A malária é a doença tropical com maior taxa de mortalidade global. O surgimento de resistência às terapias de primeira linha reforça a necessidade do desenvolvimento de novos candidatos a fármacos. O objetivo deste trabalho foi a descoberta de inibidores e otimização da atividade destas moléculas como candidatos a compostos líderes para o desenvolvimento de novos agentes antimaláricos. Nesse sentido, realizamos a triagem da coleção Malaria Box e identificamos 11 moléculas de diferentes classes químicas como candidatos a inibidores da enzima enolase de Plasmodium falciparum (Pfeno). Em seguida, determinamos a potência inibitória contra a enzima alvo (IC50 entre 11 – >1.000 μM), atividade antiplasmodial in vitro contra a forma eritrocítica do parasito (EC503D7 entre 5,6–1.600 nM) e citotoxicidade (MCL50 > 19 μM) do subconjunto de 11 compostos do Malaria Box (1–11). Ensaios de combinação com o antimalárico artesunato e estágio de ação foram conduzidos para avaliar o potencial de associação e qual fase do ciclo eritrocítico seria mais suscetível as moléculas desse subconjunto. Os resultados obtidos indicam que alguns compostos apresentam caráter aditivo (2 e 9) ou antagônico (1, 3–8, 10 e 11) em relação ao artesunato e ação rápida (1–3, 5, 7, 9–11) ou lenta (4, 6 e 8) no desenvolvimento do parasita. Diante desses resultados, um conjunto de critérios estruturais e de atividade biológica foi estabelecido para a seleção de um candidato para estudos de relação estrutura-atividade (SAR). O derivado de hidrazinobenzimidazol (4) foi selecionado como hit inicial e 24 derivados (12–35) foram planejados, sintetizados e tiveram a atividade de inibição enzimática (IC50 entre 44 – >200 μM), atividade antiplasmodial contra cepas sensível (EC503D7 entre 0,19–14 μM) e resistente (EC50K1 entre 0,15–2,4 μM) e citotoxicidade (MCL50 > 3,7 μM) determinadas no primeiro ciclo de SAR. Os dados obtidos sugerem que a enzima Pfeno não é o alvo principal de ação dos derivados hidrazinobenzimidazol, contudo, a atividade antiplasmodial da série indicou razoável distribuição em termos de potência e variabilidade estrutural que permitiram a construção de um modelo HQSAR (q2= 0,64 e r2 = 0,93) adequado para o planejamento e predição da atividade inibitória de oito novos derivados hidrazinobenzimidazol (36–43). Os novos derivados foram sintetizados e tiveram sua atividade antiplasmodial (EC503D7 entre 0,10–2,3μM), citotoxicidade (MCL50 > 3 μM) e seletividade (SI > 5) determinadas. Os dados de validação prospectiva do modelo indicaram boa correlação entre a atividade real e predita para os novos derivados. Além disso, neste segundo ciclo de SAR foi descoberto o composto 41 como o mais potente (EC50 = 0,1 μM) e seletivo (SI > 2.000) da série investigada neste trabalho. Nossos resultados indicam que os derivados hidrazinobenzimidazol são moléculas atrativas para a descoberta de compostos líderes para o desenvolvimento de candidatos a fármacos antimaláricos. / Malaria is the tropical disease with the highest overall mortality rate. The emergence of resistance to first-line therapies reinforces the need for the development of new drug candidates. The main goal of this work was the discovery and optimization of these molecules as lead candidates for the development of new antimalarial agents. In this sense, we screened Malaria Box collection and identified 11 molecules from different chemical classes as inhibitor candidates of Plasmodium falciparum enolase enzyme (Pfeno). Then, we determined the inhibitory potency against the target enzyme (IC50 between 11 – >1.000 μM), in vitro antiplasmodial activity against the erythrocytic form of the parasite (EC503D7 between 5,6–1.600 nM) and cytotoxicity (MCL50 > 19 μM) of the 11 compounds subset from Malaria Box (1–11). Combination with artesunate and stage of action assays were conducted to evaluate the potential of association and which erythrocytic stage would be more susceptible to the molecules of this subset. The results obtained indicate that some compounds showed additive (2 and 9) or antagonistic (1, 3–8, 10 and 11) effect with artesunate and fast (1–3, 5, 7, 9–11) or slow (4, 6 and 8) acting on parasite development. In view of these, a set of structural and biological activity criteria was established for the selection of a candidate for structure-activity relationship (SAR) studies. The hydrazinobenzimidazole derivative (4) was selected as hit and 24 derivatives (12–35) were designed, synthesized and had the enzyme inhibitory activity (IC50 between 44 – >200 μM), antiplasmodial activity against sensitive strains (EC503D7 between 0,19–14 μM) and resistant (EC50K1 between 0,15–2,4 μM) and cytotoxicity (MCL50 > 3,7 μM) determined in the first round of SAR. The collected data suggest that Pfeno is not the main target of the hydrazinobenzimidazole derivatives. However, the antiplasmodial activity of the series indicated a reasonable distribution in terms of potency and structural variability which allowed us the development of a HQSAR model (q2 = 0,64 and r2 = 0,93) suitable for the design and prediction of the inhibitory activity of eight new hydrazinobenzimidazole derivatives (36-43). The new derivatives were synthesized and had the antiplasmodial activity (EC503D7 between 0,10–2,3μM), cytotoxicity (MCL50 > 3 μM) and selectivity (SI > 5) evaluated. The prospective validation of the HQSAR model indicated good correlation between the actual and predicted activity for the new derivatives. Moreover, in the second round of SAR, compound 41 was discovered as the most potent (EC50 = 0,1 μM) and selective (SI > 2,000) in these series. Our results indicate that the hydrazinobenzimidazole derivatives are attractive molecules for the discovery of new lead compounds for the development of antimalarial drug candidates.

