El programa de la síndrome de la immunodeficiència adquirida (SIDA o sida) de les Nacions Unides va estimar a finals de 2008 que més de 33 milions de persones arreu del món vivien amb el virus de la immunodeficiència humana (VIH). En l’estudi de les dianes terapèutiques contra l’agent etiològic de la sida s’han validat com a tals els coreceptors CXCR4 i CCR5 d’unió i fusió del virus a la cèl•lula hoste. Actualment hi ha un inhibidor d’entrada i un de fusió per al tractament de la infecció per aquest retrovirus, tot i que cap d’ells inhibeix el coreceptor CXCR4. Això, unit a la capacitat del virus de desenvolupar resistència als fàrmacs actuals, fa necessària la cerca de noves famílies de compostos que hi facin front. El Grup d’Enginyeria Molecular (GEM) de l’IQS ha descrit prèviament una quimioteca combinatòria d’anàlegs de l’AMD3100, el cap de sèrie més actiu, formats per unitats estructurals polinitrogenades (que consisteixen en un heterocicle nitrogenat, un seguit de baules metilèniques i un grup amina primària terminal) unides a un espaiador p xililènic. La selecció d’aquesta quimioteca va dur a la identificació d’un nou candidat amb dos centres quirals amb activitat submicromolar contra el VIH. Aquest treball presenta diverses modificacions estructurals sobre ambdós caps de sèrie, en la cerca de nous inhibidors potencials del coreceptor d’entrada CXCR4. En primer lloc, per tal de rebaixar la basicitat de l’AMD3100, s’han substituït els seus anells ciclàmics per sistemes pirido[2,3 d]pirimidínics, en la síntesi dels quals es té molta experiència en el GEM. La baixa solubilitat en dissolvents comuns d’alguns dels compostos obtinguts es presenta com un greu inconvenient per al seu desenvolupament com a fàrmac. D’altra banda, tenint en compte el disseny racional descrit anteriorment al grup de recerca, s’amplia la quimioteca amb l’objectiu d’avaluar l’efecte de la distància entre àtoms de nitrogen i la presència de major impediment estèric entre l’espaiador aromàtic i el nitrogen que hi està directament unit. Tot i que no s’ha aconseguit millorar l’activitat del cap de sèrie, els compostos obtinguts presenten activitats prou satisfactòries. Igualment, s’obtenen els tres estereoisòmers del cap de sèrie amb activitat submicromolar i se n’avalua l’activitat antiviral per separat. Finalment, es duu a terme un disseny de novo de fàrmacs basat en l’estructura per buscar nous candidats que permetin obrir la porta a altres famílies de compostos amb activitat anti-VIH, a través de l’enumeració de la quimioteca virtual, la selecció i la posterior síntesi. / El programa del síndrome de la inmunodeficiencia adquirida (SIDA o sida) de las Naciones Unidas estimó a finales de 2008 que más de 33 millones de personas en todo el mundo vivían con el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH). En el estudio de las dianas terapéuticas contra el agente etiológico del sida se han validado como tales los correceptores CXCR4 y CCR5 de unión y fusión del virus a la célula huésped. Actualmente existe un inhibidor de entrada y uno de fusión para el tratamiento de la infección por este retrovirus, aunque ninguno de ellos inhibe el correceptor CXCR4. Ello, unido a la capacidad del virus de desarrollar resistencia a los fármacos actuales, hace necesaria la búsqueda de nuevas familias de compuestos que le hagan frente. El Grup d’Enginyeria Molecular (GEM) del IQS ha descrito previamente una quimioteca combinatoria de análogos del AMD3100, el candidato más activo, formados por unidades estructurales polinitrogenadas (que consisten en un heterociclo nitrogenado, una serie de eslabones metilénicos y un grupo amina primaria terminal) unidas a un espaciador p xililénico. La selección de esta quimioteca llevó a la identificación de un nuevo candidato con dos centros quirales con actividad submicromolar contra el VIH. Este trabajo presenta diversas modificaciones estructurales sobre ambos candidatos, en la búsqueda de nuevos inhibidores potenciales del correceptor de entrada CXCR4. En primer lugar, para rebajar la basicidad del AMD3100, se han substituido sus anillos ciclámicos por sistemas pirido[2,3 d]pirimidínicos, en la síntesis de los cuales se tiene mucha experiencia en el GEM. La baja solubilidad en disolventes comunes de algunos de los compuestos obtenidos se presenta como un grave inconveniente para su desarrollo como fármaco. Por otra parte, teniendo en cuenta el diseño racional descrito anteriormente en el grupo de investigación, se amplía la quimioteca con el objetivo de evaluar el efecto de la distancia entre átomos de nitrógeno y la presencia de mayor impedimento estérico entre el espaciador aromático y el nitrógeno que está directamente unido a él. Aunque no se ha conseguido mejorar la actividad de la estructura de referencia, los compuestos obtenidos