Publicação

Design and synthesis of novel quinolones directed to the Plasmodium falciparum bc1 protein complex

Detalhes bibliográficos
Resumo:	Apesar dos intensos esforços para controlo da malária, esta doença parasítica milenar permanece como uma das doenças infeciosas conducentes a maiores taxas de mortalidade no mundo. É transmitida pela picada de um mosquito infectado do género Anopheles (apenas a fémea transmite a doença) e causada por um parasita do género Plasmodium. P. falciparum é a mais prevalente de entre as cinco estirpes de Plasmodium que afectam o homem e é também a mais mortal, sendo responsável por cerca de 90% do número total de óbitos por malária registados anualmente. Actualmente, a Organização Mundial de Saúde estima que cerca de 40% da população mundial está em risco de contrair a infecção e que, anualmente, cerca de 600 000 pessoas morrem devido a esta doença. O rápido desenvolvimento de resistência por parte de P. falciparum a pelo menos um dos fármacos antimaláricos convencionais de primeira linha e a terapias baseadas em artemisinina e seus derivados, estimula enormemente a comunidade científica e médica, convocando-a para a investigação e desenvolvimento de novos fármacos antimaláricos eficazes, seguros, acessíveis e fáceis de administrar, preferencialmente direcionados para novos alvos terapêuticos. A combinação farmacológica designada por Malarone® foi lançada pela GlaxoSmithKline para o tratamento e prevenção de malária causada por estirpes multiresistentes. Este medicamento resulta da combinação de dois fármacos antimaláricos: atovaquona e proguanil. A atovaquona é um competidor da ubiquinona, inibindo especificamente o complexo bc1 de P. falciparum através da sua ligação ao sítio Qo deste complexo. O complexo bc1 é essencialmente responsável pela transferência de electrões e translocação de protões ao longo da membrana mitocondrial, formando um potencial de membrana. A sua inibição leva à perda da função mitocondrial (relevante para o fornecimento de intermediários para a síntese de ATP e pirimidina), colapso do potencial electroquímico transmembranar e, finalmente, morte do parasita, validando este complexo como um potencial novo alvo terapêutico para o desenvolvimento de novos fármacos. Além de ser o local de ação da atovaquona, o sítio Qo é também conhecido como o local de ação da estigmatelina (composto natural) e da endoquina (um dos primeiros antimaláricos sintéticos). A endoquina serviu como modelo para o desenvolvimento de análogos (ELQ) que mantiveram o núcleo quinolínico na sua estrutura. Além da sua potencial utilização na quimioterapia da malária, a versatilidade do quimiotipo quinolona tem atraído intensa investigação, originando principalmente 4-oxo-quinolinas com propriedades farmacológicas melhoradas e com potencial aplicação terapêutica noutras áreas, como no tratamento de cancro, hepatite B, hepatite C, SIDA, herpes, infeções fúngicas ou tuberculose. A utilização das quinolonas como agentes antibacterianos teve início em 1963 com a descoberta do ácido nalidíxico. Muitos outros derivados quinolínicos com propriedades farmacológicas foram entretanto sintetizados, destacando-se as fluoroquinolonas norfloxacina, ciprofloxacina e levofloxacina. Nos últimos anos têm surgidos publicações que reportam uma grande variedade de compostos 4-oxo-quinolínicos com grupos éster em posição 3 que demonstram atividade antimalárica em concentrações que se situam na gama nanomolar baixa, atuando por inibição do complexo bc1 plasmodial. No entanto, devido à existência de algumas fragilidades nestes compostos, de que se destacam a fraca solubilidade em meio aquoso e baixa biodisponibilidade oral, esta classe de compostos requer optimização. O projecto de investigação descrito nesta tese foca-se no desenho, síntese e estudo estrutural de uma biblioteca de novas 3-etiléster-4-oxo-quinolinas (quinolonas), introduzindo diversidade química, essencialmente, nas posições 6 e/ou 7 da quinolona. Estudos de docking realizados in silico no sítio Qo do complexo