As ferramentas computacionais de modelagem molecular e de QSAR estão integradas ao processo de planejamento de fármacos na busca inesgotável por novas moléculas bioativas de elevado interesse terapêutico. O trabalho em Química Medicinal realizado nesta dissertação de mestrado envolveu o estudo das relações entre a estrutura e atividade de inibidores da enzima purina nucleosídeo fosforilase (PNP) bovina e de Schistosoma mansoni. A potência de uma série de inibidores da PNP de S. mansoni foi determinada experimentalmente através da medida de valores de 1C50, empregando um ensaio cinético padronizado e validado. Conjuntos de dados padrões para inibidores da enzima PNP bovina e de S. mansoni foram organizados, contendo os dados de estrutura e atividade correspondentes. Estes conjuntos formaram a base científica para o desenvolvimento dos modelos preditivos de QSAR 2D, empregando o método holograma QSAR. Os modelos finais de HQSAR desenvolvidos possuem alta consistência interna e externa, apresentando bom poder preditivo. Estes modelos, em conjunto com as informações obtidas dos mapas de contribuição de HQSAR, são guias químico-medicinais importantes no planejamento de inibidores mais potentes e seletivos, candidatos a protótipos de novos fármacos na quimioterapia segura das doenças alvo deste trabalho / Computational tools for molecular modeling and QSAR are well-integrated into the drug design process in the search for new bioactive molecules of significant therapeutic interest. The Medicinal Chemistry work done in this dissertation involved structure-activity studies of inhibitors of bovine and Shistosoma mansoni purine nucleoside phosphorylase (PNP). The potency of a series of S. mansoni inhibitors was experimentally determined through measurements of IC50 values, employing a standard validated kinetic assay. Data sets for bovine and S. mansoni PNP were organized, encompassing the structural information and corresponding biological data. These data sets established the scientific basis for the development of the predictive QSAR models using the hologram QSAR method. The final HQSAR models generated possess both good internal and external consistency with good correlative and predictive power. These models and the information obtained from the HQSAR contribution maps should be useful in guiding future medicinal chemistry efforts designed to discover novel potent and selective inhibitors as drug candidates for the chemotherapy of the target diseases of this work

As doenças tropicais têm sido alvo de constantes pesquisas nos últimos anos, em diversos centros em todo o mundo. A procura por novos tratamentos eficazes contra estas desordens estimula a identificação de novos alvos moleculares. A esquistossomose é uma doença parasitária crônica, que afeta cerca de 200 milhões de indivíduos em todo o mundo, causada pelo platelminto trematodo do gênero Schistosoma. No Brasil, a única espécie encontrada é o Schistosoma mansoni. Neste trabalho de mestrado, a enzima purina nucleosídeo fosforilase (PNP, EC 2.4.2.1) do parasita Schistosoma mansoni foi selecionada como alvo molecular para a identificação de novos inibidores e sua caracterização cinética através de potência biológica, seletividade e mecanismo de ação. Adicionalmente, dois complexos cristalográficos foram obtidos na presença de inibidores potentes da PNP, tornando-se assim parâmetros para a modelagem molecular empregando a técnica de docagem. Os estudos computacionais permitiram boa compreensão das interações intermoleculares, fornecendo as bases para um estudo detalhado das relações entre a estrutura e atividade destes compostos. Esse conjunto de informações será de grande utilidade nas etapas de planejamento de novas moléculas bioativas mais potentes e seletivas, candidatas a agentes quimioterápicos contra a esquistossomose. / Tropical diseases have been a target of constant research for several years. The search for new efficient treatments against these parasitic diseases has been stimulating the identification of new molecular targets and new drug candidates. Schistosomiasis is a chronic parasitic disease, which affects about 200 million people in the world, caused by a trematode worm of Schistosoma genus. In Brazil, Schistosoma mansoni is the only specie found. In this Master´s dissertation, the enzyme purine nucleoside phosphorylase (PNP, EC 2.4.2.1) from S. mansoni was selected as a molecular target for the identification and kinetic characterization, including potency, affinity and mechanism of action, of new inhibitors from two chemical classes. In addition, two complexes enzyme-inhibitor were characterized by X-ray diffraction, and were useful for molecular modeling studies employing the docking method. These provided important insights about the main intermolecular interactions responsible for the process of molecular recognition and enzyme inhibition. The information gathered in this work should be useful for future medicinal chemistry efforts in the design of new inhibitors of S. mansoni PNP having increased potency and affinity.

