados com 0,1% de Triton X-100. O Modelo II identificou, ainda, mais dois inibidores da cruzaína (ZINC04899534 e ZINC01547017) que, por serem estruturalmente semelhantes aos utilizados na construção do modelo e já terem sido descritos na literatura, não foram adquiridos ou testados nos ensaios enzimáticos. Considerando apenas o novo inibidor identificado, o Modelo II apresentou uma taxa de acerto de 5,3%. Este valor esta de acordo com as taxas de acerto encontradas na literatura que variam entre 1 a 50% . / In order to search and identify new cruzain inhibitor(s) - a cysteine-protease of Trypanosoma cruzi, the etiologic agent of Chagas disease - two virtual screening schemes(Models I and II) were proposed, validated- and applied to the ZINC database (3.294.714 compounds). The proposed virtual screening models, bearing a sequence of different physicalchemical, pharmacophore and docking filters, as well as a visual inspection filter, were built from information taken from 13 cruzain complexes and from 20 complexes of other cysteine proteases, having their structures available in PDB. In a first step, a detailed recognition of the cruzain structural features and characteristics was performed through visual inspection of the enzyme environment; followed by the analysis of GRID generated molecular interaction fields; through the identification of molecular interaction properties exposed at the enzyme cavity surface, generated by the CAVBASE program; and by molecular dynamics simulations. The virtual screening Model I, - generated from the structural characteristics recognized from 13 PDB cruzain complexes - when applied to the ZINC database selected 10 compounds. For the experimental validation ofthe model, six ofthese compounds have been acquired and were tested as cruzain inhibitors. It was observed that three of the tested compounds (ZINC02470662, ZINC02682879 and ZINC03192044, respectively) did not show any significant cruzain inhibition, up to 7 mM. Meanwhile the other three tested compounds (ZINC02663001, ZINC01936854 and ZINC03326243, respectively) showed an unspecific cruzain inhibition, suggesting that an enzyme inhibition by promiscuous mechanism occurred. This mechanism was verified by the addition of 0.1% Triton X-100 on the enzymatic assay with a concomitant loss of cruzain inhibition activity. For these compounds, the confirmation of the promiscuous mechanism was also done, observing the loss of enzyme inhibition, after a ten times increase in the cruzain concentration on the enzymatic assay. The virtual screenmg Model II - generated from the structural characteristics recognized from 13 cruzain complexes and 20 complexes of other cysteine proteases, that have been identified on a search for cavities similar to cruzain - selected 55 compounds, when applied to the ZINC database. In order to experimentally validate the model, nineteen compounds have been acquired and were tested as cruzain inhibitors. It has been observed that one compound, ZINC01794422, showed a specific cruzain inhibition (Ki = 21 &#181;M), while the other eighteen showed no significant inhibition, up to 592 &#181;M concentration. The promiscuous mechanism of enzymatic inhibition was not observed, since 0.1% of Triton X-100 was added in ali assays. Additionally, Model II identified two other cruzain inhibitors (ZINC04899534 and ZINC01547017). However, these compounds have not been acquired or tested, since they are known cruzain inhibitors - already described in the literature and are structurally similar to the inhibitors used in the construction of the mode!. Referring to new inhibitors found, Model II showed a hit rate of 5,3%. This value is in agreement with those found in the literature, which ranges from 1 to 50%.

Com o objetivo de buscar e identificar novo(s) inibidor(es) da cruzaína uma cisteíno-protease do Trypanosoma cruzi, o agente etiológico da doença de Chagas foram propostos, validados e, a seguir, aplicados sobre a biblioteca de compostos ZINC (3.294.714 compostos), dois modelos de virtual screening (Modelos I e II). Os modelos de virtual screening propostos, contendo seqüências de filtros físicoquímicos, farmacofóricos, de docking e de seleção por inspeção visual, foram construídos a partir de informações de 13 complexos da cruzaína e de 20 complexos de outras cisteínoprotease, cujas estruturas estão disponíveis no PDB. Numa primeira etapa, o reconhecimento detalhado das características estruturais da cruzaína foi realizado por inspeção visual; pelos campos de interação molecular, gerados pelo programa GRID; pela identificação das propriedades de interação molecular na superfície da cavidade, geradas pelo programa CA VBASE e; por simulações de dinâmica molecular. O Modelo I de virtual screeníng - obtido a partir do reconhecimento das estruturas dos 13 complexos da cruzaína depositadas no PDB - foi aplicado sobre o ZINC, selecionando 10 compostos, dos quais 6 compostos foram adquiridos e submetidos ao teste de inibição enzimática da cruzaína, para a validação experimental do modelo. Observou-se que 3 destes compostos (ZINC02470662, ZINC02682879 e ZINC03192044, respectivamente) não mostraram inibição significativa