Proteínas e peptídeos ricos em glicina são encontrados em animais e plantas. Alguns apresentam atividade antimicrobiana. Como pouco se sabe sobre suas síntese, estrutura, relação estrutura-atividade e mecanismo de ação, tais tópicos foram estudados para os antimicrobianos cheferina I (Chef I) e/ou fragmentos da acantoscurrina (acanto). No que se refere à Chef I (67,9% de Gly, 28,6% de His, seis repetições do motivo GGH e uma Tyr), sintetizamos, purificamos, caracterizamos e testamos Chef I, os seus análogos truncados na(s) porção(ções) N- ou/e C-terminal (is) e os análogos amidados Chef la, Chef I (3-28)a e Chef I (6-28)a. Os três últimos e Chef I foram igualmente ativos frente a cepas de C. albicans (MIC: 12,5 µM), mas não frente a cepas de C. tropicalis e S. cerevisiae. A amidação tornou o análogo Chef I (3-28)a mais ativo frente a tais cepas. Enquanto as atividades antifúngicas de Chef la e de seus análogos foram reduzidas pelo aumento da força iônica, elas foram aumentadas em presença de ZnCl2 5-10 µM. A 62,5 µM a Chef la foi letal para C. albicans MDM8. Ela foi pouco hemolítica em tampão fosfato contendo NaCl ou em tampão glicose fosfato isotônico (100 µM: 18%). Análises por microscopia confocal e citometria de fluxo revelaram que Chef la marcada com carboxifluoresceína (FAM-Chef la) foi rapidamente internalizada nas células de C. albicans MDM8, um processo que não foi afetado pela força iônica do meio e se mostrou dependente de ATP e temperatura. Quanto aos fragmentos da acanto (proteína com 132 aminoácidos, 73% de Gly e 3 repetições de uma seqüência de 26 aminoácidos), estudamos a síntese em fase sólida dos fragmentos N- e C-terminais, acanto (1-22) e acanto (101-132) , respectivamente, e da porção repetitiva, acanto (23-48). Apesar de uma predição teórica não ter indicado alto potencial de agregação para a acanto, as sínteses foram problemáticas: a ocorrência de aminoacilações incompletas repetitivas a 60° C usando diferentes estratégias, resinas, reagentes acopladores, solventes e sais caotrópicos sugeriram a ocorrência de agregação das cadeias peptídicas em crescimento sobre as resinas O uso da resina CLEAR amida permitiu a obtenção do acanto (113-132). Tentativa de síntese convergente em fase sólida não foi bem sucedida. Espectros Raman das peptidil-resinas obtidas confirmaram a presença de estruturas em folha β pregueada. Somente o uso combinado de resina CLEAR amida, 60°C, 20% DMSO/NMP, Fmoc-(Fmoc-Hmb)Gly-OH e LiCI permitiram a síntese total de acanto (101-132) . O uso da resina CLEAR ácida permitiu a síntese do fragmento acanto (23-48) e acanto (10-22) , esta última durante a tentativa de síntese do acanto (1-22) . Os rendimentos foram baixissimos e os espectros Raman das peptidil-resinas correspondentes também indicaram a formação de folhas β pregueadas. Estes resultados indicaram que Chef I (3-28)a mimetiza Chef I, que Chef la é um fungicida potente com alvo intracelular, que a internalização do seu análogo marcado na célula de levedura ocorra via endocitose, que a Chef la tem potencial para agir como uma droga de uso tópico e que os fragmentos de acanto são \"difficult sequences\" típicas. / Proteins and peptides with high content of glycine have been found in animais and plants. Some of them display antimicrobial activity. As little is known about their chemical synthesis, structure, structure-activity relationship and mode of action, we studied such topics using shepherin I (Shep I) and fragments of acanthoscurrin (acantho) as targets. Concerning to Shep I (67.9% of Gly, 28.6% of His, six direct repeats of the motif GGH and one Tyr), we synthesized, purified, characterized and tested Shep I, its analogues truncated at the N- and/or C-terminal portions and the amidated analogues Shep la, Shep I (3-28)a and Shep I (6-28)a. The last three analogues and Shep I were equally active against C. albicans (MIC: 12.5 µM) strains, but not against C. tropicalis and S. cerevisiae strains. Cterminal amidation made Shef I (3-28)a more active against those fungai strains. Anticandidal activities of Shep la and truncated analogues were inhibited in high ionic strength solutions, but enhanced at 10 µM ZnCI (2 to 8-fold). At 62.5 µM (5 MIC), Shep la killed C. albicans MDM8 in 30 mino It caused low hemolysis in phosphate buffered saline and isotonic glucose phosphate buffer (100 µM: 18%). Confocal microscopy and flow cytometry analyses revealed that Shep I modified with carboxyfluorescein (FAM-Shep la) was rapidly internalized into C. albicans MDM8 cells, process not affected by ionic strength and showed to be energy and temperature-dependent. As to the fragments of acantho (a protein