Modelización en diseño de fármacos: Exploración conformacional de ligandos y diseño de inhibidores multipotentes

Abstract

La presente Tesis Doctoral, presentada como compendio de publicaciones, tiene como objetivo general la aplicación de diversas técnicas computacionales al estudio de los determinantes moleculares que subyacen en la interacción ligando-receptor. Para ello, se han definido dos líneas de investigación, una de desarrollo metodológico y otra de aplicación.

En el capítulo metodológico se incluye un único manuscrito (Juárez-Jiménez et. al., J. Phys. Chem. B, 2014) en el que extiende la metodología Multinivel desarrollada por Forti et. al. (J. Chem. Theory Comput. 2012) al uso de campos de fuerza de mecánica clásica. Dicho estudio es relevante de cara a optimizar la exploración de las preferencias conformacionales de fármacos y otras pequeñas moléculas orgánicas. En concreto, se evalúa el uso de campos de fuerza clásicos para llevar a cabo un muestreo a bajo nivel de teoría de las preferencias conformacionales de moléculas tipo feniletilamina y se comprueba que los resultados obtenidos son consistentes con los datos experimentales descritos en la bibliografia y con los resultados obtenidos con la implementación original del método, donde se empleaba el hamiltoniano semiempírico RM1. En segundo lugar, la nueva implementación del método se utiliza para predecir las preferencias conformacionales del antibiótico estreptomicina, obteniéndose resultados similares a los obtenidos experimentalmente por resonancia magnética nuclear, si bien sugerentes de posibles mejoras en la metodología.

El capítulo de aplicación incluye tres publicaciones (Bolea et. al. J. Med. Chem. 2011; Juárez Jiménez et. al. BBA Proteins and Proteomics, 2014 y Viayna et. al. J. Med. Chem. 2014), obtenidas a partir de una colaboración multidisciplinar entre diversos grupos de diseño, síntesis y evaluación farmacológica de compuestos de potencial interés en la enfermedad de Alzheimer. Concretamente, se describe el desarrollo de dos familias de fármacos multipotentes: compuestos iMAO-iAChE y compuestos iBACE-1-iAChE, centrándose la discusión en la elucidación de los modos de unión y las relaciones estructura-actividad de dos series de compuestos multipotentes a sus principales dianas terapéuticas mediante la combinación de técnicas de modelización molecular, tales como el docking y la dinámica molecular. En el primer caso, se describen modelos de unión a AChE y MAO de compuestos híbridos donepezilo-PFN9601, abordándose en detalle los determinantes moleculares de las relaciones estructura-actividad y proponiéndose las causas estructurales del diferente comportamiento cinético observado para el mismo inhibidor en MAO A y en MAO B. Con el fin de mejorar el perfil farmacológico de los inhibidores, también se describe, mediante el empleo de compuestos selectivos MAO A, los determinantes moleculares de la selectividad entre las isoformas A y B que muestran algunos inhibidores de MAO. En el segundo caso, la modelización molecular ha permitido proponer un modo de unión a BACE-1 de compuestos híbridos huprina Y-rheína. Dicho modo de unión, sitúa la unidad de huprina Y en el sitio catalítico, mientras que sugiere que la unidad de rheína quedaría acomodada en un sitio de unión diferente al sitio catalítico, que hasta la fecha no ha sido explorado mediante técnicas de diseño racional de fármacos. Ello abre la puerta al desarrollo de nuevos compuestos que interaccionen con BACE aprovechando dicho centro de unión.

The aim of this doctoral thesis is to use computational techniques to explore the molecular determinants that underlie the ligand-receptor interaction. To this end, it has been elaborated as a compendium of publications following two main research lines. First, the expansion of the Multilevel strategy previously developed in the research group (Forti et. al. J. Chem. Theo. Comput. 2012) to explore the conformational preferences of drug-like molecules. Second, the development of new multitarget directed ligands (MTDL) of potential therapeutic interest against Alzheimer’s disease.

The extension of the Multilevel strategy is mainly focused in assessing the suitability of classical force fields as an alternative to the originally implemented RM1 semiempirical Hamiltonian and to investigate the performance of the technique for charged molecules. To this end, the conformational preferences of a set of phenylethyl amines are evaluated with both approximations and the results are compared with experimental data obtained by means of nuclear magnetic resonance techniques, reaching similar conclusions in both cases. Streptomycin is also used as a test case to further test the new implementation of the technique. The results are also consistent with experimental results, but also highlight some aspects that could be improved in future revisions of the methodology.

The development of MTDL against Alzheimer’s disease is a multidisciplinary effort in the framework of collaborations with experimental research groups (Bolea et. al. J. Med. Chem. 2011; Juárez Jiménez et. al. BBA Proteins and Proteomics, 2014 y Viayna et. al. J. Med. Chem. 2014). Using several molecular modelling techniques, we disclose putative binding modes to their main therapeutic targets for two families of MTDL: iAChE-iMAO and iAChE-BACE-1. The discussion of structure-activity relationships allows us to rationalize the molecular determinants that justify the isoform selectivity between isoforms A and B of MAO. Furthermore, they also allow us to disclose how compounds bind to BACE-1 taking advantage of an exosite previously unexploited in rational drug design, which pave the way for the development of novel drug candidates.