As doenças tropicais têm sido alvo de constantes pesquisas nos últimos anos, em diversos centros em todo o mundo. A procura por novos tratamentos eficazes contra estas desordens estimula a identificação de novos alvos moleculares. A esquistossomose é uma doença parasitária crônica, que afeta cerca de 200 milhões de indivíduos em todo o mundo, causada pelo platelminto trematodo do gênero Schistosoma. No Brasil, a única espécie encontrada é o Schistosoma mansoni. Neste trabalho de mestrado, a enzima purina nucleosídeo fosforilase (PNP, EC 2.4.2.1) do parasita Schistosoma mansoni foi selecionada como alvo molecular para a identificação de novos inibidores e sua caracterização cinética através de potência biológica, seletividade e mecanismo de ação. Adicionalmente, dois complexos cristalográficos foram obtidos na presença de inibidores potentes da PNP, tornando-se assim parâmetros para a modelagem molecular empregando a técnica de docagem. Os estudos computacionais permitiram boa compreensão das interações intermoleculares, fornecendo as bases para um estudo detalhado das relações entre a estrutura e atividade destes compostos. Esse conjunto de informações será de grande utilidade nas etapas de planejamento de novas moléculas bioativas mais potentes e seletivas, candidatas a agentes quimioterápicos contra a esquistossomose. / Tropical diseases have been a target of constant research for several years. The search for new efficient treatments against these parasitic diseases has been stimulating the identification of new molecular targets and new drug candidates. Schistosomiasis is a chronic parasitic disease, which affects about 200 million people in the world, caused by a trematode worm of Schistosoma genus. In Brazil, Schistosoma mansoni is the only specie found. In this Master´s dissertation, the enzyme purine nucleoside phosphorylase (PNP, EC 2.4.2.1) from S. mansoni was selected as a molecular target for the identification and kinetic characterization, including potency, affinity and mechanism of action, of new inhibitors from two chemical classes. In addition, two complexes enzyme-inhibitor were characterized by X-ray diffraction, and were useful for molecular modeling studies employing the docking method. These provided important insights about the main intermolecular interactions responsible for the process of molecular recognition and enzyme inhibition. The information gathered in this work should be useful for future medicinal chemistry efforts in the design of new inhibitors of S. mansoni PNP having increased potency and affinity.

As ferramentas computacionais de modelagem molecular e de QSAR estão integradas ao processo de planejamento de fármacos na busca inesgotável por novas moléculas bioativas de elevado interesse terapêutico. O trabalho em Química Medicinal realizado nesta dissertação de mestrado envolveu o estudo das relações entre a estrutura e atividade de inibidores da enzima purina nucleosídeo fosforilase (PNP) bovina e de Schistosoma mansoni. A potência de uma série de inibidores da PNP de S. mansoni foi determinada experimentalmente através da medida de valores de 1C50, empregando um ensaio cinético padronizado e validado. Conjuntos de dados padrões para inibidores da enzima PNP bovina e de S. mansoni foram organizados, contendo os dados de estrutura e atividade correspondentes. Estes conjuntos formaram a base científica para o desenvolvimento dos modelos preditivos de QSAR 2D, empregando o método holograma QSAR. Os modelos finais de HQSAR desenvolvidos possuem alta consistência interna e externa, apresentando bom poder preditivo. Estes modelos, em conjunto com as informações obtidas dos mapas de contribuição de HQSAR, são guias químico-medicinais importantes no planejamento de inibidores mais potentes e seletivos, candidatos a protótipos de novos fármacos na quimioterapia segura das doenças alvo deste trabalho / Computational tools for molecular modeling and QSAR are well-integrated into the drug design process in the search for new bioactive molecules of significant therapeutic interest. The Medicinal Chemistry work done in this dissertation involved structure-activity studies of inhibitors of bovine and Shistosoma mansoni purine nucleoside phosphorylase (PNP). The potency of a series of S. mansoni inhibitors was experimentally determined through measurements of IC50 values, employing a standard validated kinetic assay. Data sets for bovine and S. mansoni PNP were organized, encompassing the structural information and corresponding biological data. These data sets established the scientific basis for the development of the predictive QSAR models using the hologram QSAR method. The final HQSAR models generated possess both good internal and external consistency with good correlative and predictive power. These models and the information obtained from the HQSAR contribution maps should be useful in guiding future medicinal chemistry efforts designed to discover novel potent and selective inhibitors as drug candidates for the chemotherapy of the target diseases of this work