with 132 amino acids, 73% of Gly, and three repeats of 26 amino acids), we studied solid-phase syntheses of the N- and C-terminal portions, acantho (1-22) and acantho (101-132), respectively, and of the repetitive portion, acantho (23-48). A theoretical prediction did not indicate high aggregation potential for acantho, but solid-phase syntheses were troublesome: repetitive incomplete aminoacylations took place even at 60°C using different strategies, resins, coupling reagents, solvents and chaotropic salts, suggesting aggregation of the growing peptide chains. Change to CLEAR amide resin allowed obtaining acantho (113-132) . Attempt using convergent solid phase synthesis was not successful. Raman spectra of the growingpeptidyl-resins revealed pleated β-sheet structures. Only the combination of CLEAR amide resin, 60°C, 20% DMSO/NMP, Fmoc-(Fmoc-Hmb)Gly-OH and LiCl allowed the total synthesis of acantho (101-132). The use of CLEAR acid resin also allowed obtaining the fragments acantho (23-48) and acantho (10-22), the last one during the attempt of the synthesis of acantho (1-22). The synthesis yields were extremely low and, again, the Raman spectra of the growing peptide-resins indicated the occurrence of pleated β-sheet structures. Altogether, the results indicated that Shep l (3-28)a mimics the fungicidal activity of Shep l, Shep la is a potent anticandidacidal peptide that has an intracellular target, FAM Shep la may be internalized into the fungai cells via endocytosis, Shep la has the potential to act as a drug for topical use and acantho fragments are typical difficult sequences.

Pesquisas na área de Química Medicinal têm direcionado esforços na busca por métodos que acelerem o processo de descoberta de novos medicamentos. Dentre as diversas etapas relacionadas ao longo do processo de descoberta de substâncias bioativas está a análise das relações entre a estrutura química e a atividade biológica de compostos. Neste processo, os pesquisadores da área de Química Medicinal analisam conjuntos de dados que são caracterizados pela alta dimensionalidade e baixo número de observações. Dentro desse contexto, o presente trabalho apresenta uma abordagem computacional que visa contribuir para a análise de dados químicos e, consequentemente, a descoberta de novos medicamentos para o tratamento de doenças crônicas. As abordagens de análise exploratória de dados, utilizadas neste trabalho, combinam técnicas de redução de dimensionalidade e de agrupamento para detecção de estruturas naturais que reflitam a atividade biológica dos compostos analisados. Dentre as diversas técnicas existentes para a redução de dimensionalidade, são discutidas o escore de Fisher, a análise de componentes principais e a análise de componentes principais esparsas. Quanto aos algoritmos de aprendizado, são avaliados o k-médias, fuzzy c-médias e modelo de misturas ICA aperfeiçoado. No desenvolvimento deste trabalho foram utilizados quatro conjuntos de dados, contendo informações de substâncias bioativas, sendo que dois conjuntos foram relacionados ao tratamento da diabetes mellitus e da síndrome metabólica, o terceiro conjunto relacionado a doenças cardiovasculares e o último conjunto apresenta substâncias que podem ser utilizadas no tratamento do câncer. Nos experimentos realizados, os resultados alcançados sugerem a utilização das técnicas de redução de dimensionalidade juntamente com os algoritmos não supervisionados para a tarefa de agrupamento dos dados químicos, uma vez que nesses experimentos foi possível descrever níveis de atividade biológica dos compostos estudados. Portanto, é possível concluir que as técnicas de redução de dimensionalidade e de agrupamento podem possivelmente ser utilizadas como guias no processo de descoberta e desenvolvimento de novos compostos na área de Química Medicinal. / Researches in Medicinal Chemistry\'s area have focused on the search of methods that accelerate the process of drug discovery. Among several steps related to the process of discovery of bioactive substances there is the analysis of the relationships between chemical structure and biological activity of compounds. In this process, researchers of medicinal chemistry analyze data sets that are characterized by high dimensionality and small number of observations. Within this context, this work presents a computational approach that aims to contribute to the analysis of chemical data and, consequently, the discovery of new drugs for the treatment of chronic diseases. Approaches used in exploratory data analysis, employed in this work, combine techniques of dimensionality reduction and clustering for detecting natural