izpis_h1_title_alt

Uporaba naravnih spojin vodnic ter in silico podprto rešetanje kemijskih knjižnic pri načrtovanju in sintezi novih protibakterijskih učinkovin in modulatorjev ionskih kanalčkov : doktorska disertacija
ID Jukič, Marko (Avtor), ID Anderluh, Marko (Mentor) Več o mentorju... Povezava se odpre v novem oknu

.pdfPDF - Predstavitvena datoteka, prenos (37,88 MB)
MD5: 6C2B724CAB4AED39151DBBCBF1F8809D

Izvleček
Napetostno odvisni natrijevi kanalčki so veliki transmembranski proteinski kompleksi odgovorni za prevajanje električnih tokov v živčnih, mišičnih in endokrinih celicah in tkivih. Napake v njihovi ekspresiji in funkcijske spremembe so povezane z mnogimi patološkimi stanji. Tako se pri zdravljenju epilepsije, bolezni centralnega živčevja, bolezni srca in bolečinskih stanj uporabljajo učinkovine z modulatornim delovanjem na natrijevih kanalčkih. Le-te delujejo neselektivno na tip natrijevega kanalčka in izkazujejo širok nabor neželenih stranskih učinkov. Spojine, ki bi selektivno delovale na posameznih tipih napetostno odvisnih natrijevih kanalčkov, bi omogočile razvoj indikacijsko specifičnih učinkovin in olajšale študij vloge posamezenih tipov natrijevih kanalčkov v patofiziologiji. Ker so organizmi morskega izvora razmeroma neraziskan vir spojin vodnic, smo v okviru doktorskega študija uporabili alkaloida oroidin in klatrodin iz morskih spužev rodu Agelas kot izhodišče za načrtovanje in sintezo novih modulatorjev ionskih kanalčkov. Spojini vsebujeta terminalni 2-aminoimidazol povezan preko 3-aminopropenskega distančnika s halogeniranim ali nesubstituiranim pirolom na drugem koncu molekule. Pri načrtovanju spojin smo ohranili v oroidinu in klatrodinu prisotni aminoimidazolni strukturni element, saj predvidevamo da gre za ključni farmakoforni element. S pomočjo načrtovanja na osnovi liganda smo pripravili osredotočeno knjižnico analogov oroidina in klatrodina, kjer smo 3-aminopropenski distančnik zamenjali z delno rigidiziranim centralnim piperazinskim fragmentom. V okviru načrtovanja potencialnih modulatorjev napetostno odvisnih natrijevih kanalčkov smo preučili tudi vpliv zamenjave terminalnega pirola z različnimi aromatskimi ali heteroaromatskimi obroči na delovanje spojin. Sintetizirane spojine smo biološko ovrednotili na več tipih napetostno odvisnih natrijevih kanalčkov z metodo vpete krpice membrane. Ugotovili smo, da pripravljene spojine izkazujejo šibko jakost delovanja na tip 1.3 natrijevih kanalčkov, pri čemer je pomembna razdalja med terminalnima heteroaromatskima dušikoma. Potrdili smo domnevo, da je za delovanje ključen aminoimidazolni fragment, katerega bioizosterne zamenjave niso bile tolerirane v kontekstu delovanja na kanalčke. Opazili smo tudi ključno prisotnost karbonilne skupine ob terminalnem pirol-2-karboksilnem strukturnem fragmentu. Le-tega smo zamenjali z večjim heteroaromatskim indol-2-karbonilom in pripravili piperazinski analog klatrodina z IC50 vrednostjo 19 μM in selektivnim delovanjem na 1.3 tipu napetostno odvisnih natrijevih kanalčkov. Spojina ni izkazovala delovanja na 1.4, 1.5 ter 1.7 tipih napetostno odvisnih natrijevih kanalčkov in predstavlja dobro izhodišče za nadaljnji razvoj piperazinskih analogov klatrodina in oroidina kot selektivnih modulatorjev 1.3 tipa napetostno odvisnih natrijevih kanalčkov. Sekundarni metaboliti morskih spužev in njihovih simbiotskih organizmov nastopajo v razmnoževalnih, signalnih, regulacijskih in obrambnih vlogah ter imajo posledično polifarmakološke učinke. Raziskovana alkaloida klatrodin in oroidin iz morskih spužev Agelas sta tako poleg modulacije napetostno odvisnih natrijevih kanalčkov v literaturi opisana kot zaviralca nastanka bakterijskih biofilmov in kot protibakterijski učinkovini. Ker opažamo naraščajoči pojav bakterijske rezistence in upad učinkovitosti že uporabljanih farmakoloških pristopov, smo se v drugem delu doktorskega dela osredotočili na razvoj protibakterijskih učinkovin. Odkrili smo strukturne podobnosti med oroidinom oz. klatrodinom, njunimi piperazinskimi analogi in v literaturi prisotnimi piroloamidnimi zaviralci DNA giraze B. Bakterijska DNA giraza je esencialen encim, ki katalizira uvajanje negativnih zavojev na molekuli DNA oziroma katalizira topološko sproščanje ob podvajanju bakterijske DNA. Podenota B skrbi za hidrolizo molekule ATP in dovaja energijo za funkcionalno delovanje encima. Kjub substratu ATP, encim predstavlja ustrezno in validirano tarčo za razvoj novih protibakterijskih učinkovin. V