A malária é a doença tropical com maior taxa de mortalidade global. O surgimento de resistência às terapias de primeira linha reforça a necessidade do desenvolvimento de novos candidatos a fármacos. O objetivo deste trabalho foi a descoberta de inibidores e otimização da atividade destas moléculas como candidatos a compostos líderes para o desenvolvimento de novos agentes antimaláricos. Nesse sentido, realizamos a triagem da coleção Malaria Box e identificamos 11 moléculas de diferentes classes químicas como candidatos a inibidores da enzima enolase de Plasmodium falciparum (Pfeno). Em seguida, determinamos a potência inibitória contra a enzima alvo (IC50 entre 11 – >1.000 μM), atividade antiplasmodial in vitro contra a forma eritrocítica do parasito (EC503D7 entre 5,6–1.600 nM) e citotoxicidade (MCL50 > 19 μM) do subconjunto de 11 compostos do Malaria Box (1–11). Ensaios de combinação com o antimalárico artesunato e estágio de ação foram conduzidos para avaliar o potencial de associação e qual fase do ciclo eritrocítico seria mais suscetível as moléculas desse subconjunto. Os resultados obtidos indicam que alguns compostos apresentam caráter aditivo (2 e 9) ou antagônico (1, 3–8, 10 e 11) em relação ao artesunato e ação rápida (1–3, 5, 7, 9–11) ou lenta (4, 6 e 8) no desenvolvimento do parasita. Diante desses resultados, um conjunto de critérios estruturais e de atividade biológica foi estabelecido para a seleção de um candidato para estudos de relação estrutura-atividade (SAR). O derivado de hidrazinobenzimidazol (4) foi selecionado como hit inicial e 24 derivados (12–35) foram planejados, sintetizados e tiveram a atividade de inibição enzimática (IC50 entre 44 – >200 μM), atividade antiplasmodial contra cepas sensível (EC503D7 entre 0,19–14 μM) e resistente (EC50K1 entre 0,15–2,4 μM) e citotoxicidade (MCL50 > 3,7 μM) determinadas no primeiro ciclo de SAR. Os dados obtidos sugerem que a enzima Pfeno não é o alvo principal de ação dos derivados hidrazinobenzimidazol, contudo, a atividade antiplasmodial da série indicou razoável distribuição em termos de potência e variabilidade estrutural que permitiram a construção de um modelo HQSAR (q2= 0,64 e r2 = 0,93) adequado para o planejamento e predição da atividade inibitória de oito novos derivados hidrazinobenzimidazol (36–43). Os novos derivados foram sintetizados e tiveram sua atividade antiplasmodial (EC503D7 entre 0,10–2,3μM), citotoxicidade (MCL50 > 3 μM) e seletividade (SI > 5) determinadas. Os dados de validação prospectiva do modelo indicaram boa correlação entre a atividade real e predita para os novos derivados. Além disso, neste segundo ciclo de SAR foi descoberto o composto 41 como o mais potente (EC50 = 0,1 μM) e seletivo (SI > 2.000) da série investigada neste trabalho. Nossos resultados indicam que os derivados hidrazinobenzimidazol são moléculas atrativas para a descoberta de compostos líderes para o desenvolvimento de candidatos a fármacos antimaláricos. / Malaria is the tropical disease with the highest overall mortality rate. The emergence of resistance to first-line therapies reinforces the need for the development of new drug candidates. The main goal of this work was the discovery and optimization of these molecules as lead candidates for the development of new antimalarial agents. In this sense, we screened Malaria Box collection and identified 11 molecules from different chemical classes as inhibitor candidates of Plasmodium falciparum enolase enzyme (Pfeno). Then, we determined the inhibitory potency against the target enzyme (IC50 between 11 – >1.000 μM), in vitro antiplasmodial activity against the erythrocytic form of the parasite (EC503D7 between 5,6–1.600 nM) and cytotoxicity (MCL50 > 19 μM) of the 11 compounds subset from Malaria Box (1–11). Combination with artesunate and stage of action assays were conducted to evaluate the potential of association and which erythrocytic stage would be more susceptible to the molecules of this subset. The results obtained indicate that some compounds showed additive (2 and 9) or antagonistic (1, 3–8, 10 and 11) effect with artesunate and fast (1–3, 5, 7, 9–11) or slow (4, 6 and 8) acting on parasite development. In view of these, a set of structural and biological activity criteria was established for the selection of a candidate for structure-activity relationship (SAR) studies. The hydrazinobenzimidazole derivative (4) was selected as hit and 24 derivatives (12–35) were designed, synthesized and had the enzyme inhibitory activity (IC50 between 44 – >200 μM), antiplasmodial activity against sensitive strains (EC503D7 between 0,19–14 μM) and resistant (EC50K1 between 0,15–2,4 μM) and cytotoxicity (MCL50 > 3,7 μM) determined in the first round of SAR. The collected data suggest that Pfeno is not the main target of the hydrazinobenzimidazole derivatives. However, the antiplasmodial activity of the series indicated a reasonable distribution in terms of potency and structural variability which allowed us the development of a HQSAR model (q2 = 0,64 and r2 = 0,93) suitable for the design and prediction of the inhibitory activity of eight new hydrazinobenzimidazole derivatives (36-43). The new derivatives were synthesized and had the antiplasmodial activity (EC503D7 between 0,10–2,3μM), cytotoxicity (MCL50 > 3 μM) and selectivity (SI > 5) evaluated. The prospective validation of the HQSAR model indicated good correlation between the actual and predicted activity for the new derivatives. Moreover, in the second round of SAR, compound 41 was discovered as the most potent (EC50 = 0,1 μM) and selective (SI > 2,000) in these series. Our results indicate that the hydrazinobenzimidazole derivatives are attractive molecules for the discovery of new lead compounds for the development of antimalarial drug candidates.