structures that reflect the biological activity of the analyzed compounds. Among several existing techniques for dimensionality reduction, we have focused the Fisher\'s score, principal component analysis and sparse principal component analysis. For the clustering procedure, this study evaluated k-means, fuzzy c-means and enhanced ICA mixture model. In order to perform experiments, we used four data sets, containing information of bioactive substances. Two sets are related to the treatment of diabetes mellitus and metabolic syndrome, the third set is related to cardiovascular disease and the latter set has substances that can be used in cancer treatment. In the experiments, the obtained results suggest the use of dimensionality reduction techniques along with clustering algorithms for the task of clustering chemical data, since from these experiments, it was possible to describe different levels of biological activity of the studied compounds. Therefore, we conclude that the techniques of dimensionality reduction and clustering can be used as guides in the process of discovery and development of new compounds in the field of Medicinal Chemistry

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

O desenvolvimento de radioligantes para o sistema nervoso central (SNC) com características radiotraçadoras que justifiquem seu uso em diagnóstico por geração de imagens é esperado pela comunidade médica nuclear. Os benzodiazepínicos flumazenil-11C e iomazenil-123I são utilizados, com limitações, para investigações clínicas de densidade de sítios receptores benzodiazepínicos no cérebro em patologias como Alzheimer, epilepsia e depressão, entre outras. No Brasil, entretanto, estes traçadores ainda não estão disponíveis para uso clínico. Neste sentido, os flavonóides têm despertado interesses como perspectiva de nova classe de compostos com atividade no SNC podendo originar radiotraçadores com perspectivas para aplicação em imageamento cerebral. Baseado no exposto, a proposta deste estudo envolve o planejamento, a síntese e a marcação com radioiodo (131I e 123I) de flavona e análogos, o controle de qualidade radioquímico, os estudos de biodistribuição e o imageamento, para a avaliação do perfil de captação desses compostos e potencial aplicação em estudos cerebrais, frente a sítios receptores benzodiazepínicos. Os compostos estudados neste trabalho foram obtidos empregando-se a transformação de Baker-Venkataraman. A flavona e análogos foram identificados através de espectros de RMN-1H, RMN-13C e IV. O grau de pureza das substâncias obtidas foi confirmado através da medição da faixa de fusão. Os compostos radiomarcados foram obtidos com alta pureza radioquímica por substituição eletrofílica aromática direta. Esta marcação propiciou estabilidade in vitro após 24 horas e, para a flavona radiomarcada estabilidade in vivo, uma vez que a tireóide não apresentou captação significativa em tempos menores que 1 hora e excreção favorável no tempo de 24 horas. Os estudos de biodistribuição foram realizados em camundongos Swiss, verificando-se alta concentração de flavona-iodo-131 no cérebro, principalmente até 30 minutos após a injeção intravenosa e eliminação favorável após 24 horas de estudo. As imagens cerebrais foram realizadas em coelho New Zeland e em ratos Wistar adquiridas em gama câmara analógica sugerindo que a captação desse ligante no cérebro em tempos curtos, até 30 minutos, viabiliza a aquisição de imagens cintilográficas. Adicionalmente, foram desenvolvidos estudos de modelagem molecular da flavona e da flavona radiomarcada, utilizando-se mecânica quântica AM1 semi-empírico, corroborando a reatividade química desse composto frente à marcação com radioiodo por substituição eletrofílica, processo controlado predominantemente por interações eletrostáticas. Foram calculados os valores individuais de cargas para cada carbono da estrutura da flavona, incluindo cargas de Mulliken, Natural e Eletrostática, e foram gerados os mapas topográficos de distribuição de cargas de ambas as moléculas, evidenciando que as posições 6 e 8, na molécula de flavona, são as mais prováveis para a substituição por radioiodo. / The development of radioligands for the Central Nervous System (CNS) with adequate radiotracer characteristics for the use in imaging diagnostic has been long expected by the medical community. Benzodiazepines flumazenil-11C and iomazenil-123I are employed with limitations in clinical investigations of the density of receptor sites in the brain in pathologies such as Alzheimer, epilepsy, and depression. Nevertheless, in Brazil these radiotracers are not available in market, yet. In this respect, flavonoids