La sida és una malaltia causada pel VIH, que ataca a les cèl·lules del sistema immunitari. Actualment s'estima que viuen uns 33 milions de persones infectades per aquest virus. La teràpia antiretroviral actual consisteix en combinacions de dues famílies de compostos: inhibidors de la transcriptasa inversa i inhibidors de la proteasa, ambdós dirigits a enzims específics produïts pel VIH. Una de les principals dificultats en el tractament antiretroviral és la ràpida evolució del virus, que li permet fer-se resistent als fàrmacs que s'utilitzen. Per tant, hi ha una necessitat contínua d'utilitzar nous fàrmacs anti­VIH en combinació amb els actuals, i haurien d'actuar preferentment en noves dianes del cicle de replicació del VIH. El descobriment dels cofactors cel·lulars implicats en l'entrada del VIH i una millor comprensió de les proteïnes de l'envolta que controlen el procés de fusió han renovat l'interès en les primeres etapes de la replicació del VIH com a dianes per a una intervenció terapèutica. L'entrada del VIH consta de 4 etapes interrelacionades: la unió del virus a la superfície cel·lular, la unió del virus al receptor CD4, la interacció del complex CD4-glicoproteïna de l'envolta amb el coreceptors d'entrada i la fusió virus-cèl·lula. Els principals coreceptors utilitzats pel VIH per a la seva entrada a la cèl·lula són els receptors de quimiocines CCR5 i CXCR4. En aquest àmbit s'han aprovat recentment dos nous fàrmacs, Fuzeon® (Hoffman-La Roche i Trimeris), que inhibeix la fusió del virus amb la cèl·lula, i Selzentry® (Pfizer), que és un antagonista de CCR5. S'han identificat agents que bloquegen CXCR4, entre els que destaca AMD3100. Tot i això, el seu desenvolupament s'ha abandonat per una toxicitat cardíaca i falta de biodisponibilitat oral, ambdues relacionades amb la seva elevada càrrega positiva a pH fisiològic. Per tant, es necessita disposar de nous inhibidors de la unió del VIH al coreceptor CXCR4 que solucionin aquests desavantatges. L'interès d'aquesta tesi és dissenyar una quimioteca combinatòria d'anàlegs al AMD3100 amb menor basicitat, que incorporin a la seva estructura les principals característiques d'aquest compost, un linker p-fenilenbismetilènic i sistemes heterocíclics. A partir de l'estructura dels compostos de la quimioteca dissenyada es desenvolupen i validen les rutes sintètiques necessàries per a la seva obtenció. A més, s'apliquen tècniques computacionals de selecció de diversitat per a explorar l'espai químic representat pels compostos de la quimioteca. A partir de les molècules actives identificades en aquest procés i inhibidors coneguts del coreceptor CXCR4 es desenvolupen models QSAR i farmacofòrics. Aquests models s'utilitzen per a realitzar un cribatge virtual de la resta de compostos de la quimioteca dissenyada i augmentar la probabilitat de seleccionar nous compostos amb activitat antiviral. Mitjançant aquest procediment s'han identificat nous inhibidors de CXCR4, un d'ells amb elevada activitat anti-VIH. A més, aquest compost només presenta quatre àtoms de nitrogen a la seva estructura, enfront dels vuit de l'AMD3100. / El sida es una enfermedad causada por el VIH, que ataca a las células del sistema inmunitario. Actualmente se estima que viven unos 33 millones de personas infectadas por este virus. La terapia antirretroviral actual consiste en combinaciones de dos familias de compuestos: los inhibidores de la transcriptasa inversa y los inhibidores de la proteasa, ambos dirigidos a enzimas específicos producidos por el VIH. Sin embargo, una de las principales dificultades en el tratamiento antirretroviral es la rápida evolución del virus, que le permite hacerse resistente a los fármacos utilizados. Por lo tanto, hay una continua necesidad de usar nuevos fármacos anti-VIH en combinación con los actuales, que deberían actuar preferentemente en nuevas dianas del ciclo de replicación del VIH. El descubrimiento de los cofactores celulares implicados en la entrada del VIH y una mejor comprensión de las proteínas de la envoltura que controlan el proceso de fusión han renovado el interés en las primeras etapas de la replicación del VIH como dianas para una intervención terapéutica. La entrada del VIH consta de 4 etapas interrelacionadas: la unión del virus a la superficie celular, la unión del virus al receptor CD4, la interacción del complejo CD4­glicoproteína de la envoltura con los correceptores de entrada y la fusión virus-célula. Los principales correceptores utilizados por el VIH para su entrada en la célula son los receptores de quimiocinas CCR5 y CXCR4. En este ámbito se han aprobado recientemente