Submitted by Etelvina Domingos (etelvina.domingos@ufpe.br) on 2015-03-10T19:13:06Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Diogo Rodrigo Magalhaes Moreira_Tese_De_DOutorado_em_Quimica.pdf: 5150507 bytes, checksum: ee304d7229f7bdcfabbb6c78af2af5d8 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-10T19:13:06Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Diogo Rodrigo Magalhaes Moreira_Tese_De_DOutorado_em_Quimica.pdf: 5150507 bytes, checksum: ee304d7229f7bdcfabbb6c78af2af5d8 (MD5) Previous issue date: 2012-07 / CNPq FACEPE INCT-Dengue / A doença de Chagas é uma infecção parasitária sistêmica causada pelo protozoário Trypanosoma cruzi. Em torno de 30–40 % dos pacientes infectados evoluem para a fase crônica sintomática, resultando em cardiomiopatias. O benznidazol é o único medicamento disponível para o tratamento durante a fase aguda e crônica assintomática, contudo não possui eficácia comprovada durante a fase crônica sintomática. O desenvolvimento de novos fármacos úteis no tratamento da doença de Chagas é necessário. Diante do exposto, realizamos o planejamento estrutural e a síntese de inéditas 2-iminotiazolidina-4-onas (43a–t) e seus análogos estruturais 2-imino-1,3-tiazóis (44a–t) com o intuito de identificar compostos tripanocidas. As 2-iminotiazolidina-4-onas (43a–t) foram planejadas na tentativa de observar um aumento nas propriedades tripanocidas de compostos com substituíntes localizados nas posições N3 e C5 do anel tiazolidínico e compreender a relação estrutura versus atividade anti-T. cruzi. Já a construção da série de 2-imino-1,3-tiazóis (44a–t) teve como fundamento investigar o efeito na atividade tripanocida da troca bioisostérica do anel tiazolidínico pelo tiazólico. As 2-iminotiazolidina-4-onas (43a–t), em particular os derivados com uma fenila em N3 (43k–q), apresentaram propriedades inibitórias na atividade catalítica da cruzaína, enquanto que os seus análogos 2-imino- 1,3-tiazóis (44a–t) foram destituídos de tais propriedades. Com a triagem, in vitro, das propriedades tripanocidas dos compostos (43a–t) e (44a–t) em cultura axênica, foi possível identificar a 2-iminotiazolidina-4-ona (43n) e o 2-imino-1,3-tiazol (44j) como compostos tripanocidas tão potentes quanto o benznidazol em inibir a proliferação de epimastigotas e a viabilidade celular de tripomastigotas da cepa Y, com a vantagem de serem destituídos de toxicidade em esplenócitos na concentração de 100 μg/mL (262 μM). Estes compostos foram capazes de reduzir a infecção e a e invasão, in vitro, de tripomastigotas em macrófagos com potência similar ao observado com o benznidazol. O composto (43n), por via oral na dose de 250 μmol/kg, foi eficaz em reduzir a parasitemia sanguínea em um modelo de infecção aguda pelo T. cruzi. Contudo, com eficácia inferior que o tratamento com o benznidazol na mesma dose; denotando assim a necessidade de otimização de suas propriedades tripanocidas. Para alcançar tais objetivos, as 2-iminotiazolidina-4-onas (43a–t) foram quimicamente reestruturadas, culminando assim com o planejamento e síntese das 2-iminotiazolidina-4-onas (58a–j). A triagem, in vitro, das propriedades tripanocidas das 2-iminotiazolidina-4-onas (58a–j) permitiu identificar as principais relações estrutura versus atividade anti-T. cruzi destes compostos, bem como permitiu identificar os compostos (58f) e (58i) como agentes tripanocidas, in vitro, tão potentes quanto o benznidazol. Em especial, o composto (58f) demonstrou propriedade inibitória na atividade catalítica da cruzaína e apresentou eficácia superior ao seu protótipo (43n) em reduzir a infecção pelo T. cruzi tanto em modelos in vitro como in vivo. O composto (58f) apresentou uma vantagem em relação ao seu protótipo (43n), pois este apresentou eficácia similar ao benznidazol em reduzir a parasitemia sanguínea. A estratégia empregada na construção da série (58a–j) logrou sucesso na identificação de compostos co

A malária, doença causada pelo protozoário do gênero Plasmodium, está entre as doenças que mais causam mortes os países subdesenvolvidosn. O hospedeiro é infectado por meio da picada do mosquito do gênero Anopheles, que introduz o parasita durante a hematofagia. As formas mais graves são causadas pelo Plasmodium vivax e o Plasmodium falciparum. As regiões mais afetadas por estas formas são África Subsaariana, Ásia, América Central e Sul. Desde o começo do século XXI, a Organização Mundial de Saúde (OMS) busca erradicar a doença, porém o P.falciparum se mostrou resistente aos fármacos antimaláricos existentes, dificultando a eficácia do tratamento. Isto, entre outros fatores, como mortalidade e alto índice de infecção, tornam necessárias novas pesquisas para a