has drawing attention as a perspective of a new class of compounds wit CNS activity and potential of originating radiotracers to be employed in brain imaging. Therefore, the goal of this work consisted in the planning, synthesis, and labeling with radioiodine (131I and 123I) of flavone and analogs, as well as to perform radiochemical quality control, biodistribuction, and imaging studies of the radiotracers obtained in order to evaluate the uptake profile and potential for use in cerebral studies of benzodiazepinic receptors sites. To obtain the compounds, we utilized the Baker-Venkataraman transformation, and NMR-1H, NMR-13C, and IR spectroscopy were employed for identification of the molecules. The purity of the compounds obtained was assessed by means of melting point determinations. The radiolabeled compounds were obtained by aromatic electrophilic substitution with a high degree of radiochemical purity. The labeling allowed in vitro stability after 24 hours and in vivo stability of the radiolabeled flavone, provided that the thyroid did not presented significant uptake in less than one hour and favorable excretion in 24 hours. Biodistribution studies were carried out employing Swiss mice. The results indicated high concentrations of flavone-I131 in the brain, especially in the first 30 minutes after intravenous injection, as well as favorable elimination after 24 hours. Brain images were obtained from New Zeland rabbit and Wistar rats in analogical gamma camera, suggesting that short-time brain uptake of the radioligand (up to 30 minutes) allows the acquisition of cynthilographic images. Additionally, molecular modeling studies of the flavone were performed employing the semi-empiric method of AM1. The results corroborate the chemical reactivity of the compound for labeling with radioiodine by aromatic electrophilic substitution, process that is governed mainly by electrostatic interactions. The individual values of Mulliken, Natural, and Electrostatic charges of each carbon atom in flavone structure were calculated and topographic maps of charge distribution were then generated. The analysis of the maps indicates that positions 6 and 8 in the flavone molecule are most likely to present the radioiodine substitution.

A introdução de um grupo substituinte na molécula de um fármaco promove alterações químico-estruturais que, por sua vez, modificam suas propriedades físicoquímicas. O arranjo espacial de átomos ou grupos de átomos, em especial grupos funcionais, na molécula de um fármaco, expressos por meio de suas propriedades físico-químicas, influenciam direta ou indiretamente na interação fármaco-receptor. Esta, por sua vez, determina aspectos farmacológicos e farmacocinéticos que influem na eficácia terapêutica do medicamento. Assim, uma série de compostos 2-[5-nitro-tiofen-2-il]-3-acetil-5-[4-fenil-substituído]-2,3-diidro-1,3,4-oxadiazolínicos foi planejada e os análogos foram sintetizados, identificados estruturalmente e avaliados in vitro quanto a atividade antimicrobiana frente a Staphylococcus aureus (cepa ATCC 25923), expressa pela determinação da concentração inibitória mínima. Cepas desta bactéria são comuns em infecções hospitalares e frequentemente apresentam caráter de multi-resistência, portanto, alternativas aos fármacos comumente empregados na terapia antibacteriana, especialmente em infecções multi-resitentes, são alvo de estudos e desenvolvimento. Relações entre mudanças estruturais de 2-[5-nitro-tiofen-2-il]-3-acetil-5-[4- fenil-substituído]-2,3-diidro-1,3,4-oxadiazolinas e suas respectivas concentrações inibitórias mínimas podem fornecer informações sobre a influência de propriedades físico-químicas na ação antibacteriana destes compostos, informações estas que podem contribuir para o entendimento das relações entre a estrutura química e a atividade biológica desta classe de compostos, visando a identificação qualitativa e quantitativa das propriedades físico-químicas que influenciam no perfil farmacológico desta classe de compostos. Os grupos substituintes introduzidos nos derivados de 2,3-diidro-1,3,4-oxadizolinas-2,3,5-substituídas contribuem para alterações em suas propriedades físico-químicas, sendo representadas por parâmetros físico-químicos que descrevem a natureza e intensidade da alteração observada. O presente trabalho objetivou identificar, partindo das propriedades físico-químicas, fatores da estrutura química que favoreçam a atividade antimicrobiana dos compostos estudados. A atividade antimicrobiana, expressa pela concentração inibitória mínima, foi determinada pelo procedimento de microdiluição sucessiva, no qual diferentes concentrações