Synthesis and Computational Studies of Nucleoside Analogues as Antiviral Agents

Abstract

Els anàlegs de nucleòsid han estat àmpliament utilitzats en les teràpies antivíriques desenvolupades en els últims trenta anys. Les deficiències terapèutiques que presenten la majoria dels medicaments en ús ha motivat la cerca de nous agents antivírics. En aquest camp, els anàlegs carbocíclics de nucleòsid han rebut especial atenció, donat que l’absència de l’enllaç N-glicosídic els confereix una major estabilitat in vivo. Una altra família de derivats d’interès ha estat la dels L-nucleòsids, ja que alguns d’ells presenten una bona activitat antivírica, una major estabilitat metabòlica i una toxicitat inferior que els seus homòlegs de configuració natural.D’altra banda, les tècniques de modelització molecular constitueixen una de les pedres angulars en el disseny i l’optimització de compostos amb activitat terapèutica. En particular, les tècniques que simulen la interacció entre una molècula orgànica i una macromolècula (docking) han demostrat ser eines de gran utilitat. En el cas dels anàlegs de nucleòsids, els quals es comercialitzen com a profàrmacs, el docking permet l’estudi del seu procés d’activació així com de la posterior interacció amb la seva diana terapèutica, la polimerasa vírica corresponent.Així doncs, la present tesi s’ha centrat en l’estudi de nous anàlegs carbocíclics de nucleòsids com a agents antivírics, des del punt de vista tant sintètic com teòric. En concret, s’ha sintetitzat una família de nous anàlegs ciclobutènics i ciclobutànics d’L-nucleòsids i se n’ha estudiat el seu mecanisme d’acció per mitjà de càlculs de docking. La informació extreta dels càlculs s’ha utilitzat posteriorment per realitzar un disseny racional de nous anàlegs.En primer lloc s’ha dut a terme la síntesi estereoselectiva de cinc nous anàlegs ciclobutènics i ciclobutànics d’L-nucleòsid, els quals presenten bases nitrogenades tant púriques com pirimidíniques, mitjançant una estratègia sintètica divergent. L’etapa clau ha consistit en la fotocicloaddició [2+2] de la (S)-5-pivaloïloximetil-2(5H)-furanona a (Z)-1,2-dicloroetilè i posterior eliminació reductiva dels cicloadductes clorats amb Zn per formar l’anell ciclobutènic. L'activitat dels anàlegs preparats ha estat avaluada enfront d’un ampli rang de virus (com per exemple el virus de l’herpes simplex, VHS). Cap dels anàlegs ha mostrat una activitat antivírica apreciable. A nivell molecular, l’activitat antivírica dels nucleòsids no només depèn de la seva capacitat d’inhibició de l’enzim víric corresponent, sinó també dels processos anabòlics d’activació que impliquen tres etapes successives per convertir el nucleòsid o anàleg en el derivat trifosforilat. Així, en segon lloc s’ha estudiat el procés d’activació i la posterior interacció amb la transcriptasa inversa del VIH d’un conjunt de nucleòsids conformacionalment restringits per un anell ciclobutànic prèviament sintetitzats al nostre grup de recerca. Aquest estudi s’ha realitzat mitjançant l’aplicació de tècniques de docking, amb l’objectiu de racionalitzar els resultats d’activitat anti-VIH prèviament obtinguts. Els càlculs duts a terme han revelat que la presència de l’anell ciclobutànic fusionat en aquests anàlegs en limita la seva correcta unió a la cadena d’ADN creixent, causant així l’absència d’activitat observada.En tercer lloc s’ha realitzat un estudi teòric equivalent a l’anterior per tal de racionalitzar la baixa activitat anti-VHS mostrada pels anàlegs ciclobutènics i ciclobutànics d’L-nucleòsid inicialment preparats. Aquest estudi ha demostrat que el procés d’activació de tres dels cinc anàlegs no està afavorit, limitant-ne així la seva activitat antivírica. En contraposició, no s’ha detectat cap limitació en la conversió dels dos anàlegs de nucleòsid restants en els seus derivats trifosforilats, de manera que la seva falta d’activitat podria estar relacionada amb la interacció amb l’ADN polimerasa del VHS.Finalment, s’ha dut a terme un disseny racional de cinc nous anàlegs ciclobutànics i ciclobutènics d’L-nucleòsid com a agents anti-VHS, en base a les dades dels estudis anteriors. Anàlogament, s’han dissenyat cinc altres anàlegs d’estructura ciclohexènica i biciclo[4.1.0]heptànica.

Nucleoside analogues have been widely used in the antiviral therapies developed over the last three decades. Therapeutic deficiencies shown by the majority of the drugs currently in use have prompted the search for novel antiviral agents. In this context, carbocyclic nucleoside analogues have received extraordinary attention, since the absence of the N-glycosidic linkage in these derivatives results in an increased metabolic stability in vivo. L-nucleosides have been also broadly studied, since some of them feature good antiviral activity, higher metabolic stability and lower toxicity than their natural D-counterparts.On the other hand, molecular modelling techniques have been one of the cornerstones in the design and optimization of therapeutic compounds. In particular, molecular docking techniques, used to simulate the interaction between an organic molecule and a macromolecule, have proved to be a very useful tool. In the field of nucleoside analogues, which are commercialized as prodrugs, docking techniques may be applied to simulate both their activation process as well as their subsequent interaction with t