presentan actividades satisfactorias. Asimismo, se obtienen los tres estereoisómeros del candidato con actividad submicromolar y se evalúa la actividad antiviral por separado. Finalmente, se lleva a cabo un diseño de novo de fármacos basado en la estructura para buscar nuevos candidatos que permitan abrir la puerta a otras familias de compuestos con actividad anti-VIH, a través de la enumeración de la quimioteca virtual, la selección y la posterior síntesis. / The Joint United Nations Programme on Acquired Immunodeficiency Syndrome (AIDS) estimated in 2008 that more than 33 million people around the world lived with the human immunodeficiency virus (HIV). HIV cell fusion and entry coreceptors CXCR4 and CCR5 have been validated as targets for therapeutic intervention. Nowadays, there is one entry and one fusion inhibitor available for the treatment of this retrovirus infection, although none of them inhibits CXCR4 coreceptor. Due to this fact, added to the virus’ capacity of developing resistance to actual drugs, the search of new families of compounds facing up to these situations becomes necessary. The Grup d’Enginyeria Molecular (GEM) at IQS previously described a combinatorial library of analogues of the currently most active lead AMD3100, whose polinitrogenated building block consisted of a nitrogen-containing heterocycle, a saturated chain spacer and a terminal primary amine group, bonded to a p xylylene spacer. Library selection led to the identification of a new lead with two chiral centres and submicromolar activity against HIV. This work presents various structural modifications on both leads, looking for new potential CXCR4 inhibitors. First of all, in order to reduce basicity of AMD3100, cyclam rings were substituted by pyrido[2,3 d]pyrimidinic systems, whose synthesis has been widely studied at GEM. Low solubility in common solvents of some of the obtained compounds remains as a great inconvenience for their development as a drug. Furthermore, regarding the rational design previously described by the research group, the library has been expanded with the aim of evaluating the effect of the distance between nitrogen atoms and the steric effects between the linker and the nitrogen atom directly connected to it. Although biological activities do not improve the lead’s one, the obtained compounds present interesting activities. Moreover, the three stereoisomers of the lead compound with submicromolar activity have been synthesised and their activity has been evaluated separately. Finally, a de novo structure based drug design has been carried out looking for new hits allowing to identify new families of compounds with anti-HIV activity, by enumeration of the virtual library, selection of candidates and their synthesis.

El objetivo de la presente tesis es el de aportar conocimiento sobre la bioquímica y la farmacología de los receptores de adenosina, así como entender las relaciones entre estructura química y actividad farmacológica de los ligandos existentes para estos receptores. Con este objetivo se han empleado distintas técnicas y metodologías del diseño de fármacos asistido por ordenador. Los resultados presentados en este trabajo incluyen:· El desarrollo de una estrategia original para la selección de una muestra que cubra adecuadamente la diversidad molecular existente en una base de datos de compuestos químicos· La construcción de un modelo de la región transmembrana del receptor A1 humano de adenosina, en el que se ha localizado y caracterizado un sitio de unión de agonistas compatible con los datos experimentales.· Predicciones teóricas de las energías de unión de ligandos, realizadas a partir de los complejos agonista-receptor predichos sobre el modelo mencionado, obteniendo un grado de acuerdo con los datos experimentales que resulta esperanzador / The goal of the present thesis is to gain knowledge about the biochemistry and pharmacology of adenosine receptors, as well as to understand structure-activity relationships for the existing ligands for this receptors. In order to achieve this goal, we have used several techniques and methodologies from the computer-aided drug design field. Results presented in this work include:· The development of an original strategy of selection of a maximum diversity sample that adequately covers the original molecular diversity contained in a compound database· The building of the transmembrane region of a human A1 adenosine receptor model. In such a model, an agonists binding site has been located and characterized, showing agreement with experimental data.· The resulting ligand-receptor complexes have been studied with computational approaches for the prediction of ligand-binding free energies. A nice correlation with experimental results was observed

