aplicação de métodos computacionais no estudo da - início

ALESSANDRA MENDONÇA TELES DE SOUZA
“APLICAÇÃO DE MÉTODOS COMPUTACIONAIS NO ESTUDO
DA RELAÇÃO ESTRUTURA-ATIVIDADE E PERFIL
TOXICOLÓGICO DE NOVOS COMPOSTOS ANTIPARASITÁRIOS
E ANTIMICOBACTERIANOS”
Orientadores:
Prof. Dr. Carlos Rangel Rodrigues
Prof. Dr. Vitor Francisco Ferreira
Niterói
Julho/2007
ALESSANDRA MENDONÇA TELES DE SOUZA
“APLICAÇÃO DE MÉTODOS COMPUTACIONAIS NO ESTUDO
DA RELAÇÃO ESTRUTURA-ATIVIDADE E PERFIL
TOXICOLÓGICO DE NOVOS COMPOSTOS ANTIPARASITÁRIOS
E ANTIMICOBACTERIANOS”
Dissertação
de
Mestrado
apresentada ao Programa de PósGraduação em Química Orgânica da
Universidade Federal Fluminense
como requisito parcial para obtenção
do Grau de Mestre em Química
Orgânica.
Orientadores
Prof. Dr. Carlos Rangel Rodrigues
Prof. Dr. Vitor Francisco Ferreira
Niterói
Julho/2007
S 729
Souza, Alessandra Mendonça Teles de
Aplicação de métodos computacionais no estudo da relação estrutura-atividade e perfil toxicológico de novos compostos antiparasitários e antimicobacterianos/Alessandra Mendonça Teles de Souza. – Niterói: [s. n.], 2007.
96f.
Dissertação – (Mestrado em Química Orgânica) – Universidade Federal Fluminense, 2007.
1. Naftoquinonas – Derivados. 2. Triazol – Derivados. 3.
Modelagem molecular. 4. Antiparasitários. 4. Antimicobacterianos. I. Título.
CDD. 547.71
“Jamais considere seus estudos como uma obrigação,
mas como uma oportunidade invejável (...)
para seu próprio prazer pessoal e para proveito da comunidade
à qual seu futuro trabalho pertencer.”
(Albert Einstein)
Aos meus amados pais e
à minha irmã, pelo amor e sinceridade.
Dedico-lhes esta conquista como gratidão.
Agradecimentos
Embora uma dissertação seja, pela sua finalidade acadêmica, um trabalho
individual, há contribuições de natureza diversa que não podem nem devem deixar de
ser ressaltados. Por essa razão, expresso meus sinceros agradecimentos:
À minha família, que é minha base. Aos meus pais pelo exemplo de vida e de
caráter, traduzidos num consistente alicerce familiar. Agradeço por acreditarem em
mim e nos meus sonhos, por todo apoio, incentivo, apostas e certezas de que nada
seria tão impossível e por me ensinar que todo o sacrifício um dia será recompensado.
Espero ter sido motivo de orgulho!
Ao professor Carlos Rangel Rodrigues, pela orientação desde a iniciação
científica, confiança, por acreditar em mim, sempre me incentivar e pelo total apoio
para execução desta dissertação.
Ao professor Vitor Francisco Ferreira, pela orientação e confiança para
execução desta dissertação.
À professora Helena Carla Castro pela acolhida no LABioMol, por todo
conhecimento compartilhado, amizade, lições de simplicidade e paciência, pelos
ensinamentos e colocações sempre pertinentes, constante disponibilidade em me
ajudar e por sua tranqüilidade nos meus momentos de aflição.
À minha irmã Sabrina, por sempre falar a verdade mesmo quando eu não
quero ouvir. Por acreditar mais em mim do que eu mesma, por me alimentar e por ser
minha amiga, além de irmã! À Nashara que mais que uma amiga, se fez irmã! Pelo
cinema de domingo e pela companhia até na lama! A conquista de uma sempre foi
comemoração para todas. O obstáculo de uma sempre reflete o auxílio e a dedicação
de todas para a superação dele!