dos nuevos fármacos, Fuzeon® (Hoffman-La Roche y Trimeris), que inhibe la fusión del virus con la célula, y Selzentry® (Pfizer), que es un antagonista de CCR5. Se han identificado agentes que bloquean CXCR4, entre los que destaca AMD3100. Sin embargo, su desarrollo se ha abandonado por una toxicidad cardiaca y falta de biodisponibilidad oral, ambas relacionadas con su elevada carga positiva a pH fisiológico. Por lo tanto se necesita disponer de nuevos inhibidores de la unión del VIH al receptor CXCR4 que solventen estas desventajas. El interés de la presente tesis es diseñar una quimioteca combinatoria de análogos al AMD3100 con menor basicidad, que incorporen en su estructura las principales características de este compuesto, un linker p­fenilenbismetilénico y sistemas heterocíclicos. A partir de la estructura de los compuestos de la quimioteca diseñada, se desarrollan y validan las rutas sintéticas necesarias para su obtención. Además, se aplican técnicas computacionales de selección de diversidad para explorar el espacio químico representado por los compuestos de la quimioteca. A partir de los compuestos activos identificados en este proceso e inhibidores conocidos del correceptor CXCR4 se desarrollan modelos QSAR y farmacofóricos. Estos modelos se utilizan para realizar un cribado virtual del resto de compuestos de la quimioteca diseñada y aumentar así la probabilidad de seleccionar nuevos compuestos con actividad antiviral. Mediante este procedimiento, se han identificado nuevos inhibidores de CXCR4, uno de ellos con elevada actividad anti-VIH. Además, este compuesto sólo presenta cuatro átomos de nitrógeno en su estructura frente a los ocho del AMD3100. / AIDS is a disease of the immune system caused by the human immunodeficiency virus (HIV). Today, about 33 million people live with this virus. Current antiretroviral therapies consist of combinations of two compound families: reverse transcriptase inhibitors and protease inhibitors, both directed to specific enzymes produced by the HIV. One of the major drawbacks in this antiretroviral treatment is drug resistance, produced by the rapid evolution of the virus. Hence there is a need to develop new anti-HIV drugs which should preferably act on new stages in HIV's life cycle. The discovery of cellular cofactors involved in the entry of HIV to host cells and a better comprehension of envelope proteins controlling the fusion process have renewed the interest in early steps of HIV replication as targets for therapeutic intervention. HIV entry to the cell can be dissected into 4 interrelated steps: virus attachment to the cell surface, virus binding to the CD4 receptor, interaction of the CD4-envelope glycoprotein complex with entry coreceptors and virus-cell fusion. The main HIV entry coreceptors are chemokine receptors CCR5 and CXCR4. In this context, two new drugs have recently been approved, Fuzeon® (Hoffman-La Roche and Trimeris), that blocks fusion of HIV with the cell, and Selzentry® (Pfizer), a CCR5 antagonist. Agents that block CXCR4 have also been identified, with AMD3100 as lead compound. However, the development of this compound has been discontinued due to cardiac toxicity and lack of oral bioavailability related to its high positive charge at physiological pH. Therefore, there is a need to develop new CXCR4 coreceptor inhibitors that will solve these limitations. The aim of this thesis is the design of a combinatorial library of AMD3100 analogues with lower basicity while preserving the main structural features of AMD3100, a p­phenylenic linker and heterocyclic systems. Synthetic routes for these compounds have been developed and validated. Moreover, computational diversity selection techniques have been applied to explore the chemical space represented by the library. Active compounds identified by this process and known CXCR4 inhibitors have been used in QSAR and pharmacophore modelling. Then, virtual screening of the rest of compounds in the library with these models has been applied to increase the probability of selecting new active compounds. This has led to the identification of new CXCR4 inhibitors, one of them showing high anti-HIV activity. Furthermore, the structure of this compound only includes four nitrogen atoms, in contrast to the eight in AMD3100.