de composto a ser analisado foram incubadas em presença de inóculo de Staphylococcus aureus, em meio de cultura líquido. As microdiluições originam concentrações decrescentes a fim de se determinar a menor concentração do composto testado onde o crescimento microbiano foi inibido. Foram realizadas comparações entre as concentrações inibitórias mínimas dos compostos analisados e destas com parâmetros estruturais que representam as propriedades físico-químicas dos compostos. Baseado nas análises comparativas, identificou-se tendências que evidenciam a preponderância de propriedades físicoquímicas sobre a atividade antimicrobiana desempenhada. Constatou-se que a hidrofobicidade influi significativamente na atividade antimicrobiana. Observou-se também que o efeito eletrônico por indução e o volume do grupo substituinte em posição para-fenila também influenciam a ação antimicrobiana, mas estas ainda não foram conclusivas, carecendo de estudos mais aprofundados que levem à compreensão dos fatores estruturais que mais influenciam a ação antimicrobiana de 2-[5-nitro-tiofen-2-il]-3-acetil-5-[4-fenilsubstituído]- 2,3-diidro-1,3,4-oxadiazolinas, de forma a fundamentar o planejamento de futuros candidatos a fármacos antimicrobianos a partir desta classe de compostos. / The introduction of a substitute group within a drug molecule promotes chemical-structure shifts, which by consequence, alters its physical-chemical properties. The atomic special design, particularly the one related to functional groups, assumed in a drug molecule, expressed by the physical-chemical properties, interferers directly or indirectly on drug-receptor interaction. Theses effects collaborate to pharmacologic and pharmacokinetics aspects of drugs, interfering with its therapeutic efficient. Therefore, a set of 2-[5-nitro-thiophen-2-yl]-3-acetyl-5-[4- substitued-phenyl]-3,4-dihydro-1,3,4-oxadiazolines compounds was designed and its analogs synthesized, structurally identified, and in vitro assayed due to its antimicrobial activity against ATCC 25923 Staphylococcus aureus strains, through the determination of minimum inhibitory concentration. Strains of such bacterial species are commonly present within hospital infections, and frequently appear as multi-resistant variant. Consequently, alternatives to the agents usually applied in antimicrobial chemotherapy, particularly to multi-resistant infections, are target for drug research and development. Relations among structural shifts on 2-[5-nitro-thiophen-2-yl]-3-acetyl-5-[4-substitued-phenyl]-3,4-dihydro-1,3,4-oxadiazolines compounds and its respective minimum inhibitory concentration may lead to information about the influence of physical-chemical properties in antimicrobial activity. Continually, such information might contribute to the elucidation of chemical structure-biological activity relationship of these compounds. The substitutes groups inserted on 2,3,5-substituted-3,4-dihydro-1,3,4-oxadiazolines derivates contribute to differs the molecule physical-chemical properties, which is represented by its physical-chemical parameters, which describe the nature and intensity of the observed modification. Therefore, the following study aimed to identify, throughout physical-chemical properties, chemical structure factors that favor the antimicrobial activity of the synthesized compounds. The antibacterial activity, expressed as the minimum inhibitory concentration, was quantified by the microdilution method, where gradual concentrations of the tested conpound were incubated within ATCC 25923 Staphylococcus aureus cells suspended in broth medium. The microdilutions originated descending concentrations, in order to spot the minimum concentration whose microbial growth was inhibited. The minimum inhibitory concentration regarded to each compound was correlated to its physical-chemical parameters. Based on observed relations, it could be identified evidences assuming the physical-chemical properties relevance on antimicrobial assay. It was verified that hydrophobic effects interferes with antimicrobial activity, as well as inductive electronic effects and molecular volume of substitute group in para-phenyl position. These factors contribute to physical-chemical properties shifts and therefore play a role on the antimicrobial action. However, these latest two influences were enable to conclude, suggesting the need of more extensive studies. So that, a more profound comprehension about structure factors that interfere with 2,3,5-substitued-3,4-dihydro-1,3,4-oxadiazolines derivates might lead to the rational design of potential antimicrobial agents among this class of compounds.