nasprotju s ključnim aminoimidazolnim fragmentom, ki je bil potreben za modulatorno delovanje piperazinskih analogov oroidina ter klatrodina na napetostno odvisnih natrijevih kanalčkih, smo se pri načrtovanju spojin s potencialnim zaviralnim delovanjem na DNA girazi B osredotočili na piroloamidni oziroma amidni strukturni fragment, katerega smo pri načrtovanih spojinah ohranili. Po naših ugotovitvah ta predstavlja ključni strukturni element, ki omogoča zaviralcem DNA giraze B vzpostavitev vodikovih vezi z aminokislinskimi ostanki v adeninskem žepku ATP vezavnega mesta. Piroloamidna oziroma amidna struktura je pri zaviralcih DNA giraze B podobno povezana preko cikličnih, aromatskih, heteroaromatskih, bicikličnih in kondenziranih cikličnih distančnikov do drugega ključnega strukturnega elementa, ki pa poseduje polarno oziroma kislo funkcionalno skupino. Slednja omogoča drugi ključni kontakt zaviralcev DNA giraze B z bazičnimi argininskimi aminokislinskimi ostanki na vhodu v ATP vezavno mesto. Raziskovana naravna alkaloida in serijo njunih piperazinskih analogov smo uporabili pri in silico metodologiji virtualnega rešetanja in identificirali še aminopiperidinski in cikloheksanski distančnik kot primerna za pripravo knjižnice potencialnih zaviralcev DNA giraze B. Sintetizirali smo več kot 60 spojin treh strukturnih tipov in raziskovali vpliv strukture in konfiguracije uporabljenih distančnikov na zaviralno delovanje izoliranega encima DNA giraze B iz bakterijskega seva E. coli. Poleg centralnega skeleta smo poskušali preučiti tudi optimalno dolžino in velikost terminalnega strukturnega fragmenta z estrsko oziroma karboksilno funkcionalno skupino ter vpliv zamenjave ključnega piroloamidnega fragmenta z večjim indoloamidom. Identificirali in validirali smo pirolo-amino-piperidinski skelet s pripravljenimi spojinami, ki so izkazovale IC50 vrednosti na DNA girazi B v nizkem mikromolarnem območju. Spojina z alifatskim glutaratnim terminalnim fragmentom in pirolo-amino-piperidinskim skeletom pa je izkazovala zaviranje DNA giraze B z IC50 vrednostjo 480 nM. Prav tako smo identificirali primerno konfiguracijo cikloheksanskega distančnika in pripravili spojino s pirolo-1,4-trans-substituiranim cikloheksanskim skeletom in terminalnim glicinskim fragmentom ter IC50 vrednostjo 15.1 μM na DNA girazi B. Na podlagi podatkov vrednotenja encimske inhibicije smo pripravljene piperazinske, piperidinske in cikloheksanske zaviralce DNA giraze B uporabili za študij samega ATP vezavnega mesta. Z in silico metodami molekulskega sidranja in molekulske dinamike smo ocenili sposobnost vezave pripravljenih spojin v ATP vezavno mesto DNA giraze B in preučevali nastanek ključnih interakcij z Asp73 (E. coli številčenje) in bazičnimi argininskimi aminokislinski ostanki na vhodu v vezavno mesto. Preučili smo konformacijo uporabljenih distančnikov in dolžino terminalega fragmenta s karboksilno funkcionalno skupino. Prav tako smo razvili in silico pristop za identifikacijo ključnih ohranjenih molekul vode v ATP vezavnem mestu DNA giraze B ter dodatno potrdili vlogo ohranjene molekule vode pri vzpostavitvi vodikovih vezi med ligandom in adeninskim žepkom v aktivnem mestu DNA giraze B. Spojine s pirolo-amino-piperidinskim skeletom in zaviralnim delovanjem in vitro smo ovrednotili še z metodo površinske plazmonske resonance, kjer smo merili Kd vrednosti zaviralcev pri vezavi na fragment G24, ki je poznan kot najmanjši ATP-vezajoči proteinski fragment giraze B. Za spojine smo izmerili Kd vrednosti od 11 do 12 μM ter potrdili predhodne izmerjene IC50 vrednosti v nizkem mikromolarnem območju. Raziskovalno delo potrjuje obstoječe rezultate in strukturne študije potencialnih zaviralcev DNA giraze B ter omogoča trdne temelje za nadaljnji razvoj ključno potrebnih protibakterijskih učinkovin na terapevtski tarči DNA girazi B. Nadalje smo na podlagi farmakoinformatike identificirali knjižnico 1,3-tiazolidin-4-onov kot potencialnih protibakterijskih učinkovin in s pomočjo in silico podpore molekulskega modeliranja predlagali njihov mehanizem delovanja na encimski tarči undekaprenilpirofosfat sintazi. Spojine smo mikrobiološko ovrednotili ter določili minimalne zaviralne koncentracije na rast petih bakterijskih sevov in glivnega seva C. albicans. Knjižnica je izkazovala protibakterijsko delovanje pri čemer smo spojini (Z)-4-((2-(4-metil-piperidin-1-il)-4-oksotiazol-5(4H)-iliden)metil)benzonitril izmerili MIC vrednost 10 μg/mL na bakterijskem sevu P. aeruginosa.