Els inhibidors d'entrada del VIH han sorgit recentment com una nova generació de fàrmacs antiretrovirals, els quals bloquegen la unió del virus als co-receptors de membrana CXCR4 i CCR5. S'han desenvolupat diverses molècules petites antagonistes d'aquests co-receptors, algunes de les quals estan actualment en fase d'assaig clínic. No obstant això, donat que no existeixen estructures cristal·logràfiques per aquests co-receptors proteics, és necessari analitzar els modes d'unió d'inhibidors coneguts a la cavitat d'unió extracel·lular dels co-receptors mitjançant experiments de mutagènesi dirigida i estudis computacionals. En general, l'objectiu d'aquestes aproximacions computacionals és cribar un gran nombre de compostos candidats a fàrmacs ràpidament. El cribatge virtual s'ha convertit recentment en un complement útil dels mètodes de cribatge experimentals high-throughput screening per a grans llibreries de compostos. Per tant, en aquesta tesi s'ha portat a terme un protocol de cribatge virtual, mitjançant aproximacions basades en el receptor i en lligands actius coneguts, amb la finalitat de trobar antagonistes de CXCR4 i CCR5 que puguin servir com a potencials inhibidors d'entrada del VIH.Per al cribatge virtual basat en el receptor, s'han millorat els models dels co-receptors CXCR4 i CCR5 construïts a la secció de disseny molecular de l'IQS, i s'han portat a terme assajos preliminars de mode d'unió utilitzant aquests models i lligands coneguts d'elevada afinitat. Així mateix, s'ha analitzat el comportament en el cribatge virtual i en el post-processat de resultats de docking de diferents fingerprints d'interacció en comparació amb els resultats obtinguts per un nou fingerprint d'interacció (APIF) desenvolupat a la secció de disseny molecular de l'IQS.Per al cribatge virtual basat en lligands, s'han comparat models farmacofòrics i diverses aproximacions basades en la forma i propietats moleculars utilitzant lligands d'elevada afinitat com a molècules de referència. A més, s'ha desenvolupat una nova aproximació basada en la forma molecular, la qual s'ha utilitzat per a estudiar en profunditat la hipòtesi de la multi-regió d'unió de la cavitat d'unió extracel·lular del co-receptor CCR5.Tots els mètodes, ja siguin basats en el receptor o en lligands coneguts, s'han aplicat en primer lloc de manera retrospectiva utilitzant una extensa base de dades d'inhibidors de CXCR4/CCR5 i suposats inactius, similars en propietats als actius, recopilada en aquesta tesi. Per a cada receptor, la quimioteca ha estat cribada utilitzat inhibidors coneguts, S'han analitzat els factors d'enriquiment i la diversitat a les llistes finals de hits. A més, s'han portat a terme anàlisis ROC per a ambdós inhibidors de CXCR4 i CCR5 amb la finalitat de comparar l'habilitat del nou algoritme basat en la igualtat de formes de lligands amb la resta d'aproximacions de cribatge utilitzades.Una vegada validades les diferents aproximacions de cribatge i seleccionats els millors paràmetres per a cadascuna d'elles, s'han aplicat les eines de cribatge virtual de manera prospectiva sobre una quimioteca combinatòria dissenyada a la secció de disseny molecular de l'IQS, així com tècniques de disseny de novo de lligands per tal d'identificar nous bloquejadors de l'entrada del VIH a les cèl·lules. / Los inhibidores de entrada del VIH han surgido recientemente como una nueva generación de fármacos antiretrovirales, los cuales bloquean la unión del virus con los co-receptores de membrana CXCR4 y CCR5. Se han desarrollado diversas moléculas pequeñas antagonistas de estos co-receptores, algunas de las cuales están actualmente en fase de ensayo clínico. Sin embargo, dado que no existen estructuras cristalográficas para estos co-receptores proteicos, es necesario analizar los modos de unión de inhibidores conocidos a la cavidad de unión extracelular de los co-receptores mediante experimentos de mutagénesis dirigida y estudios computacionales. En general, el objetivo de estas aproximaciones computacionales es cribar un gran número de compuestos candidatos a fármacos rápidamente. El cribado virtual se ha convertido recientemente en un complemento útil de los métodos de cribado experimentales high-throughput screening para grandes librerías de compuestos. Por lo tanto, en esta tesis se ha llevado a cabo un protocolo de cribado virtual, mediante aproximaciones basadas en el receptor y en ligandos activos conocidos, con el fin de encontrar antagonistas de CXCR4 y CCR5 que puedan servir como potenciales inhibidores de entrada del VIH.Para el cribado virtual basado en el receptor, se han mejorado los modelos de los co-receptores CXCR4 y CCR5 construidos en la sección de diseño molecular del IQS, y se han llevado a cabo ensayos preliminares de modo de unión utilizando estos modelos y ligandos conocidos de elevada afinidad. Asimismo, se ha analizado el comportamiento en el cribado virtual y en el