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

L’objectif de ces travaux est de découvrir et de valoriser des petites molécules organiques inhibant l’influx de l’iode dans les cellules thyroïdiennes. Ces composés présentent en effet un double intérêt : à court terme, ils peuvent être dérivés en biosondes afin de mieux caractériser les protéines impliquées dans les mécanismes de transport d’iode par génétique chimique directe. A plus long terme, ces inhibiteurs représentent des candidats-médicaments potentiels pour le traitement de pathologies thyroïdiennes et/ou pour la protection de populations exposées aux radioisotopes de l’iode. Pour chacune des deux familles d’inhibiteurs considérées, nous avons donc tout d’abord synthétisé une chimiothèque d’une centaine d’analogues ; puis ces derniers ont été évalués biologiquement afin de fournir un ensemble de relations structure-activité. Par ailleurs, la configuration absolue des centres stéréogènes nécessaire à l’activité biologique a été déterminée : dans chacun des cas, une stéréochimie particulière est responsable du pouvoir inhibiteur des composés. A partir de ces informations, une dizaine d’analogues « de seconde génération » a été synthétisée dans chaque famille, en combinant plusieurs modifications structurales contribuant à l’activité biologique. Après évaluation biologique, neuf d’entre eux possèdent des IC50 < 6 nM et des propriétés physico-chimiques satisfaisantes pour des candidats-médicaments. Enfin, dans chaque famille, une biosonde photoactivable biotinylée a été synthétisée et utilisée en photomarquage d’affinité. Plusieurs protéines marquées spécifiquement ont été repérées, qui correspondraient à des protéines-cibles de chacun des inhibiteurs et dont l’identification reste à achever. / This work was intended to discover small organic molecules acting as iodide uptake inhibitors in thyroid cells. These compounds can indeed be derivatized into biochemical probes for further characterization of proteins involved in iodide transport mechanisms. On the long term, these inhibitors also appear as attractive drug candidates for treatment of thyroid pathologies or radioprotection against iodine isotopes. A similar strategy was adopted for both of the two inhibitor families. First, we synthesized a chemical library of around 100 analogues; we measured their IC50 against iodide uptake in FRTL-5 cells to get structure-activity relationships. Absolute configuration of stereogenic centers was also investigated, and a preferential stereochemistry was found to be responsible for activity. From this basis, around twenty « second-generation » analogues were synthesized by combining fragments contributing to biological activity. Biological evaluation indicated that nine were very potent inhibitors, with IC50 < 6 nM and satisfying physicochemical properties required for drug candidates. Finally, one photoactivatable biotinylated probe was developed in each family and used for photoaffinity labeling. Several specifically labeled proteins are still under identification and constitute new potential therapeutic targets.

Pesquisas na área de Química Medicinal têm direcionado esforços na busca por métodos que acelerem o processo de descoberta de novos medicamentos. Dentre as diversas etapas relacionadas ao longo do processo de descoberta de substâncias bioativas está a análise das relações entre a estrutura química e a atividade biológica de compostos. Neste processo, os pesquisadores da área de Química Medicinal analisam conjuntos de dados que são caracterizados pela alta dimensionalidade e baixo número de observações. Dentro desse contexto, o presente trabalho apresenta uma abordagem computacional que visa contribuir para a análise de dados químicos e, consequentemente, a descoberta de novos medicamentos para o tratamento de doenças crônicas. As abordagens de análise exploratória de dados, utilizadas neste trabalho, combinam técnicas de redução de dimensionalidade e de agrupamento para detecção de estruturas naturais que reflitam a atividade biológica dos compostos analisados. Dentre as diversas técnicas existentes para a redução de dimensionalidade, são discutidas o escore de Fisher, a análise de componentes principais e a análise de componentes principais esparsas. Quanto aos algoritmos de aprendizado, são avaliados o k-médias, fuzzy c-médias e modelo de misturas ICA aperfeiçoado. No desenvolvimento deste trabalho foram utilizados quatro conjuntos de dados, contendo informações de substâncias bioativas, sendo que dois conjuntos foram relacionados ao tratamento da diabetes mellitus e da síndrome metabólica, o terceiro conjunto relacionado a doenças cardiovasculares e o último conjunto apresenta substâncias que podem ser utilizadas no tratamento do câncer. Nos experimentos realizados, os resultados alcançados sugerem a utilização das técnicas de redução de dimensionalidade juntamente com os algoritmos não supervisionados para a tarefa de agrupamento dos dados químicos, uma vez que nesses experimentos foi possível descrever níveis de atividade biológica dos compostos estudados. Portanto, é possível concluir que as técnicas de redução de dimensionalidade e de agrupamento podem possivelmente ser utilizadas como guias no