Jezik:Slovenski jezik
Ključne besede:protibakterijske učinkovine, ionski kanalčki, napetostno odvisni natrijevi kanalčki, modulatorji, načrtovanje, sinteza, naravne spojine vodnice, kemijske knjižnice, rešetanje, morske spužve, Agelas, sekundarni metaboliti, oroidin, klatrodin, biološka aktivnost, vrednotenje, metoda vpete krpice membrane, disertacije
Vrsta gradiva:Doktorsko delo/naloga
Tipologija:2.08 - Doktorska disertacija
Organizacija:FFA - Fakulteta za farmacijo
Kraj izida:Ljubljana
Založnik:[M. Jukič]
Leto izida:2016
Št. strani:XX, 205 str.
PID:20.500.12556/RUL-143759 Povezava se odpre v novem oknu
UDK:615.324:593.4(043.3)
COBISS.SI-ID:283454976 Povezava se odpre v novem oknu
Datum objave v RUL:11.01.2023
Število ogledov:604
Število prenosov:177
Metapodatki:XML DC-XML DC-RDF
:
Kopiraj citat
Objavi na:Bookmark and Share

Sekundarni jezik

Jezik:Angleški jezik
Naslov:Use of natural lead compounds and in silico screening of compound libraries in the design and synthesis of new antibacterials and ion channel modulators
Izvleček:
Voltage-gated sodium channels are large transmembrane protein complexes responsible for ion current transmission in nerve, muscle and endocrine cells and cell systems. Defects in their expression and function are linked to multiple pathological conditions. Treatment of these conditions such as epilepsy, central nervous system diseases, heart complications and various pain states is still challenging due to nonselective action of used drugs on multiple voltage-gated sodium channels and subsequent adverse side effects. Development of selective modulators of specific voltage-gated sodium channel isoforms would thus be beneficial and would enable profound studies on the role of individual voltage-gated sodium channel isoform in patophysiology. Due to under-explored chemical space of marine natural products we selected alkaloids oroidin and clathrodin as starting point for the discovery of novel modulators of voltage-gated sodium channels. Compounds are composed of two terminal fragments, namely 2-aminoimidazole and pyrrole-2-carboxamide, interconnected by a central 3-aminopropene linker moiety. In the scope of our research hypothesis we postulated that terminal aminoimidazole represents key pharmacophoric element, hence we primarily exchanged the central linker moiety with a sterically rigidified piperazine structure by using ligand based drug design methodology. Our next goal was a systematic study of the influence of terminal fragment exchange on potency of synthesized compounds and involvement of postulated pharmacophoric element. All compounds were biologically evaluated on multiple voltage-gated sodium channel isoforms using patch clamp technique. On some of prepared compounds we measured modest potency on voltage-gated sodium channel 1.3 isoform and determined that distance between terminal heterocyclic nitrogens is a crucial parameter. We confirmed our pharmacophoric element assumption as replacement of terminal aminoimidazole led to loss of potency. The role of heterocyclic moiety opposite of aminoimidazole was also elaborated and presence of carbony group at the heterocyclic amide identified as necessary for potency. Replacement of pyrrolo-2-carboxyl fragment with larger indolo-2-carbonyl led to piperazine clathrodin analogue with an IC50 value of 19 μM, selective on 1.3 voltage-gated sodium channel isoform. Prepared library of piperazine oroidin (clathrodin) analogues is a suitable starting point for further research on 1.3 voltage-gated sodium channel selective modulators, especially in the light of emerging new channel structural data. Secondary metabolites of sea sponges and their symbiotic organisms are involved in reproduction, signalling, regulation and defence roles in wholesome biological systems and they accordingly often display polypharmacological effects. Studied alkaloids oroidin and clathrodin from see sponges of the genus Agelas are reported in literature also as inhibitors of bacterial biofilm formation and antibacterial compounds. The latter observation is especially interesting in the light of emerging incidence of bacterial resistence and downfall of antibacterial therapy effectiveness. In the second part of research thesis we focused on antibacterial targets and identified structural similarity between oroidin lead compounds, prepared oroidin piperazine analogues and small molecule inhibitors of DNA gyrase B reported in literature. DNA Gyrase B is an essential bacterial enzyme responsible for the introduction of negativive supercoils or topological relaxation of DNA molecule during replication. It is composed of two subunits where subunit A performs operations on DNA molecule and subunit B hydrolises ATP