À amiga e companheira de laboratório e congressos Paula Abreu, sempre
calma quando estou a ponto de explodir!
À Renata Dümpel, por só aparecer no laboratório no final dessa dissertação!
Aos demais colegas do LABioMol, Rafael, Bruno, Reinaldo e André, pela ótima
convivência, auxílio e conversas descontraídas. Em especial à Natália, pela
convivência e crescente amizade durante esses anos.
À Ingrid Toledo, uma amiga inesperada, por estar sempre disposta a me ouvir,
mesmo com muito sono, e pelas palavras estimuladoras.
A todos os amigos que me acompanham desde a graduação, agradeço pelos
momentos de descontração, tornando minha vida mais divertida. Principalmente à
Bianca Fraga, Renata Saraiva e Tatiana Gomes pela grande amizade e por estarem
sempre ao meu lado quando preciso.
Aos amigos Leandro Pedrosa e Rodrigo Tonioni, pelo apoio e presença
constantes nessa etapa da minha vida. Agradeço por ouvirem minhas reclamações e
me aturarem até aqui!
Aos colegas do Mestrado pela excelente relação pessoal que espero que não
se perca.
À professora Magaly Girão Albuquerque, do laboratório 609 do IQ-UFRJ, pelos
ensinamentos sobre modelagem molecular desde a iniciação científica.
À aluna de doutorado Monique Brito, do laboratório 609 do IQ-UFRJ, por estar
sempre disposta a ajudar.
Ao Fabiano Malhard, pelo ‘suporte online’ nos momentos que eu precisava.
Ao Pedro Nucci, pelas suas insistentes questões sobre modelagem molecular e
discussões científicas.
Aos demais docentes do Programa de Pós-Graduação em Química Orgânica,
que contribuíram para minha formação.
À secretária do Programa de Pós-Graduação em Química Orgânica, Liliane
Cunha de Mello, pela disponibilidade nos momentos necessários.
Índice
Lista de Abreviaturas............................................................................................i
Lista de Figuras...................................................................................................iii
Lista de Esquemas..............................................................................................vi
Lista de Tabelas.................................................................................................vii
Resumo.............................................................................................................viii
Abstract...............................................................................................................ix
1. Introdução ................................................................................................. 01
1.1 Doenças Tropicais ................................................................................ 01
1.1.1. Doença de Chagas........................................................................... 04
1.1.1.1. Ciclo Biológico do Trypanosoma cruzi......................................... 06
1.1.1.2. Fármacos antichagásicos clássicos .............................................08
1.1.1.3. Naftoquinonas antichagásicas......................................................10
1.1.2. Tuberculose ......................................................................................14
1.1.2.1. Tuberculose associada ao Vírus da Imunodeficiência Humana
(HIV)......................................................................................................... 16
1.1.2.2. Fármacos antituberculose clássicos............................................ 18
1.1.2.3. Tuberculose Resistente a múltiplos fármacos ............................. 23
1.1.2.4. Derivados triazóis antituberculose............................................... 23
1.2
Modelagem Molecular ........................................................................ 26
1.2.1. Métodos de cálculos de Modelagem Molecular .............................. .29
1.2.1.1. Mecânica Molecular..................................................................... 29
1.2.1.2. Mecânica Quântica...................................................................... 30
1.2.1.2.1. Cálculos ab initio ................................................................. 32
1.2.1.2.2. Cálculos semi-empiricos ..................................................... 34
1.2.1.2.3. Teoria do Funcional de Densidade – DFT .......................... 36
1.2.2. Descritores Moleculares.................................................................... 38
1.3
Parâmetros Farmacocinéticos .............................................................. 40
1.3.1. Absorção .......................................................................................... 43
1.3.2. Distribuição ...................................................................................... 44
1.3.3. Metabolismo e Excreção .................................................................. 44
1.4
Toxicidade ............................................................................................ 46
1.5
Propriedades Semelhantes a um Fármaco (Drug-likeness) ................. 47
2.
