Εικονικός βιολογικός έλεγχος βάσεων δεδομένων χημικών μορίων με τριδιάστατα μοντέλα ποσοτικών σχέσεων δομής-δράσης (3D-QSAR): εξερεύνηση καινοτόμων φαρμακευτικών μορίων για τη θεραπεία της ηπατίτιδας C και της μεσογειακής αναιμίας

Abstract

The aim of this dissertation was the in silico identification of new compoundsagainst hepatitis C and beta-thalassaemia diseases.Hepatitis C, caused by hepatitis C virus (HCV), mainly affects the liver andhas spread worldwide in recent decades. To date, no vaccine has beendiscovered against hepatitis C virus, while the current therapy is effective onlyin limited cases. The HCV NS5B RNA-dependent RNA polymerase is the keyfunction of the replication of viral RNA, constituting a therapeutic target ofdisease. Search of inhibitors of HCV NS5B RNA polymerase has led to theinvestigation of the nucleoside (NIs) and non-nucleoside inhibitors (NNIs),targeting on the catalytic site and allosteric sites (palm, thumb, fingers) of theenzyme, respectively. NNIs have attracted the particular interest ofresearchers.Molecular docking, 3D-QSAR CoMSIA and similarity search were combined ina multi-step framework with the ultimate goal to identify potent indole analogs,in the ChEMBL database, as inhibitors of HCV replication, in a virtualscreening procedure. Initially, 41 known inhibitors were docked into theenzyme ‘‘Palm II’’ active site. In a second step, the docking pose of eachcompound was used in a receptor-based alignment for the generation of theCoMSIA fields. A validated 3D-QSAR CoMSIA model was subsequently builtto accurately estimate the activity values. The proposed framework gaveinsight into the structural characteristics that affect the binding and theinhibitory activity of these derivatives on HCV polymerase. The obtained in silico model was used to predict the activity of novel compounds prior to theirsynthesis and biological testing, within a virtual screening procedure. TheChEMBL database was mined to afford 18 compounds containing the indolescaffold that are predicted to possess high activity and thus can be prioritizedfor biological screening.A similar combination of the computational methods: (i) molecular docking, (ii)3D-QSAR CoMFA, (iii) similarity search and (iv) virtual screening usingPubChem database was applied to identify new anthranilic acid-basedinhibitors of HCV replication. 53 known inhibitors were initially docked into the ‘‘Thumb Pocket 2’’ allosteric site of the crystal structure of the RNApolymerase. Then, the CoMFA fields were generated through a receptorbasedalignment of docking poses to build a validated and stable 3D-QSARCoMFA model. The proposed model was utilized to get insight into themolecular features that promote bioactivity, and then a virtual screeningprocedure was used to estimate the activity of novel potential bioactivecompounds.Beta-thalassaemia is a common blood disorder spread worldwide, thatreduces the production of hemoglobin (Hb). Pharmacological reactivation ofthe γ-globin gene for the production of fetal haemoglobin (HbF) is a verypromising therapeutic avenue for the disease. K562 human erythroleukemiccell line has the potential to highly express the γ- but not the β-globin gene.Erythroid differentiation of K562 cells is associated with an increase in theexpression of embryo-fetal globin genes such as ζ, ε, and γ-globin genes.This characteristic makes K562 cells a widely useful model cell line for thestudy of compounds that are potential γ-globin inducers for use β–thalassaemiaIn an attempt to aid the design of new chemotypes with enhanced cytotoxicityagainst K562 cells, 3D pharmacophore models were generated and 3DQSARCoMFA and CoMSIA studies were carried out on the 33 novel ABLkinase inhibitors (E)-α-benzylthio chalcones. BCR-ABL is a constitutivelyactive tyrosine kinase that is responsible for the malignant transformation andchronic myelogenous leukemia (CML). A five-point pharmacophore (AHHRR) with a hydrogen bond acceptor, two hydrophobic groups, and two aromaticrings as pharmacophore features, and a statistically significant 3D-QSARmodel with excellent predictive power were developed. The pharmacophoremodel was also used for alignment of 33 compounds in a CoMFA/CoMSIAanalysis. The contour maps of the fields of CoMFA and CoMSIA models wereutilized to provide structural insight into how these molecules promote theirtoxicity. The possibility of using this model for the design of drugs for thetreatment of β–thalassaemia since several BCR-ABL inhibitors are able topromote erythroid differentiation and γ–globin expression in CML cell linesand primary erythroid cells was discussed.