supplying the required free energy. In spite of ATP as the substrate of DNA gyrase B, this enzyme subunit is a validated target for discovery of antibacterial compounds. In contrast with key aminoimidazole fragment, that was essential for potency of piperazine oroidin (clathrodin) analogues on voltage-gated sodium channels, we focused on second pyrrole-2-carboxamide terminal fragment in the design of potential inhibitors of DNA gyrase B. The latter fragment was reported as a structure element that enables crucial interactions with amino acid residues in adenine pocket of ATP binding site on DNA gyrase B. Pyrrole-2-carboxamide or amide moiety is similarly connected to the second pharmacophoric element via a cyclic, aromatic, heteroaromatic, bicyclic, condensed bicyclic or other similar linker in small molecule DNA gyrase B inhibitors reported in literature. Aforementioned second pharmacophoric element is where our initially observed similarities end. Here a structural fragment incorporating a polar or preferably acidic group is imperative as it enables key interactions towards arginine residues at the ATP binding site entrance of DNA gyrase B. We employed our leads and their piperazine analogues in the in silico virtual screening campaign only to identify additional aminopiperidine and cyclohexane central linkers for the development of focused library of potential DNA gyrase B inhibitors. We synthesized more than 60 compounds of three structural types in order to evaluate the influence of central linker and suitability of various simple aliphatic and aromatic terminal fragments incorporating a carboxyl or ester group on the inhibitory potency of compounds on isolated DNA gyrase B from E. coli. We also investigated the effects of pyrrole-2-carboxamide / indole-2-carboxamide pharmacophore exchange. We identified and validated pyrrolo-aminopiperidine scaffold in combination with prepared compounds that displayed IC50 values in low micromolar range. Compound with pyrrolo-aminopiperidine scaffold and glutaryl terminal acidic fragment possessed an IC50 value of 480 nM. Secondly, we recognised a suitable 1,4-substituted cyclohexane central linker. Representative pyrrolo-1,4-trans-cyclohexane scaffold compound incorporating a terminal glycine fragment displayed an IC50 value of 15.1 μM on DNA gyrase B. With the biological evaluation data in hand, we used prepared compounds to study the possible binding modes. With in silico methodology of molecular docking and molecular dynamics the possible binding into ATP active site was confirmed. Furthermore, previously published binding mode of small molecule DNA gyrase B inhibitors was corroborated and our compounds were found capable of interacting with Asp73 (E. coli numbering) at the adenine binding pocket and arginine residues near the ATP binding site entrance. We also developed an in silico approach towards identification of key conserved water molecules in ATP binding site and substantiated previous reports on water-mediated hydrogen bonds between ligand and amino acid residues in adenine pocket of DNA gyrase B ATP binding site. Compounds of the pyrrolo-aminopiperidine structural class were also evaluated using surface plasmon resonance where binding to the G24 protein known as the smallest ATP binding fragment of DNA gyrase B. Most potent compounds displayed affinity to the G24 protein with the Kd values of 11–12 μM, a result in agreement with our IC50 experiments. Our research confirms preceding results and strucutral studies on DNA gyrase B inhibitors and enables a solid foundation for futere design and development of DNA gyrase B as potential antibacterial compounds. In the additional investigation, we selected a library of 1,3-tiazolidin-4-one compounds and with the help of pharmacoinformatics and in silico molecluar modelling proposed their mechanism of action on the bacterial enzyme undecaprenylpyrophosphate synthase. Compounds were biologically evaluated and minimal inhibitory concentrations were measured on 5 bacterial strains and C albicans yeast. The library displayed modest antibacterial activity where (Z)-4-((2-(4-methyl-piperidin-1-yl)-4-oxothiazol-5(4H)-ylidene)methyl)benzonitrile was the most potent with a MIC value of 10 μg/mL on P. aeruginosa bacterial strain.


Projekti

Financer:ARRS - Agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije
Številka projekta:P1-0208
Naslov:Farmacevtska kemija: načrtovanje, sinteza in vrednotenje učinkovin

Financer:ARRS - Agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije
Številka projekta:J1-6743
Naslov:Razvoj računalniških orodij za modeliranje farmacevtsko zanimivih molekul

Podobna dela

Podobna dela v RUL:
Podobna dela v drugih slovenskih zbirkah:

Nazaj