Objetivos ................................................................................................. 49
3. Justificativa ............................................................................................... 50
4. Metodologia............................................................................................... 54
4.1
Análise Conformacional ........................................................................ 54
4.2
Cálculos semi-empíricos....................................................................... 55
4.3
Cálculos ab initio................................................................................... 55
4.4
Cálculos DFT ........................................................................................ 58
4.5
Sobreposição........................................................................................ 58
4.6
Propriedades Semelhantes a um Fármaco (Drug-likeness) ................ 59
4.7
Toxicidade ............................................................................................ 62
4.7.1. Descrição dos tipos de toxicidade .................................................... 64
4.8. Drugscore ............................................................................................... 64
5. Resultados e Discussão........................................................................... 66
5.1 Aplicação de modelagem molecular no estudo da Relação EstruturaAtividade de derivados da lapachona com perfil tripanocida ...................... 66
5.1.1. Análise dos dados obtidos a partir dos cálculos de modelagem
molecular.................................................................................................. 66
5.2 Aplicação de modelagem molecular no estudos da Relação EstruturaAtividade de derivados 1,2,3-triazólicos com atividade antimicobacteriana 81
5.2.1. Análise dos dados obtidos a partir dos cálculos de modelagem
molecular.................................................................................................. 81
5.2.2. Análise dos parâmetros físico-químicos e perfil toxicológico ........... 91
5.2.3. Drug-likeness ................................................................................... 94
5.2.4. Toxicidade........................................................................................ 95
6. Conclusões e Perspectivas...................................................................... 96
Lista de Abreviaturas
3D
tridimensional
ADME
Absorção, Distribuição, Metabolismo e Excreção
ADMET
Absorção, Distribuição, Metabolismo, Excreção e Toxicidade
AIDS
Síndrome da Imunodeficiência Adquirida
AM1
Austin Model 1
CADD
Computer-Aided Drug Design, Desenvolvimento de fármacos
auxiliado por computador
CC50
Concentração que induz a morte de 50% das células viáveis
clogP
Lipofilicidade calculada
CMI
Concentração Mínima Inibitória
D
Debye
DFT
Density Functional Theory, Teoria do Funcional de Densidade
DNA
Ácido Desóxi-ribonucléico
e
elétrons
eV
Elétrons Volts
HF
Hartree-Fock
HIV
Vírus da Imunodeficiência Humana
HOMO
Orbital Molecular Ocupado de Maior Energia
IC50
Concentração que inibe 50% da viabilidade parasitária
IS
Índice de Seletividade
LUMO
Orbital Molecular Desocupado de Menor Energia
MDR
Multiple Drug Resistent, Resistência a múltiplos fármacos
MEP
Molecular Elestrostatic Potential, Potencial Eletrostático Molecular
MMFF
Molecular Mechanics Force Field, Campo de Força de Mecânica
Molecular
NADPH
Nicotinamida Adenosina Dinucleotídeo Fosfato
OMS
Organização Mundial da Saúde
PM
Peso Molecular
PM3
Parametric Model 3
QSAR
Correlação Quantitativa entre Estrutura Química e Atividade
RMN
Ressonância Magnética Nuclear
RTECS
Registry of Toxic Effects of Chemical Substances, Registro dos
Efeitos Tóxicos de Substâncias Químicas
i
SAR
Relação Estrutura-Atividade
SEP
Superfície de Energia Potencial
SOD
Superóxido Dismutase
STO
Orbitais do Tipo Slater
T. cruzi
Trypanosoma cruzi
TB
Tuberculose
TDR
Tropical Disease Research, Pesquisa em Doenças Tropicais
TR
Tripanotiona Redutase
u.a.