Σκοπός της διδακτορικής διατριβής ήταν ο in silico εντοπισμός νέων ενώσεων κατά των νόσων της ηπατίτιδας C και της μεσογειακής αναιμίας.Η ηπατίτιδα C, η οποία τις τελευταίες δεκαετίες διαδόθηκε παγκόσμια,οφείλεται στον ιό της ηπατίτιδας C (Hepatitis C Virus, HCV) που προσβάλει κυρίως το ήπαρ. Μέχρι σήμερα, δεν έχει ανακαλυφθεί το εμβόλιο κατά της ηπατίτιδας C, ενώ η σύγχρονη φαρμακευτική αγωγή είναι αποτελεσματική μόνο σε περιορισμένες περιπτώσεις. Η RNA-εξαρτώμενη RNA πολυμεράση NS5B του HCV είναι το κλειδί λειτουργίας της αντιγραφής του ιικού RNA,αποτελώντας θεραπευτικό στόχο της νόσου. Η αναζήτηση αναστολέων τηςRNA πολυμεράσης NS5B του HCV έχει οδηγήσει στη διερεύνηση των νουκλεοζιτικών (NIs) και μη νουκλεοζιτικών αναστολέων (NNIs), που δρουν στο καταλυτικό κέντρο και στις αλλοστερικές θέσεις («παλάμη», «αντίχειρας»,«δάχτυλα») του ενζύμου, αντίστοιχα, με τους τελευταίους να έχουν προσελκύσει το ιδιαίτερο ενδιαφέρον των ερευνητών.Στην παρούσα εργασία, συνδυάστηκε η μοριακή πρόσδεση, το 3D-QSARCoMSIA (Three Dimensional Quantitative Structure-Activity RelationshipComparative Molecular Similarity Indices Analysis) και η αναζήτηση ομοιότητας, με σκοπό να εντοπιστούν ισχυρά παράγωγα του ινδολίου στη βάση δεδομένων της ChEMBL, ως αναστολείς της αντιγραφής του HCV,μέσω της εικονικής διαλογής. Σε πρώτο στάδιο πραγματοποιήθηκαν υπολογισμοί μοριακής πρόσδεσης 41 παραγώγων στο ενεργό κέντρο του ενζύμου, «παλάμη» ΙΙ. Σε δεύτερο στάδιο χρησιμοποιήθηκε η πόζα πρόσδεσης της κάθε ένωσης για την ευθυγράμμιση με βάση τον υποδοχέα και την παραγωγή των πεδίων CoMSIA. Στη συνέχεια, κατασκευάστηκε ένα επικυρωμένο μοντέλο 3D-QSAR CoMSIA, ώστε να υπολογιστούν με ακρίβεια οι τιμές δραστικότητας. Η ροή εργασίας έδωσε πληροφορίες για τα δομικά χαρακτηριστικά που επηρεάζουν την πρόσδεση και την ανασταλτική δραστικότητα αυτών των παραγώγων στην πολυμεράση του HCV. Το ληφθένin silico μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για την πρόβλεψη της δραστικότητας νέων ενώσεων πριν από τη σύνθεση και βιολογική δοκιμή τους, μέσω της διαδικασίας της εικονικής διαλογής. Η βάση δεδομένων της ChEMBL που χρησιμοποιήθηκε έδωσε 18 νέες ενώσεις που περιέχουν το ινδολικό σκελετό και προβλέπεται να έχουν υψηλή δραστικότητα και, ως εκ τούτου, να τους δοθεί προτεραιότητα για βιολογική εξέταση.