The work of this thesis was focused on the development of high-performance algorithms for a new generation of molecular descriptors, with many advantages with respect to its predecessors, suitable for diverse applications in the field of drug design, as well as its implementation in commercial grade scientific software (Pentacle). As a first step, we developed a new algorithm (AMANDA) for discretizing molecular interaction fields which allows extracting from them the most interesting regions in an efficient way. This algorithm was incorporated into a new generation of alignmentindependent molecular descriptors, named GRIND-2. The computing speed and efficiency of the new algorithm allow the application of these descriptors in virtual screening. In addition, we developed a new alignment-independent encoding algorithm (CLACC) producing quantitative structure-activity relationship models which have better predictive ability and are easier to interpret than those obtained with other methods. / El trabajo que se presenta en esta tesis se ha centrado en el desarrollo de algoritmos de altas prestaciones para la obtención de una nueva generación de descriptores moleculares, con numerosas ventajas con respecto a sus predecesores, adecuados para diversas aplicaciones en el área del diseño de fármacos, y en su implementación en un programa científico de calidad comercial (Pentacle). Inicialmente se desarrolló un nuevo algoritmo de discretización de campos de interacción molecular (AMANDA) que permite extraer eficientemente las regiones de máximo interés. Este algoritmo fue incorporado en una nueva generación de descriptores moleculares independientes del alineamiento, denominados GRIND-2. La rapidez y eficiencia del nuevo algoritmo permitieron aplicar estos descriptores en cribados virtuales. Por último, se puso a punto un nuevo algoritmo de codificación independiente de alineamiento (CLACC) que permite obtener modelos cuantitativos de relación estructura-actividad con mejor capacidad predictiva y mucho más fáciles de interpretar que los obtenidos con otros métodos.

Classically it was assumed that the compounds with therapeutic effect exert their action interacting with a single receptor. Nowadays it is widely recognized that the pharmacological effect of most drugs is more complex and involves a set of receptors, some associated to their positive effects and some others to the side effects and toxicity. Antipsychotic drugs are an example of effective compounds characterized by a complex pharmacological profile binding to several receptors (mainly G protein-coupled-receptors, GPCR). In this work we will present a detailed study of known antipsychotic drugs and the receptors potentially involved in their binding profile, in order to understand the molecular mechanisms of the antipsychotic pharmacologic effects.The study started with obtaining homology models for all the receptors putatively involved in the antipsychotic drugs receptorome, suitable for building consistent drug-receptor complexes. These complexes were structurally analyzed and compared using multivariate statistical methods, which in turn allowed the identification of the relationship between the pharmacological properties of the antipsychotic drugs and the structural differences in the receptor targets. The results can be exploited for the design of safer and more effective antipsychotic drugs with an optimum binding profile. / Tradicionalmente se asumía que los fármacos terapéuticamente efectivos actuaban interaccionando con un único receptor. Actualmente está ampliamente reconocido que el efecto farmacológico de la mayoría de los fármacos es más complejo y abarca a un conjunto de receptores, algunos asociados a los efectos terapéuticos y otros a los secundarios y toxicidad. Los fármacos antipsicóticos son un ejemplo de compuestos eficaces que se caracterizan por unirse a varios receptores simultáneamente (principalmente a receptores unidos a proteína G, GPCR). El trabajo de la presente tesis se ha centrado en el estudio de los mecanismos moleculares que determinan el perfil de afinidad de unión por múltiples receptores de los fármacos antipsicóticos.En primer lugar se construyeron modelos de homología para todos los receptores potencialmente implicados en la actividad farmacológica de dichos fármacos, usando una metodología adecuada para construir complejos fármaco-receptor consistentes. La estructura de estos complejos fue analizada y se llevó a cabo una comparación mediante métodos estadísticos multivariantes, que permitió la identificación de asociaciones entre la actividad farmacológica de los fármacos antipsicóticos y diferencias estructurales de los receptores diana. Los resultados obtenidos tienen interés para ser explotados en el diseño de fármacos antipsicóticos con un perfil farmacológico óptimo, más seguros y eficaces.