unidade atômica
UNDP
United Nations Development Programme,
Desenvolvimento das Nações Unidas
VM
Volume Molecular
Programa
de
ii
Lista de Figuras
Figura 1: Círculo vicioso entre pobreza e saúde.. ........................................................ 02
Figura 2: Impacto das doenças tropicais negligenciadas no mundo. Em cinza, países
afetados apenas com uma doença tropical negligenciada; em azul, países
afetados com duas; em verde, países afetados com três; em amarelo, países
afetados com quatro; em laranja, países afetados com cinco e em vermelho,
países afetados com seis doenças tropicais negligenciadas ............................. 03
Figura 3: Mapa das Regiões endêmicas da Doença de Chagas....... ........................... 05
Figura 4: Ciclo de vida do Trypanosoma cruzi. (A) Transmissão do parasita ao
hospedeiro vertebrado; (B) Invasão de tripomastigotas; (C) Diferenciação de
tripomastigotas em amastigostas; (D) tripomastigotas na corrente sangüínea;
(E) Transmissão do parasita para o vetor; (F) Epimastigotas proliferativas; (G)
Tripomastigotas metacíclicas infectantes. ......................................................... 07
Figura 5: Estrutura química do nifurtimox (1) e do benznidazol (2)............................... 08
Figura 6: Estrutura química das quinonas. Benzoquinona (3), 1,2-naftoquinona (4),
1,4-naftoquinona (5), antraquinona (6). ............................................................. 11
Figura 7: Naftoquinonas testadas contra a forma tripomastigotas de T. cruzi. ............. 13
Figura 8: Estimativa de incidência de tuberculose no ano de 2004. ............................. 15
Figura 9: Prevalência de casos de tuberculose em adultos co-infectados com HIV no
ano de 2004. ..................................................................................................... 17
Figura 10: Fármacos utilizados no coquetel de primeira linha para o tratamento da
tuberculose: isoniazida (13), pirazinamida (14), etambutol (15), rifampicina
(16) e estreptomicina (17). ................................................................................ 18
Figura 11: Estrutura química dos fármacos utilizados no coquetel de segunda linha:
ofloxacino (18), ciprofloxacino (19), etionamida (20), cicloserina (21), ácido pamino-salicílico (22), canamicina (23), capreomicina (24). ................................ 20
Figura 12: Estrutura química de derivados de diarilquinolina (25), fluorquinolona (26),
rifampicina (27), oxazolidinona (28) e nitroimidazol (29), com atividade
antituberculose.................................................................................................. 22
Figura 13: Equilíbrio tautomérico em 1,2,3- e 1,2,4-triazóis.......................................... 24
Figura 14: Estrutura química do derivado 1,2,3-triazol (30) com atividade
antituberculose.................................................................................................. 25
Figura 15: Estrutura química de derivados 1,2,4-triazóis (31-34) com atividade
antituberculose.................................................................................................. 26
Figura 16: Planejamentos de fármacos auxiliados por computador.............................. 28
Figura 17: Representação esquemática dos termos incluídos em um campo de força
de mecânica molecular. (A) comprimento de ligação, (B) ângulo de ligação,
(C) ângulo de torsão.......................................................................................... 30
Figura 18: Principais razões dos fracassos no desenvolvimento de fármacos. ............ 42
iii
Figura 19: Exemplos de reações de Fase 1, (A), (B) e (C) Reações de oxidação, (D)
reação de hidrólise e Fase 2, (E) conjugação com ácido glicurônico................. 46
Figura 20: Estrutura química da β-lapachona (35) e dos derivados modificados na
posição orto da função quinona, oxazol (36a), imidazol (36b) e fenazina (37). . 51
Figura 21: Distribuição de drug-likeness de fármacos comerciais (em veRmelho)
versus substâncias químicas do catálogo Fluka (em azul). ............................... 61
Figura 22: Cálculos de perfil toxicológico, propriedades físico-químicas, drug-likeness
