Applications of theoretical and biophysical studies on rational drug design

Abstract

In this thesis, several aspects of rational drug design were studied by employing a plethora of computational techniques. Initially, the gold catalyzed cyclization mechanism of functionalized allenes was studied, by implementing quantum chemistry calculations. Both allenic moieties and their derivatives are used as drug building blocks in a wide variety of pharmaceutical categories, due to their reactivity and stereoselectivity. The next aim of this study was the fluorescence mechanism investigation of a novel theranostic device with the use of excited state quantum chemistry. In particular, a gemcitabine analogue which shows fluorescence as a prodrug was studied, allowing for the real-time observation of the drug delivery while when it is in the tumour environment, it releases the cytotoxic drug along with a fluorescent mark. Our theoretical results correctly predicted the above mechanism and were confirmed by preliminary fluorimetry assays. Finally, the drug binding mechanism of candesartan to AT1R was studied in this thesis, with the use of Molecular Dynamics. We observed that in pure DPPC bilayers candesartan approaches the receptor through the lipid membrane (indirect mechanism) while the extracellular entrance of the receptor (direct mechanism) is blocked by its N-terminus. When complex lipid membranes were modelled with 40% of cholesterol, our simulations showed that cholesterol binds the receptor in a special area characterized as Cholesterol Consensus Motif. The binding of cholesterol induces allosteric modulations on the receptor, resulting in a more accessible extracellular entrance while the ordering that induces on the lipid bilayer delays candesartan lateral diffusion to the receptor, through the lipid membrane.

Σε αυτή τη διατριβή μελετήθηκαν διάφορες πτυχές του ορθολογικού σχεδιασμού φαρμάκων, χρησιμοποιώντας μια πληθώρα υπολογιστικών τεχνικών. Αρχικά μελετήθηκε ο μηχανισμός κυκλοποίησης ενεργοποιημένων αλλενίων με καταλύτη σύμπλοκα του χρυσού, εφαρμόζοντας κβαντικούς υπολογισμούς. Τόσο αλλενικά τμήματα όσο και παράγωγά τους χρησιμοποιούνται ως δομικά τμήματα φαρμακευτικών μορίων σε μεγάλη ποικιλία φαρμακευτικών κατηγοριών, χάρη στη μεγάλη δραστικότητα και τη στερεοειδικότητά τους. Ο επόμενος στόχος αυτής της εργασίας ήταν η διερεύνηση του μηχανισμού φθορισμού ενός νέου ιατροτεχνολογικού προϊόντος με διαγνωστικές και χημειοθεραπευτικές ικανότητες, εφαρμόζοντας κβαντικούς υπολογισμούς διεγερμένης κατάστασης. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε ένα ανάλογο της γεμσιταβίνης το οποίο παρουσιάζει φθορισμό ως προφάρμακο, επιτρέποντας την παρακολούθηση της στοχευμένης διανομής του φαρμάκου σε πραγματικό χρόνο, ενώ παράλληλα απελευθερώνει το κυτταροτοξικό φάρμακο κι έναν φθορίζοντα σηματοδότη στο περιβάλλον του καρκινικού όγκου. Τα θεωρητικά μας αποτελέσματα προέβλεψαν σωστά τον παραπάνω μηχανισμό φθορισμού, γεγονός που επιβεβαιώνεται και από τις πρώτες φθορισμομετρικές αναλύσεις. Τέλος, σε αυτή τη διατριβή μελετήθηκε ο μηχανισμός πρόσδεσης της καντεσαρτάνης στον υποδοχέα ΑΤ1R μέσω προσομοιώσεων Μοριακής Δυναμικής. Παρατηρήθηκε πως σε απλές λιπιδικές διπλοστιβάδες από DPPC η καντεσαρτάνη προσεγγίζει τον υποδοχέα μέσω της λιπιδικής μεμβράνης (έμμεσος μηχανισμός) ενώ η εξωκυττάρια είσοδος του ΑΤ1R (άμεσος μηχανισμός) εμποδίζεται από το Ν-τελικό του άκρο. Όταν μοντελοποίηθηκαν πιο σύνθετες λιπιδικές μεμβράνες με 40% χοληστερόλη, οι προσομοιώσεις μας έδειξαν πως η χοληστερόλη προσδένεται στον υποδοχέα σε μια ειδική περιοχή η οποία έχει χαρακτηριστεί ως Cholesterol Consensus Motif. Η πρόσδεση της χοληστερόλης σε αυτή την περιοχή προκαλεί αλλοστερικές αλλαγές στον υποδοχέα, καθιστώντας την εξωκυττάρια περιοχή του περισσότερο προσβάσιμη, ενώ παράλληλα αυξάνει την τάξη στις λιπιδικές μεμβράνες, επιβραδύνοντας την πλευρική διάχυση της καντεσαρτάνης προς αυτόν, μέσω της λιπιδικής στιβάδας.