Exploració computacional de compostos bioactius: reactivitat i interacció lligand-receptor

Abstract

La present tesis doctoral, presentada com a compendi de publicacions, té com a objectiu general l’estudi de la diversitat en l’espai químic i l’establiment de relacions amb l’espai biològic mitjançant l’ús de tècniques computacionals. Per aconseguir aquest objectiu es van definir dues línies de recerca: l’estudi de noves reaccions multicomponent, i l’estudi de la interacció lligand-receptor per una diana poc comuna i la seva aplicació per al desenvolupament de fàrmacs antigripals. El capítol dedicat a la reactivitat inclou dues publicacions (Preciado S. et al. Angewandte Chemie International Edition, 2012, 51, pp 6874–6877; Llabrés S. et al. Chemistry, a European Journal, 2013, 40, pp 13355– 13361) on es racionalitza el mecanisme d’una nova reacció multicomponent anomenada Mannich Ritter Amidina (MRA). Aquesta es va descobrir mitjançant un canvi d’un reactiu de la reacció multicomponent de Povarov, que va resultar en un producte tetracíclic. Aquest nou producte té una estereoquímica inesperada ja que la unió de dos anells es produeix en syn. Es va dur a terme l’exploració química d’aquesta reacció, la qual va concloure que aquesta reacció MRA només funcionava si s’usaven alguns alquens activats determinats, com ara tipus dihidropirà i ciclohexadiè, i en canvi no en alquens tipus enamides cícliques. A més, quan s’utilitza el ciclohexadiè, la reacció MRA dóna lloc a dues reaccions que entren en competició. L’estudi computacional de explica com la conformació de l’estat de transició és un factor clau en l’estereoselectivitat de la reacció MRA. L’habilitat de deformar la conformació cadira i de bot de l’anell que té caràcter de doble enllaç explica els diferents rendiments de la reacció. El capítol dedicat al disseny d’inhibidors del canal M2 del virus de la grip A inclou dues publicacions (Rey-Carrizo M. et al. Journal of Medicinal Chemistry, 2014, 57, pp 5738–5747; Rey-Carrizo M. et al. European Journal of Medicinal Chemistry, 2015, 96, pp 318–329) i un manuscrit (en preparació) centrats en el desenvolupament de nous compostos inhibidors del canal M2 nadiu i de la seva variant V27A. Els fàrmacs que inhibeixen aquest canal són amantadina i rimantadina, però la FDA no recomana el seu ús perquè l’aparició de soques mutants ha reduït molt la seva eficàcia. El risc d’una possible pandèmia i l’aparició de soques resistents ha promogut un esforç continuat en la recerca de nous fàrmacs antigripals. En col·laboració interdisciplinar entre diversos grups de disseny, síntesi i avaluació farmacològica, en aquest capítol s’ha estudiat el mecanisme d’acció de fàrmacs inhibidors del canal M2 nadiu i del canal mutant V27A, una mutació generada per l’ús dels fàrmacs. El treball computacional s’ha centrat en l’elucidació dels modes d’unió d’aquests compostos en ambdós canals i en les relacions estructura-activitat mitjançant tècniques de dinàmica molecular i càlculs de mecànica quàntica. Per últim, també s’ha explorat el mecanisme d’unió al lloc d’unió del canal mitjançant dinàmica molecular i tècniques de mostreig exhaustiu, com ara la metadinàmica. Aquests estudis han permès identificar dos llocs d’unió en el porus del canal, i caracteritzar el mecanisme d’unió, que afecta la rotació de l’inhibidor a l’interior del canal. Tanmateix, han permès explicar la dràstica disminució d’activitat d’amantadina pel canal mutat V27A.

The aim of this doctoral thesis is to use computational techniques to expand the chemical space and to explore its interaction with the biological space. To address these two goals, it has been elaborated as a compendium of publications following two main research lines. First, the rationalization of the mechanism of a novel multicomponent reaction known as Mannich Ritter Amidine (Preciado S. et al. Angew. Chemie Int. Ed., 2012, 51, pp 6874 – 6877; Llabrés S. et al. Chemistry, a Eur. J., 2013, 40, pp 13355 - 13361). Second, the development of new inhibitors of the M2 proton channel in order to obtain new antiflu drugs active against resistant strains of influenza A (Rey-Carrizo M. et al. J. Med. Chem, 2014, 57, pp 5738 – 5747; Rey-Carrizo M. et al. Eur. J. of Med. Chem, 2015, 96, pp 318-329).

The novel multicomponent reaction (MRA) leads to a tetracyclic compound with syn stereoselectivity. The chemical exploration of this reaction revealed different outcomes and different yields depending on the alkene reactant. Computational calculations showed how the ability to adopt a chair-like conformation during the transition state determines the outcome and the stereochemical properties. The cyclohexadiene lead to two different products from two competing reactions, MRA and aza Diels Alder in 10:90 ratio. Computational calculations explained the outcome and the ratio in the cyclohexadiene case.

The development of new M2 channel inhibitors is a multidisciplinary effort in the framework of collaborations with experimental research groups. Using several molecular modelling techniques, such as molecular dynamics simulations and enhanced sampling techniques, we postulate the existence of two distinct binding sites of amantadine in the interior of the channel and determine the mechanism for ligand binding, which involves the flip of amantadine in the pore. Moreover, the results provide a direct explanation for the drastic reduction in inhibitory potency against the V27A mutant channel. Overall, the results provide useful guidelines to design novel antiflu compounds.