e drug-score pelo programa Osíris, utilizando como exemplo a isoniazida (17) 62
Figura 23: Vetor do momento de dipolo molecular dos derivados naftoquinônicos
(35), (38-41). ..................................................................................................... 70
Figura 24: Mapa de Potencial Eletrostático Molecular (MEP) dos derivados
naftoquinônicos (35), (38-41), gerados na faixa de energia entre -65(azul) e
+23 (vermelho) kcal/mol. (A) frente e (B) verso dos derivados .......................... 71
Figura 25: Coeficiente de distribuição dos orbitais HOMO dos derivados
naftoquinônicos (35), (38-41). ........................................................................... 71
Figura 26: (A) Coeficiente de distribuição dos orbitais LUMO e (B) densidade de
LUMO dos derivados naftoquinônicos (35), (38-41), gerada numa superfície
de densidade eletrônica constante de 0,002 e/ua³. ........................................... 71
Figura 27: Mapa de Potencial Eletrostático Molecular dos derivados naftoquinônicos
oxiranos (35a), (38a-41a). gerados na faixa de energia entre -65(azul) e +23
(vermelho) kcal/mol. (A) frente e (B) verso dos derivados ................................. 75
Figura 28: (A) Coeficiente de distribuição dos orbitais LUMO e (B) densidade de
LUMO dos derivados naftoquinônicos oxiranos (35a), (38a-41a), gerada numa
superfície de densidade eletrônica constante de 0,002 e/ua³. ........................... 76
Figura 29: Coeficiente de distribuição dos orbitais HOMO dos derivados
naftoquinônicos oxiranos (35a), (38a-41a). ....................................................... 76
Figura 30: Vetor do momento de dipolo molecular dos derivados naftoquinônicos
oxiranos (35a), (38a-41a). ................................................................................. 76
Figura 31: Índice de Seletividade para os compostos mais ativos, β-lapachona (35), e
oxirano-α-lapachona (41a). ............................................................................... 79
Figura 32: (A) Comparação do vetor dipolo molecular e (B) Sobreposição da βlapachona (35), em azul, e do oxirano-α-lapachona (41a), em verde. ............... 80
Figura 33: Densidade de LUMO dos compostos N-fenil-1,2,3-triazóis-4-carbaldeídos
(42a-42l), gerados numa superfície de densidade eletrônica constante de
0,002e/ua³......................................................................................................... 85
Figura
34: Densidade de LUMO dos compostos N-fenil-1,2,3-triazóis-4difluormetilênicos (43a-43l), gerados numa superfície de densidade eletrônica
constante de 0,002e/ua³.................................................................................... 85
Figura 35: Mapa de Potencial Eletrostático Molecular dos derivados N-fenil-1,2,3triazóis-4-carbaldeídos (42a-42l), gerados na faixa de energia entre -65 (azul)
e +23 (vermelho) kcal/mol. ................................................................................ 87
Figura 36: Mapa de Potencial Eletrostático Molecular dos derivados N-fenil-1,2,3triazóis-4-difluormetilenos (43a-43l), gerados na faixa de energia entre -65
(azul) e +23 (vermelho) kcal/mol. ...................................................................... 87
iv
Figura 37: Vetor do momento de dipolo molecular dos derivados N-fenil-1,2,3triazóis-4-carbaldeídos (42a-42l)....................................................................... 88
Figura 38: Coeficiente de distribuição do HOMO dos derivados N-fenil-1,2,3-triazóis4-carbaldeídos (42a-42l). .................................................................................. 91
Figura
39: Potencial Drug-likeness dos compostos N-fenil-1,2,3-triazóis-4carbaldeídos (42a), (42f), (42i), (42j) e (42l) e do fármaco isoniazida (13)........ 94
Figura 40: Toxicidade dos compostos N-fenil-1,2,3-triazóis-4-carbaldeídos (42a),
(42f), (42i), (42j) e (42l) e do fármaco isoniazida (13). ...................................... 95
v
Lista de Esquemas
Esquema 1: Ciclo redox do nifurtimox. ......................................................................... 09