Ακολουθήθηκε μία παρόμοια ροή εργασίας με συνδυασμό των υπολογιστικών μεθόδων: (i) μοριακής πρόσδεσης, (ii) 3D-QSAR CoMFA (ComparativeMolecular Fields Analysis), (iii) αναζήτησης ομοιότητας και (iv) εικονικής διαλογής της βάσης δεδομένων της PubChem για τον εντοπισμό νέων δυνάμει αναστολέων του HCV με δομή βασισμένη στο ανθρανιλικό οξύ. Αυτή τη φορά, 53 ενώσεις προσδέθηκαν στην αλλοστερική θέση της RNA πολυμεράσης, στον «αντίχειρα» II. Τα πεδία CoMFA δημιουργήθηκαν μέσω της ευθυγράμμισης των προσδεμένων δομών στο ένζυμο, ώστε να κατασκευαστεί ένα επικυρωμένο και σταθερό μοντέλο 3D-QSAR CoMFA. Το προτεινόμενο μοντέλο έδωσε μία πρώτη εικόνα για τα μοριακά χαρακτηριστικά που προάγουν τη βιοδραστικότητα, και στη συνέχεια μέσω της εικονικής διαλογής, εκτιμήθηκε η δραστικότητα νέων δυνάμει βιοδραστικών ενώσεων.Η μεσογειακή αναιμία (ή β-θαλασσαιμία) είναι μια κοινή διαταραχή του αίματος, που μειώνει την παραγωγή της αιμοσφαιρίνης (Hb) και εμφανίζεται σε όλες τις περιοχές της υφηλίου. Η φαρμακολογική επανενεργοποίηση του γονιδίου της γ-σφαιρίνης για την παραγωγή της εμβρυϊκής αιμοσφαιρίνης(HbF) αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη θεραπευτική οδό για τη νόσο. Η ερυθρολευχαιμική ανθρώπινη κυτταρική σειρά Κ562 έχει τη δυνατότητα να εκφράσει τη γ- αλλά όχι τη β-σφαιρίνη. Η διαφοροποίηση των αιμοποιητικών κυττάρων Κ562 σχετίζεται με την αύξηση στην έκφραση των γονιδίων της εμβρυϊκής σφαιρίνης, όπως των γονιδίων της ζ, ε, και γ-σφαιρίνης. Αυτό το χαρακτηριστικό καθιστά τα κύτταρα Κ562 ένα ευρέως χρήσιμο μοντέλο κυτταρικής σειράς για τη μελέτη ενώσεων που είναι δυνητικοί επαγωγείς της γ-σφαιρίνης στη θεραπεία της β-θαλασσαιμίας. Σε μια προσπάθεια σχεδιασμού νέων χημειοτύπων με ενισχυμένη κυτταροτοξικότητα εναντίον των κυττάρων της σειράς Κ562, παράχθηκαν 3D φαρμακοφόρα μοντέλα, ενώ διεξήχθησαν μελέτες 3D-QSAR CoMFA καιCoMSIA σε 33 (Ε)-α-βενζυλο-θειο χαλκόνες, ως νέοι αναστολείς της BCRABL.Η BCR-ABL είναι μια μονίμως ενεργή κινάση τυροσίνης, η οποία είναι υπεύθυνη για τον κακοήθη μετασχηματισμό και τη χρόνια μυελογενή λευχαιμία (CML). Αναπτύχθηκε ένα φαρμακοφόρο πέντε τοποθεσιών(AHHRR), με ένα δέκτη δεσμού υδρογόνου, δύο υδρόφοβες ομάδες, και δύο αρωματικούς δακτυλίους ως φαρμακοφόρα χαρακτηριστικά, και προέκυψε ένα σημαντικό στατιστικά μοντέλο 3D-QSAR με εξαιρετική δυνατότητα πρόβλεψης. Το φαρμακοφόρο μοντέλο χρησιμοποιήθηκε επίσης για την ευθυγράμμιση των 33 ενώσεων σε μία ανάλυση CoMFA/CoMSIA. Οι ισοϋψείς χάρτες για τα πεδία CoMFA και CoMSIA παρείχαν μία δομική εικόνα για το πώς αυτά τα μόρια προωθούν την τοξικότητα τους. Συζητήθηκε η δυνατότητα χρήσης αυτού του μοντέλου για τον σχεδιασμό φαρμάκων στη θεραπεία της β-θαλασσαιμίας, δεδομένου ότι αρκετοί αναστολείς της BCR-ABL είναι σε θέση να επάγουν τη διαφοροποίηση των αιμοποιητικών κυττάρων Κ562 (κυτταρική σειρά της CML BCR-ABL) και, ως εκ τούτου την ενεργοποίηση της γ-σφαιρίνης.