post-procesado de resultados de docking de diferentes fingerprints de interacción en comparación con los resultados obtenidos por un nuevo fingerprint de interacción (APIF) desarrollado en la sección de diseño molecular del IQS.Para el cribado virtual basado en ligandos, se han comparado modelos farmacofóricos y diversas aproximaciones basadas en la forma y propiedades moleculares utilizando ligandos de elevada afinidad como moléculas de referencia. Además, se ha desarrollado una nueva aproximación basada en la forma molecular, la cual se ha utilizado para estudiar en profundidad la hipótesis de la multi-región de unión de la cavidad de unión extracelular del co-receptor CCR5.Todos los métodos, ya sean basados en el receptor o en ligandos conocidos, se han aplicado en primer lugar de manera retrospectiva utilizando una extensa base de datos de inhibidores de CXCR4/CCR5 y supuestos inactivos, similares en propiedades a los activos, recopilada en esta tesis. Para cada receptor, la quimioteca ha sido cribada utilizando inhibidores conocidos, Se han analizado los factores de enriquecimiento y la diversidad en las listas finales de hits. Además, se han llevado a cabo análisis ROC para ambos inhibidores de CXCR4 y CCR5 con el fin de comparar la habilidad del nuevo algoritmo basado en la igualdad de formas de ligandos con el resto de aproximaciones de cribado utilizadas.Una vez validadas las diferentes aproximaciones de cribado y seleccionados los mejores parámetros para cada una de ellas, se han aplicado las herramientas de cribado virtual de manera prospectiva sobre una quimioteca combinatoria diseñada en la sección de diseño molecular del IQS, así como técnicas de diseño de novo de ligandos para identificar nuevos bloqueadores de la entrada del VIH a las células. / HIV entry inhibitors have emerged as a new generation of antiretroviral drugs that block viral fusion with the CXCR4 and CCR5 membrane co-receptors. Several small molecule antagonists for these co-receptors have been developed, some of which are currently in clinical trials. However, because no crystal structures for the co-receptor proteins are available, the binding modes of the known inhibitors within the co-receptor extracellular pockets need to be analyzed by means of site-directed mutagenesis and computational experiments. Generally, the objective of these computational approaches is to screen large numbers of candidate drug compounds rapidly. Virtual screening has recently become a useful complement to laboratory-based high-throughput screening methods for large libraries of compounds. Hence, in this thesis, a virtual screening protocol, using several receptor-based and ligand-based approaches, has been performed to find CXCR4 and CCR5 antagonists that could potentially serve as HIV entry inhibitors.For receptor-based virtual screening, homology models of CXCR4 and CCR5 co-receptors built in our research group have been improved, and preliminary binding mode analyses using these models and high affinity known ligands have been carried out. Also, the performance in virtual screening and docking post-processing of different interaction fingerprints, compared to the results obtained with a new interaction fingerprint (APIF) developed in our research group, has been analysed.For ligand-based virtual screening, pharmacophore modelling and several shape-based and property-based molecular comparison approaches have been compared, using high-affinity ligands as query molecules. Also, a novel consensus shape-based virtual screening approach has been developed and used to investigate and add further evidence for multiple binding sites within the CCR5 extracellular pocket hypothesis.All the receptor-based and ligand-based methods have been firstly applied in a retrospective virtual screening, using a large database of known CXCR4/CCR5 inhibitors and similar presumed inactive molecules assembled in this thesis. For each receptor, the library has been queried using known binders, and the enrichment factors and diversity of the resulting virtual hit lists have been analyzed. Moreover, receiver-operator-characteristic analyses for both CXCR4 and CCR5 inhibitors have been carried out in order to compare the performance of the new consensus shape matching algorithm with the other screening approaches used. Once the different virtual screening approaches have been validated and the best parameters for each one have been selected, prospective virtual screening of a combinatorial library designed by our research group and de novo design methods have been applied to identify new HIV entry blockers.