processo de descoberta e desenvolvimento de novos compostos na área de Química Medicinal. / Researches in Medicinal Chemistry\'s area have focused on the search of methods that accelerate the process of drug discovery. Among several steps related to the process of discovery of bioactive substances there is the analysis of the relationships between chemical structure and biological activity of compounds. In this process, researchers of medicinal chemistry analyze data sets that are characterized by high dimensionality and small number of observations. Within this context, this work presents a computational approach that aims to contribute to the analysis of chemical data and, consequently, the discovery of new drugs for the treatment of chronic diseases. Approaches used in exploratory data analysis, employed in this work, combine techniques of dimensionality reduction and clustering for detecting natural structures that reflect the biological activity of the analyzed compounds. Among several existing techniques for dimensionality reduction, we have focused the Fisher\'s score, principal component analysis and sparse principal component analysis. For the clustering procedure, this study evaluated k-means, fuzzy c-means and enhanced ICA mixture model. In order to perform experiments, we used four data sets, containing information of bioactive substances. Two sets are related to the treatment of diabetes mellitus and metabolic syndrome, the third set is related to cardiovascular disease and the latter set has substances that can be used in cancer treatment. In the experiments, the obtained results suggest the use of dimensionality reduction techniques along with clustering algorithms for the task of clustering chemical data, since from these experiments, it was possible to describe different levels of biological activity of the studied compounds. Therefore, we conclude that the techniques of dimensionality reduction and clustering can be used as guides in the process of discovery and development of new compounds in the field of Medicinal Chemistry

Ce projet de recherche se focalise sur les infections par mycobacterium ulcerans (maladie de l’ulcère de Buruli), une maladie de la peau dévastatrice caractérisée par la formation de lésions nécrotiques progressives et l’absence d’une réponse inflammatoire. Bien que négligée, cette infection est la troisième maladie mycobactérienne la plus répandue après la tuberculose et la lèpre et des cas sont rapportés dans plus de 30 pays à travers le monde. Mycobacterium ulcerans sécrète une toxine polycétidique complexe, appelée mycolactone A/B, qui est directement responsable des effets pathogènes de la maladie. Depuis sa découverte, les propriétés biologiques inhabituelles de la mycolactone A/B ont suscité de nombreux efforts de recherche dans différents domaines. Dans ce contexte, ce projet s’intéresse à l’élucidation du mécanisme d’action des mycolactones en utilisant la synthèse totale comme outil principal. Dans cette optique, notre équipe a mis en place une voie de synthèse permettant un accès facile et robuste à différents mimes de mycolactone. L’utilisation de cette méthode a conduit à la préparation de 13 mimes de la toxine au cours de cette thèse. D’autre part notre équipe s’intéresse également à la préparation de mimes possédant un ou plusieurs atomes de fluor. Ces derniers présentent un intérêt particulier pour améliorer la compréhension des interactions ayant lieu entre la toxine et sa cible cellulaire. Les travaux réalisés autours de la synthèse de mycolactones fluorés ont conduit à la mise au point d’une méthode générale et simple pour introduire un groupe trifluorométhyle sur un alcyne terminal, permettant ainsi des modulations inédites de la structure de la toxine. / This research project focuses on mycobacterium ulcerans infection (Buruli ulcer disease), a severe skin disease characterized by the formation of progressive necrotic lesions and the lack of an acute inflammatory response. Although neglected, this infection is the third most common mycobacteriosis after Mycobacterium tuberculosis and Mycobacterium leprae, and cases are reported in more than 30 countries worldwide. Mycobacterium ulcerans secretes a complex polyketidic macrolide, called mycolactone A/B, which is directly involved in the biological effects of the disease. Since its discovery, the unusual biology triggered by this toxin has spurred research efforts. In this context, this research project aims at a better understanding of mycolactone A/B molecular interactions by using total synthesis as main tool. To this end, our research team has developed an efficient synthetic pathway allowing the preparation of different mimetics of the toxin. This synthesis has been used to prepare thirteen new mycolactone mimetics during this thesis. Moreover our team has also been interested in the synthesis of fluorinated mycolactone analogs. Such fluorinated mycolactones are of great interest to improve the interactions that occur between the toxin and its biological binding site. Work in this field led to the development of a simple and general method to introduce a trifluoromethyl group onto a terminal alkyne, allowing novel modulation of the structure of the toxin.