descoberta de novos fármacos mais seguros e eficazes contra a malária. Estudos têm mostrado como um alvo promissor para a criação de novos antimaláricos, a cisteína protease falcipaína, a qual se apresenta em três isoformas no parasita, sendo elas, falcipaína 1, 2 e 3. A falcipaína 2 está ligada com a hidrólise da hemoglobina, e seus inibidores vem sendo estudados como alternativas na busca de agentes antimaláricos. Derivados de semicarbazona, tais como o nitrofural e o hidroximetilnitrofural demonstraram atividade inibitória de cisteíno proteases parasitárias. Utilizando estratégias modernas de planejamento de fármacos e por meio da integração entre técnicas computacionais e experimentais, realizou-se o planejamento, síntese e avaliação biológica de compostos derivados dos ditiocarbazatos e tiossemicarbazonas, bioisosteros de semicarbazona, como inibidores da cisteíno protease falcipaína 2, no intuito de obter novos antimaláricos. Aplicaram-se técnicas de modelagem molecular em três séries de compostos (A, B e C), sendo a A e B derivados dos ditiocarbazatos e a C das tiossemicarbazonas. Estes estudos sugerem, três compostos da série A, quatro na série B e três na C com maior potencial para inibição da falcipaína 2. Isso devido aos resultados teóricos indicarem condições favoráveis ao ataque nucleofílico da cisteína 42 catalítica da falcipaína 2 às tiocarbonilass presentes nos compostos planejados. Estes derivados foram sintetizados, analisados por espectroscopia de ressonância magnética de 1H e 13C, espectroscopia de IV, ponto de fusão e pureza caracterizando sua formação. Após a obtenção, os compostos foram enviados para ensaios biológicos frente ao parasita P. falciparum. Os compostos testados não apresentaram inibição, porém é sabido que muitos inibidores enzimáticos não são ativos contra o parasita mesmo tendo alta potência contra a enzima, isto devido às barreiras a serem ultrapassadas até chegar ao alvo bioquímico, deste modo faz-se necessário ensaios contra a enzima para validar nossa hipótese. / Malaria, a disease caused by the protozoan of the genus Plasmodium, is among the most deadly diseases in poor countries. The host is infected through the bite of the mosquito of the genus ,i>Anopheles, which introduces the parasite during hematophagy. The most severe forms are caused by Plasmodium vivax and Plasmodium falciparum. The regions most affected by these forms are Sub-Saharan Africa, Asia, Central and South America. Since the beginning of the 21st century, the World Health Organization (WHO) has sought to eradicate the disease, but P. falciparum has been resistant to antimalarial drugs treatment. Among other factors, such as mortality and high infection rates, new research is needed to find new, safer and more effective drugs against malaria. Studies have shown as a promising target for the creation of new antimalarial drugs, the cysteine protease falcipain, which is present in three isoforms in the parasite: falcipain 1, 2 and 3. Falcipain 2 is linked to the hydrolysis of hemoglobin, and its inhibitors have been studied as alternatives in the search for antimalarial agents. Derivatives of semicarbazone such as nitrofural and hydroxymethylnitrofural demonstrated inhibitory activity of parasitic cysteine proteases. Using modern strategies for drug design and the integration of computational and experimental techniques, the design, synthesis and biological evaluation of compounds derived from dithiocarbazates and thiossemicarbazones, semicarbazone biosynthesis as inhibitors of cysteine protease falcipain 2 were carried out in order to new antimalarials. Molecular modeling studies were performed in three series of compounds (A, B and C), with A and B being derived from dithiocarbazates and C from thiossemicarbazones. These studies suggest three compounds in the A series, four in the B series, and three in the C group with the greatest potential for inhibition of falcipain 2. This is due to the theoretical results indicating favorable conditions for the nucleophilic attack of the catalytic cysteine of falcipain 2 on thionyls present in the compounds planned. These derivatives were synthesized, analyzed by 1H and 13C magnetic resonance spectroscopy, IR spectroscopy and melting point, characterizing their formation. After being obtained, the compounds were sent for biological assays against the P. falciparum parasite. The compounds tested did not show inhibition, but it is known that many enzyme inhibitors are not active against the parasite even though they have high potency against the enzyme, this is due to the barriers to be overcome until reaching the biochemical target, thus enzyme to validate our hypothesis.