bc1 (de levedura - yeast) sugerem um papel importante dos resíduos His182 e Glu272 no reconhecimento de potentes inibidores. Os mesmos estudos também indicam a importância da presença do grupo carbonilo e do grupo N-H do núcleo quinolónico na formação de ligações por pontes de hidrogénio com os resíduos proteícos His182 e Glu272, respectivamente. Deste modo, a possibilidade de tautomerismo entre as formas 4-oxo-quinolina e 4-hidroxi-quinolina não deve ser negligenciada, no contexto do desenvolvimento desta classe para terapia antimalárica. Esta tese está organizada em 5 capítulos. No capítulo 1 faz-se uma apresentação sobre a malária, bem como sobre os fármacos antimaláricos existentes, seu modo de ação e alvos terapêuticos moleculares. Os fármacos que atuam por inibição do complexo bc1 plasmodial e o uso e síntese de quinolonas em química medicinal também são abordados nesta secção. No capítulo 2 são descritas as abordagens sintéticas e a otimização das condições reacionais seguidas no desenvolvimento de quinolonas selecionadas. De uma forma geral, ao longo deste projecto de doutoramento, as quinolonas foram sintetizadas utilizando a metodologia de Gould-Jacobs. De acordo com esta metodologia ocorre ciclização térmica de um composto α,β-insaturado, derivado de uma anilina. Alternativamente, em algumas situações recorreu-se a uma outra estratégia utilizando o oxicloreto de fósforo. No decorrer destas sínteses, mais especificamente na etapa de ciclização, por vezes obtiveram-se alguns produtos inesperados relacionados com o padrão de substituição aromática decorrente da ciclização térmica e com a possibilidade de tautomerismo ceto-enólico. A possibilidade de tautomerismo entre as formas 4-oxo-quinolina e 4-hidroxi-quinolina suscitou questões do ponto de vista mecanístico e estrutural que são aqui especialmente relevantes, tendo em conta a sua eventual repercussão no perfil farmacodinâmico dos compostos. Assim, foi conduzida uma investigação estrutural detalhada em alguns compostos, de forma a melhor compreender a atividade e reactividade química de derivados de quinolonas, descrita no capítulo 3. Os resultados obtidos com base em estudos de cristalografia de raio X, espectroscopia FTIR acoplada com isolamento em matriz criogénica e cálculos teóricos são apresentados e discutidos, e indicam que, em derivados quinolínicos com um grupo éster em posição 3, a forma enólica (4-hidroxi-quinolina) é mais favorável do que a forma ceto (4-oxo-quinolina). O tautomerismo poderá traduzir-se em alterações nas propriedades químicas e físicas dos compostos, com possíveis implicações nos perfis farmacocinéticos e farmacodinâmicos dos mesmos. Os compostos sintetizados neste projecto foram testados in vitro contra estirpes sensíveis e resistentes de P. falciparum. Os resultados destes estudos, juntamente com estudos de avaliação da lipofilicidade/solubilidade de alguns compostos, são descritos e discutidos no capítulo 4. Tendo em conta os resultados de atividade biológica obtidos para alguns compostos e o facto de alguns estudos demonstrarem que certas quinolonas conseguem ultrapassar, embora parcialmente, os fenómenos de resistência à atovaquona, neste projecto de investigação estudou-se a possibilidade de ligação de potenciais fármacos a sítios alternativos e diferentes do sítio Qo do complexo bc1. Assim, foram efectuados estudos de simulação por docking no sítio Qi do complexo bc1, estando os resultados também descritos e discutidos no capítulo 4. Adicionalmente, foram sintetizadas algumas quinolonas substituídas com grupos arilo nas posições 2 e 3 que foram testadas contra estirpes de Mycobacterium tuberculosis, o agente responsável pelo desenvolvimento da tuberculose, cuja infeção é muitas vezes concomitante com a infeção pelo parasita da malária. A descrição e discussão deste trabalho é apresentada no capítulo 5. Para finalizar, e numa secção à parte, serão apresentadas as conclusões e considerações finais sobre o trabalho desenvolvido bem como algumas perspectivas para trabalho futuro.