La transglutaminase tissulaire (TG2) est une enzyme de la famille des transglutaminases (EC 2.3.2.13) qui est exprimée de manière ubiquitaire chez les mammifères. Cette enzyme catalyse la formation d'une liaison amide intra- ou intermoléculaire entre un résidu glutamine et un résidu lysine. Ce processus biologique conduit à la modification post-traductionnelle des protéines. Un nombre croissant de publications associe la surexpression de cette enzyme et la déréglementation de son activité, avec un certain nombre de pathologiques humaines telles que les maladies neurodégénératives (maladie d’Alzheimer, maladie de Huntington, maladie de Parkinson), la fibrose tissulaire, certains cancers et la maladie cœliaque. Le développement d'inhibiteurs puissants et sélectifs de la TG2 est primordial pour identifier soit des outils pharmacologiques pour comprendre les processus biologiques dépendant de cette enzyme ou soit des candidats médicaments pour traiter les pathologies liées à la surexpression de la TG2. La majorité des composés inhibiteurs synthétisés jusqu'à présent agissent en bloquant de manière irréversible la réaction de transamidification de la TG2 en ciblant spécifiquement la cystéine 277 présente dans le site actif de la TG2.L’objectif de ce travail a été d’identifier et de sélectionner des molécules de faible poids moléculaire inhibant de façon sélective et puissante l’activité de transamidification de la TG2. Nous présenterons l’optimisation de deux séries originales de composés (synthèse, études de relation de structure-activité) comportant un noyau aromatique central de type naphtalénique ou indolique et une fonction acrylamide comme accepteur de Michael pour piéger la fonction thiol de la cystéine 277. Un certain nombre de composés synthétisés montre une inhibition nanomolaire de la TG2 (IC50 = 1.7-6 nM) avec un excellent profil de sélectivité vis-à-vis de TG1, TG6 et FXIIIa (IC50 > 10 µM). Ces inhibiteurs inhibent efficacement la TG2 dans des extraits de tissus et de cellules. Aucune toxicité apparente n’a été observée pour des concentrations inférieures à 10 µM d’inhibiteur sur les lignées vSMCs et SH-SY5Y. Les valeurs de KI, kinact et kinact/KI ont été également déterminés sur deux inhibiteurs sélectionnés (23b et 78f) pour leurs activités biologiques. La formation d’une liaison covalente entre la cystéine 277 de la TG2 et ces deux inhibiteurs a été prouvée par digestion trypsique suivie d’une analyse LC-MS/MS / Tissue transglutaminase (TG2) is a ubiquitously expressed enzyme of the mammalian transglutaminase (TG) family which catalyzes the formation of an intra- or inter-molecular isopeptide bond between a glutamine and a lysine, leading to the post-translational modification of proteins. An increasing number of literature has associated the over-expression of this enzyme, and the deregulation of its activity, with a number of human physio-pathological states like neurodegenerative disorders (Alzheimer’s disease, Huntington’s disease, Parkinson’s disease), tissue fibrosis, certain cancers, and celiac disease. The development of potent and selective TG2 inhibitors has become primordial to reach either a pharmacological probe, to understand the biological processes that depend on this enzyme, or a drug candidate, to treat the pathologies related with its overexpression. The majority of the inhibitory compounds synthesized so far act by irreversibly blocking the transamidation reaction of TG2. These TG2 inhibitors specifically target the cysteine 277 present in the TG2 active site. The aim of this work was the identification and selection of new potent and selective small molecules to inhibit the TG2 transamidation activity. We present the optimization of two new series of compounds (synthesis, structure-activity relationship studies) bearing naphthalene or indole aromatic rings as the central backbone structure. Both series present an acrylamide group as the Michael acceptor in order to react with the thiol group of cysteine 277. Several of the synthesized compounds showed a nanomolar inhibition over TG2 (1.7-6 nM) with an excellent selectivity profile over TG1, TG6 and FXIIIa (IC50 > 10 µM). These inhibitors showed high specificity on inhibiting TG2 in tissue and cell extracts. No apparent toxicity up to 10 µM was observed in vSMCs and SH-SY5Y cell lines. Their KI, kinact et kinact/KI were also determined on two selected inhibitors (23b and 78f) for their biological activities. The formation of a covalent bond between the cysteine 277 of TG2 and these two inhibitors was proven by tryptic digestion followed by LC-MS/MS analysis