O câncer é a segunda maior causa de mortes no mundo, sendo os tumores de mama os mais prevalentes e letais entre as mulheres. Apesar de vasta quimioterapia disponível, os tratamentos apresentam problemas como alta toxicidade e resistência. Dentre os tumores de mama, o subtipo triplo negativo (TNBC) apresenta o pior prognóstico e a maior limitação de tratamentos. O presente trabalho de doutorado visa o desenvolvimento de novos candidatos para tratamento de tumores de mama triplo-negativos. Fármacos que têm como alvo a proteína tubulina estão entre as terapias anticâncer mais bem-sucedidas e representam a primeira linha de tratamento para tumores do tipo TNBC. Neste contexto, foram desenvolvidas acridinonas que inibem a polimerização da tubulina e são capazes de impedir os principais mecanismos de resistência aos fármacos desta classe. O composto líder não interage com a bomba de efluxo glicoproteína-P, além de ser igualmente potente contra a linhagem celular superexpressando a tubulina βIII, uma isoforma clinicamente relevante. O mecanismo de ação revelou a interação desses compostos com o sítio da colchicina da proteína alvo. Os compostos apresentaram valores de IC50 entre 10 e 12.000 nM contra a linhagem tumoral TNBC MDA-MB-231. Em contrapartida, não foi observada citotoxicidade na linhagem normal de fibroblastos humanos (HFF1). Ensaios de imunofluorescência reforçaram a ação seletiva dos compostos, mostrando que os mesmos perturbaram a rede de microtúbulos nas células MDA-MB-231, mas não nas células HFF1. As substâncias também inibiram a migração celular e a angiogênese in vitro. Os enantiômeros do composto líder foram separados, levando a identificação de um eutômero 10 vezes mais potente contra as células tumorais e 2 vezes mais potente contra a tubulina quando comparado com a mistura racêmica. Um candidato a fármaco, eficaz e seguro, deve apresentar um balanço favorável entre a sua potência e seus parâmetros farmacocinéticos. Dessa forma, o metabolismo e a farmacocinética das acridinonas bioativas foram investigados. Em geral, os compostos foram metabolicamente estáveis, mas requerem otimização da solubilidade e permeabilidade para o desenvolvimento de fármacos administrados por via oral. A avaliação do composto líder revelou propriedades promissoras que justificam a sua consideração em modelos pré-clínicos de prova de conceito. O objetivo é a geração de candidatos a novos fármacos moduladores da tubulina com ação anticâncer. / Cancer is the second most common cause of death globally, being the breast tumors the leading cause of death in women. The number of anticancer medicines grows yearly but still exhibits problems such as high toxicity and resistance. The breast cancer has a number of subtypes and the one presenting the poorest prognosis and biggest therapeutic limitation is called triple negative breast cancer (TNBC). This PhD work aims to develop new small molecules as candidates to the treatment of the triple negative breast cancer. Drugs that target the protein tubulin are among the most successful anticancer therapies and represent the first line treatment to TNBC tumors. In this context, we developed a series of acridinones as tubulin inhibitors that can circumvent common resistance mechanisms to tubulin modulators. The lead compound did not interact with the P-glycoprotein and presented same effectiveness against cell lines overexpressing a clinically relevant tubulin isotype (βIII). In this work, we determined the mechanism of action of these compounds, that bind to the colchicine site in the tubulin. The compounds presented IC50 cytotoxicity values between 10 – 12000 nM against the TNBC cell line MDA-MB-231, with no cytotoxicity against a normal fibroblast cell line (HFF1). Immunofluorescence studies reinforced the compounds selectivity showing they disrupted the microtubules network on MDA-MB-231 cells but not on the HFF1 ones. The substances also inhibited cell migration and angiogenesis in vitro. The enantiomers of the lead compound were purified, and we identified an eutomer 10-fold more potent against the tumor cells and 2-fold more potent against the tubulin when compared to the racemic mixture. The metabolism and pharmacokinetics of the compounds were also studied aiming the development of agents with a favourable balance between potency and pharmacokinetic parameters, essential feature of an effective and safe drug. In general, the compounds were metabolically stable but need an improvement in the solubility and permeability properties to be developed as oral drugs. In summary, the lead compound presents promising properties to be assessed in preclinical proof of concept studies for further development as next-generation antitubulin drugs.