Autores principais:	Horta, Pedro Filipe Castela
Assunto:	Malária Quimioterapia antimalárica Descoberta de fármacos Quinolonas Inibidores do complexo bc1 de P. falciparum Tautomeria 4-oxo-quinolina/4-hidroxi-quinolina Malaria Antimalarial chemotherapy Drug discovery Quinolone 3-esters Inhibitors of P. falciparum bc1 complex 4-oxo-quinoline/4-hydroxy-quinoline tautomerism
Ano:	2016
País:	Portugal
Tipo de documento:	tese de doutoramento
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade do Algarve
Idioma:	inglês
Origem:	Sapientia - Universidade do Algarve

Descrição
Resumo:	Apesar dos intensos esforços para controlo da malária, esta doença parasítica milenar permanece como uma das doenças infeciosas conducentes a maiores taxas de mortalidade no mundo. É transmitida pela picada de um mosquito infectado do género Anopheles (apenas a fémea transmite a doença) e causada por um parasita do género Plasmodium. P. falciparum é a mais prevalente de entre as cinco estirpes de Plasmodium que afectam o homem e é também a mais mortal, sendo responsável por cerca de 90% do número total de óbitos por malária registados anualmente. Actualmente, a Organização Mundial de Saúde estima que cerca de 40% da população mundial está em risco de contrair a infecção e que, anualmente, cerca de 600 000 pessoas morrem devido a esta doença. O rápido desenvolvimento de resistência por parte de P. falciparum a pelo menos um dos fármacos antimaláricos convencionais de primeira linha e a terapias baseadas em artemisinina e seus derivados, estimula enormemente a comunidade científica e médica, convocando-a para a investigação e desenvolvimento de novos fármacos antimaláricos eficazes, seguros, acessíveis e fáceis de administrar, preferencialmente direcionados para novos alvos terapêuticos. A combinação farmacológica designada por Malarone® foi lançada pela GlaxoSmithKline para o tratamento e prevenção de malária causada por estirpes multiresistentes. Este medicamento resulta da combinação de dois fármacos antimaláricos: atovaquona e proguanil. A atovaquona é um competidor da ubiquinona, inibindo especificamente o complexo bc1 de P. falciparum através da sua ligação ao sítio Qo deste complexo. O complexo bc1 é essencialmente responsável pela transferência de electrões e translocação de protões ao longo da membrana mitocondrial, formando um potencial de membrana. A sua inibição leva à perda da função mitocondrial (relevante para o fornecimento de intermediários para a síntese de ATP e pirimidina), colapso do potencial electroquímico transmembranar e, finalmente, morte do parasita, validando este complexo como um potencial novo alvo terapêutico para o desenvolvimento de novos fármacos. Além de ser o local de ação da atovaquona, o sítio Qo é também conhecido como o local de ação da estigmatelina (composto natural) e da endoquina (um dos primeiros antimaláricos sintéticos). A endoquina serviu como modelo para o desenvolvimento de análogos (ELQ) que mantiveram o núcleo quinolínico na sua estrutura. Além da sua potencial utilização na quimioterapia da malária, a versatilidade do quimiotipo quinolona tem atraído intensa investigação, originando principalmente 4-oxo-quinolinas com propriedades farmacológicas melhoradas e com potencial aplicação terapêutica noutras áreas, como no tratamento de cancro, hepatite B, hepatite C, SIDA, herpes, infeções fúngicas ou tuberculose. A utilização das quinolonas como agentes antibacterianos teve início em 1963 com a descoberta do ácido nalidíxico. Muitos outros derivados quinolínicos com propriedades farmacológicas foram entretanto sintetizados, destacando-se as fluoroquinolonas norfloxacina, ciprofloxacina e levofloxacina. Nos últimos anos têm surgidos publicações que reportam uma grande variedade de compostos 4-oxo-quinolínicos com grupos éster em posição 3 que demonstram atividade antimalárica em concentrações que se situam na gama nanomolar baixa, atuando por inibição do complexo bc1 plasmodial. No entanto, devido à existência de algumas fragilidades nestes compostos, de que se destacam a fraca solubilidade em meio aquoso e baixa biodisponibilidade oral, esta classe de compostos requer optimização. O projecto de investigação descrito nesta tese foca-se no desenho, síntese e estudo estrutural