da cruzaína, nas condições experimentais utilizadas, até a concentração de 7 mM, enquanto que os 3 restantes (ZINC02663001, ZINC01936854 e ZINC03326243, respectivamente) apresentaram inibição enzimática inespecífica, sugerindo que estes últimos agem pelo mecanismo promíscuo. O mecanismo promíscuo de inibição enzimática, foi verificado pela adição de 0,1% Triton X-100 no ensaio enzimático, observando-se a correspondente perda de inibição da cruzaína. Para estes compostos, a confirmação do mecanismo promíscuo foi feita observando-se a perda de inibição da enzima, após o aumento em dez vezes da concentração da cruzaína no ensaio enzimático. O Modelo II - obtido a partir do reconhecimento das estruturas dos 13 complexos da cruzaína e dos 20 complexos de outras cisteíno-proteases, identificadas na busca por cavidades similares à cruzaína - foi aplicado sobre o banco de dados ZINC,selecionando 55 compostos dos quais 19 foram adquiridos e submetidos ao teste de inibição enzimática da cruzaína, para validação experimental do modelo. Observou-se que o composto ZINC01794422 apresentou inibição específica da enzima com constante de inibição no valor de Ki = 21 &#181;M, enquanto que os demais 18 compostos não mostraram inibição significativa, nas condições experimentais utilizadas, até a concentração de 592 &#181;M. O mecanismo promíscuo de inibição enzimática não foi observado, uma vez que todos os testes foram realizados com 0,1% de Triton X-100. O Modelo II identificou, ainda, mais dois inibidores da cruzaína (ZINC04899534 e ZINC01547017) que, por serem estruturalmente semelhantes aos utilizados na construção do modelo e já terem sido descritos na literatura, não foram adquiridos ou testados nos ensaios enzimáticos. Considerando apenas o novo inibidor identificado, o Modelo II apresentou uma taxa de acerto de 5,3%. Este valor esta de acordo com as taxas de acerto encontradas na literatura que variam entre 1 a 50% . / In order to search and identify new cruzain inhibitor(s) - a cysteine-protease of Trypanosoma cruzi, the etiologic agent of Chagas disease - two virtual screening schemes(Models I and II) were proposed, validated- and applied to the ZINC database (3.294.714 compounds). The proposed virtual screening models, bearing a sequence of different physicalchemical, pharmacophore and docking filters, as well as a visual inspection filter, were built from information taken from 13 cruzain complexes and from 20 complexes of other cysteine proteases, having their structures available in PDB. In a first step, a detailed recognition of the cruzain structural features and characteristics was performed through visual inspection of the enzyme environment; followed by the analysis of GRID generated molecular interaction fields; through the identification of molecular interaction properties exposed at the enzyme cavity surface, generated by the CAVBASE program; and by molecular dynamics simulations. The virtual screening Model I, - generated from the structural characteristics recognized from 13 PDB cruzain complexes - when applied to the ZINC database selected 10 compounds. For the experimental validation ofthe model, six ofthese compounds have been acquired and were tested as cruzain inhibitors. It was observed that three of the tested compounds (ZINC02470662, ZINC02682879 and ZINC03192044, respectively) did not show any significant cruzain inhibition, up to 7 mM. Meanwhile the other three tested compounds (ZINC02663001, ZINC01936854 and ZINC03326243, respectively) showed an unspecific cruzain inhibition, suggesting that an enzyme inhibition by promiscuous mechanism occurred. This mechanism was verified by the addition of 0.1% Triton X-100 on the enzymatic assay with a concomitant loss of cruzain inhibition activity. For these compounds, the confirmation of the promiscuous mechanism was also done, observing the loss of enzyme inhibition, after a ten times increase in the cruzain concentration on the enzymatic assay. The virtual screenmg Model II - generated from the structural characteristics recognized from 13 cruzain complexes and 20 complexes of other cysteine proteases, that have been identified on a search for cavities similar to cruzain - selected 55 compounds, when applied to the ZINC database. In order to experimentally validate the model, nineteen compounds have been acquired and were tested as cruzain inhibitors. It has been observed that one compound, ZINC01794422, showed a specific cruzain inhibition (Ki = 21 &#181;M), while the other eighteen showed no significant inhibition, up to 592 &#181;M concentration. The promiscuous mechanism of enzymatic inhibition was not observed, since 0.1% of Triton X-100 was added in ali assays. Additionally, Model II identified two other cruzain inhibitors (ZINC04899534 and ZINC01547017). However, these compounds have not been acquired or tested, since they are known cruzain inhibitors - already described in the literature and are structurally similar to the inhibitors used in the construction of the mode!. Referring to new inhibitors found, Model II showed a hit rate of 5,3%. This value is in agreement with those found in the literature, which ranges from 1 to 50%.