A proteína hnRNP K é conhecida por seu papel nos múltiplos processos que compõe a expressão gênica, incluindo funções nos estágios de splicing, transcrição e tradução, desempenhadas, principalmente, através da ligação de seus domínios KH a nucleotídeos. A ativação inadequada da hnRNP K tem relação direta com a gênese de alguns tipos de câncer, sobretudo de cabeça e pescoço, mama e colo-retal, evidenciando a mesma como um atrativo alvo molecular para o desenvolvimento de novos fármacos antineoplásicos. Com o auxílio de técnicas in silico, foram identificados dois compostos orgânicos, um derivado de benzimidazol e outro derivado de fenilbenzamida, capazes de impedir a ligação da proteína hnRNP K a oligonucleotídeos in vitro. Aliando as técnicas de docking, campos de interação e dinâmica molecular foi possível sugerir que tais compostos apresentam características estruturais que permitem a realização de interações na fenda de ligação do domínio KH3, principalmente com os resíduos R40 e R59, os quais são considerados chaves no reconhecimento molecular de nucleotídeos. Os derivados de benzimidazol e fenilbenzamida constituem novos compostos de partida na busca de novos antineoplásicos que tem como alvo a proteína hnRNP K. Do ponto de vista de metabolismo e toxicidade, o derivado de fenilbenzamida parece ser mais promissor quando se investiga uma molécula para aplicação terapêutica, uma vez que gerou poucos alertas críticos de toxicidade, ao contrario do derivado de benzimidazol, que apresenta maior potencial genotóxico. Apesar de se ligarem aos domínios KH da hnRNP K e impedir sua complexação a nucelotídeos, ensaios com culturas de células mostraram apenas tênue atividade antitumoral para tais compostos, com maior redução de viabilidade celular, ao redor de 18% a 8,4 M, exibida pelo derivado de fenilbenzamida. Seguindo o princípio do análogo ativo, simulações de triagem virtual na busca de análogos dos ligantes da hnRNP K revelaram 21 novos derivados de benzimidazol ou fenilbenzamida na base de dados EXPRESS-Pick, dos quais 5 foram testados in vitro com a proteína e 3 novos ligantes identificados. Com o intuito de otimizar tais derivados, foram sugeridos in silico substituintes (potenciais bioisósteros) para os anéis dioxopirrolidínicos dos ligantes já identificados, guiando, assim, a futura síntese de novas substâncias com potencial atividade antitumoral. Além disso, o trabalho foi complementado através da proposição de síntese de novos derivados benzoxazepínicos acoplados a purinas, os quais também tem aplicação como antineoplásicos, entretanto por mecanismos que não envolvem a hnRNP K. A grande limitação desses derivados é a presença de um grupo nitro aromático, o qual é reconhecido por sua toxicidade pronunciada. Com o intuito de otimizar tais derivados, foram sugeridos in silico potenciais bioisósteros capazes de substituir o grupo nitro e guiar a síntese e novos derivados com atividade antitumoral e toxicidade reduzida. / hnRNP K protein is known for its role in the multiple processes that compose gene expression, including functions during splicing, transcription and translation, developed, mainly, by the binding of nucleotides to KH domains. Inadequate activation of hnRNP K induces the development of some types of cancer, including head and neck, breast and colorectal. In this way, hnRNP K is an attractive molecular target for antineoplastic drug design. Using in silico strategies, we have identified two organic compounds, a benzimidazole and a phenylbenzamide derivatives, able to prevent the natural binding of nucleotides to hnRNP K in vitro. Applying docking, molecular interaction fields and molecular dynamics simulations it was possible to propose that such compounds present structural characteristics capable to support intermolecular interactions inside KH3 domain binding cleft, mainly with R40 and R59 residues, which are extremely important during molecular recognition of nucleotides by hnRNP K. The benzimidazole and phenylbenzamide derivatives identified are novel lead compounds that can guide the design of new antineoplastic drugs targeting hnRNP K. Considering metabolic and toxicity predictions, the phenylbenzamide seems to be more promising than the benzimidazole derivative as a drug, once the benzimidazole presents genotoxic potential. Although both derivatives prevent the binding of nucleotides to hnRNP K, biological assays with tongue cancer cell lines revealed only a mild antitumoral activity for such compounds. Higher level of cell viability reduction, 18% at 8.4 M, was observed for the phenylbenzamide derivative. Following the similarity principle, virtual screening simulations were made intending to find novel benzimidazole and phenylbenzamide derivatives inside EXPRESS-Pick database. The search revealed 21 compounds, 5 of which were tested in vitro with hnRNP K, where 3 of them were active. Intending to optimize benzimidazole and phenylbenzamide derivatives in order to design more potent chemical entities, we have suggested in silico substituents as potential bioisosteric groups of the dioxopyrrolidine rings of hnRNP K ligands, guiding the future synthesis of novel compounds with enhanced antitumoral activity. Moreover, complementary work proposition was performed through the synthesis of benzoxazepin-purines, which also present antitumoral activity but not through hnRNP K pathway. The major limitation of such derivatives is the presence of a nitro aromatic group, which can be very toxic. 20 potential bioisosteric groups were proposed as fragment candidates to replace the nitro one in order to design novel antitumoral derivatives with reduced toxic potential.