de uma biblioteca de novas 3-etiléster-4-oxo-quinolinas (quinolonas), introduzindo diversidade química, essencialmente, nas posições 6 e/ou 7 da quinolona. Estudos de docking realizados in silico no sítio Qo do complexo bc1 (de levedura - yeast) sugerem um papel importante dos resíduos His182 e Glu272 no reconhecimento de potentes inibidores. Os mesmos estudos também indicam a importância da presença do grupo carbonilo e do grupo N-H do núcleo quinolónico na formação de ligações por pontes de hidrogénio com os resíduos proteícos His182 e Glu272, respectivamente. Deste modo, a possibilidade de tautomerismo entre as formas 4-oxo-quinolina e 4-hidroxi-quinolina não deve ser negligenciada, no contexto do desenvolvimento desta classe para terapia antimalárica. Esta tese está organizada em 5 capítulos. No capítulo 1 faz-se uma apresentação sobre a malária, bem como sobre os fármacos antimaláricos existentes, seu modo de ação e alvos terapêuticos moleculares. Os fármacos que atuam por inibição do complexo bc1 plasmodial e o uso e síntese de quinolonas em química medicinal também são abordados nesta secção. No capítulo 2 são descritas as abordagens sintéticas e a otimização das condições reacionais seguidas no desenvolvimento de quinolonas selecionadas. De uma forma geral, ao longo deste projecto de doutoramento, as quinolonas foram sintetizadas utilizando a metodologia de Gould-Jacobs. De acordo com esta metodologia ocorre ciclização térmica de um composto α,β-insaturado, derivado de uma anilina. Alternativamente, em algumas situações recorreu-se a uma outra estratégia utilizando o oxicloreto de fósforo. No decorrer destas sínteses, mais especificamente na etapa de ciclização, por vezes obtiveram-se alguns produtos inesperados relacionados com o padrão de substituição aromática decorrente da ciclização térmica e com a possibilidade de tautomerismo ceto-enólico. A possibilidade de tautomerismo entre as formas 4-oxo-quinolina e 4-hidroxi-quinolina suscitou questões do ponto de vista mecanístico e estrutural que são aqui especialmente relevantes, tendo em conta a sua eventual repercussão no perfil farmacodinâmico dos compostos. Assim, foi conduzida uma investigação estrutural detalhada em alguns compostos, de forma a melhor compreender a atividade e reactividade química de derivados de quinolonas, descrita no capítulo 3. Os resultados obtidos com base em estudos de cristalografia de raio X, espectroscopia FTIR acoplada com isolamento em matriz criogénica e cálculos teóricos são apresentados e discutidos, e indicam que, em derivados quinolínicos com um grupo éster em posição 3, a forma enólica (4-hidroxi-quinolina) é mais favorável do que a forma ceto (4-oxo-quinolina). O tautomerismo poderá traduzir-se em alterações nas propriedades químicas e físicas dos compostos, com possíveis implicações nos perfis farmacocinéticos e farmacodinâmicos dos mesmos. Os compostos sintetizados neste projecto foram testados in vitro contra estirpes sensíveis e resistentes de P. falciparum. Os resultados destes estudos, juntamente com estudos de avaliação da lipofilicidade/solubilidade de alguns compostos, são descritos e discutidos no capítulo 4. Tendo em conta os resultados de atividade biológica obtidos para alguns compostos e o facto de alguns estudos demonstrarem que certas quinolonas conseguem ultrapassar, embora parcialmente, os fenómenos de resistência à atovaquona, neste projecto de investigação estudou-se a possibilidade de ligação de potenciais fármacos a sítios alternativos e diferentes do sítio Qo do complexo bc1. Assim, foram efectuados estudos de simulação por docking no sítio Qi do complexo bc1, estando os resultados também descritos e discutidos no capítulo 4. Adicionalmente, foram sintetizadas algumas quinolonas substituídas com grupos arilo nas posições 2 e 3 que foram testadas contra estirpes de Mycobacterium tuberculosis, o agente responsável pelo desenvolvimento da tuberculose, cuja infeção é muitas vezes concomitante com a infeção pelo parasita da malária. A descrição e discussão deste trabalho é apresentada no capítulo 5. Para finalizar, e numa secção à parte, serão apresentadas as conclusões e considerações finais sobre o trabalho desenvolvido bem como algumas perspectivas para trabalho futuro.