Desarrollos metodológicos en la exploración de la especie bioactiva en fármacos: Búsqueda de agentes antimaláricos

Abstract

La presente tesis doctoral se divide, de forma general, en dos principales vertientes, una de carácter metodológica y otra de carácter aplicada.

La primera de ellas se ha focalizado en la caracterización de la especie bioactiva, comprendiendo en particular el estudio metodológico necesario para identificar tanto el estado de ionización (pKa) como la diversidad conformacional de ligandos tipo fármaco, pasando por aspectos tautoméricos. Para ello, se han utilizado diversas metodologías. En primer lugar, la aproximación Multinivel, anteriormente implementada en el grupo, se ha aplicado a una conjunto de 50 moléculas, siendo por tanto una muestra más grande en comparación con anteriores estudios del grupo. En concreto, se ha concentrado en la correcta estimación del coste conformacional para acceder a la conformación bioactiva, lo que ha permitido ver que la penalización conformacional es de forma general relativamente baja (< 2,0 kcal/mol), así como determinar el término entálpico y entrópico de dicho coste, detectando el mayor impacto del primero y la importancia de tomar en consideración el segundo. En segundo lugar, se han probado diferentes esquemas computacionales basados principalmente en métodos de mecánica cuántica, que combinan diversos niveles de teoría así como bases de distinta flexibilidad así como cálculos en fase gas con modelos continuos de solvatación. Ello ha permitido obtener una estimación muy exacta del valor de pKa de diferentes tipos de moléculas, lo que ha supuesto correlacionar el estado de ionización con el grado de actividad de un grupo de nuevos análogos huprina-reína. Finalmente, ambas metodologías se han combinado para poder examinar el efecto de las modificaciones estructurales introducidas en una serie de derivados éster de tetrahidroazocinas, donde se ha examinado el impacto de un equilibrio entre formas tautoméricas sobre el estado de ionización, y a su vez sobre su especie bioactiva en condiciones fisiológicas.

En la segunda de ellas, se han centrado esfuerzos en la búsqueda de nuevas estructuras con capacidad de inhibir de forma selectiva el enzima Glucosa-6-fosfato deshidrogenasa de Plasmodium falciparum (PfG6PD). Concretamente, el estudio se ha basado en un modelo de homología de secuencia, que puso de relieve la existencia de una diferencia fundamental, correspondiente al cambio de Arg750 en el enzima humana por Asp en PfG6PD, lo cual permitió diseñar una serie de análogos de sustrato con actividad

inhibidores frente a este enzima. Siguiendo dichos estudios, gracias al uso de diferentes técnicas de computacionales, se ha realizado una búsqueda de nuevas estructuras tipo fármaco con potencial actividad inhibidora frente a PfG6PD. En particular, se ha conseguido determinar un potencial modo de unión de dos compuestos descritos en la literatura con actividad submicromolar, y por otro lado, la combinación de métodos de cribado virtual y técnicas farmacológicas han permitido avanzar en la selección de diferentes compuestos con una prometedora actividad frente a la cepa DD2 de P. falciparum y potencial actividad frente PfG6PD.

The present doctoral thesis is focused, in a general way, on two major aims, one dealing with methodological refinement to address the identification of the bioactive species, and the other consisting in the application of drug-design techniques to the development of antimalarial compounds.

The methodological studies have been focused on the characterization of the bioactive species, comprising both the identification of the ionization state (pKa) and the analysis of the conformational flexibility of drug-like ligands, including also tautomeric equilibria. To this end, a variety of computational techniques have been exploited and refined. First, the Multilevel methodology, previously implemented in the group, has been applied to set of 50 molecules, which enlarges the sample considered in former studies. In particular, this study has addressed the correct estimation of the conformational cost required to access the bioactive conformation, which has allowed to conclude that the conformational penalty is generally relatively low (<2.0 kcal/mol), as well as to decompose the conformational cost into its enthalpic and entropic contributions, detecting the greater impact of the enthalpic contribution in most cases, as well as the need to take into account the entropic component. Secondly, different schemes based mainly on quantum mechanics methods, which combine distinct levels of theory and basis sets with gas phase calculations and solvation models, have been tested to predict the pKa value of different molecules. This has enabled to identify approaches well suited to provide accurate estimates of pKa of a series of huprine-rhein hybrid compounds, providing a basis to rationalize the differences in biological activity. Finally, the two methodological appraoches have been used to examine the effect of chemical differences in a series of ester derivatives of tetrahydroazocines, examining the impact of tautomerism on the ionization state, and in turn on the nature of the bioactive species in physiological conditions.

In the second one, efforts have been focused in the search of new structures able to selectively inhibit the enzyme Glucose-6-phosphate dehydrogenase of Plasmodium falciparum (PfG6PD). In particular, this study was based on a structural model obtained from homology modeling that revealed a fundamental difference in the binding site, corresponding to the replacement of Arg750 in the human enzyme by Asp in PfG6PD.

The relevance of this difference was validated via the design of subtrate analogs with inhibitory activity against PfG6PD. Following these studies, thanks to the use of different computational techniques, it has been possible to determine a potential binding mode of compounds with submicromolar potency reported in the literature. Finally, the combination of virtual screening methods and pharmacological techniques have allowed us to find compounds with a promising activity against P. falciparum DD2 strain and potential activity against PfG6PD.