Esquema 2: Ciclo redox parcial induzido por quinonas. ............................................... 12
Esquema 3: Modificações estruturais na β-lapachona (35). ......................................... 52
Esquema 4: Derivados N-fenil-1,2,3-triazóis-4-carbaldeídos (42a-42l) e N-fenil-1,2,3triazóis-4-difluormetilenos (43a-43l) sintetizados e testados frente cepas de
Mycobacterium tuberculosis. ............................................................................. 53
Esquema 5: Fluxograma da metodologia aplicada no estudo de modelagem
molecular. ......................................................................................................... 57
Esquema 6: Átomos utilizados na sobreposição dos compostos tripanocidas (35) e
(41a). ................................................................................................................ 59
Esquema 7: Planejamento das naftoquinonas com modificações no anel pirano C e
no centro redox. ................................................................................................ 67
vi
Lista de Tabelas
Tabela 1: Comparação da atividade antiparasitária (IC50), citotoxicidade em células
VERO (CC50) e as propriedades eletrônicas moleculares (EHOMO, Dipolo, cLog
P) dos derivados naftoquinônicos (35), (38-41). ................................................ 69
Tabela 2 Atividade antiparasitária (IC50), citotoxicidade em células VERO (CC50) e as
propriedades eletrônicas moleculares (EHOMO, Dipolo, cLog P) dos derivados
oxiranos (35a, 38a-41a). ................................................................................... 74
Tabela 3: Comparação da atividade mínima inibitória (CMI) e das propriedades
eletrônicas dos compostos N-fenil-1,2,3-triazóis-4-carbaldeídos (42a-42l) e 4difluormetilenos (43a-43l).................................................................................. 83
Tabela 4: Parâmetros hidrofóbicos dos compostos N-fenil-1,2,3-triazóis-4-carbaldeídos
(42a-42l) e 4-difluormetilênicos (43a-43l).......................................................... 93
vii
Resumo
Derivados naftoquinônicos e triazólicos foram sintetizados por nosso
grupo e testados como agentes tripanocidas e antimicobacterianos,
respectivamente. Com o intuito de obter as características estruturais e
estereoletrônicas que podem influenciar no perfil de atividades desses
compostos, foram utilizadas técnicas computacionais. Visando analisar o perfil
toxicológico desses derivados, empregaram-se estudos teóricos in silico para
os derivados triazólicos.
No estudo dos derivados naftoquinônicos, tendo como protótipos α- e βlapachonas, o derivado oxirano da α-lapachona mostrou-se como o composto
com melhor atividade tripanocida da série. Nos estudos por modelagem
molecular, foram analisadas as modificações no anel pirano e no centro redox
da sub-unidade quinona com o intuito de avaliar as propriedades que podem
ser responsáveis pela atividade tripanocida. Os estudos demonstraram que a
transposição do anel pirano da β-lapachona, e a inserção do anel oxirano,
introduziram diferenças significativas no coeficiente de distribuição e na energia
de HOMO, na densidade de LUMO, no mapa de potencial eletrostático
molecular, no vetor dipolo molecular e na lipofilicidade calculada. O aumento da
atividade tripanocida e a baixa citotoxicidade do derivado (41a), indicam esse
composto como candidato a estudos adicionais sobre o mecanismo de ação.
O estudo da Relação Estrutura-Atividade dos derivados 1,2,3-trazóis
revela a importância da sub-unidade aceptora de ligação de hidrogênio nos
derivados cabaldeídos (42a-42l), a posição do substituinte no anel aromático, a
planaridade dos anéis triazol e fenila nesses derivados e a correlação entre o
coeficiente de distribuição de HOMO e a atividade antimicobacteriana. No
cálculo de drug-likeness dos compostos mais ativos (42a, 42f, 42i, 42j, e 42l) e
da isoniazida (13), observou-se que apenas o derivado (42f) não apresentou
um bom potencial drug-likeness enquanto o derivado (42i) apresentou o melhor
valor, incluindo o fármaco isoniazida.
Os estudos apontam os derivados triazóis (42a), (42i) e (42j), como
moléculas protótipo para a proposta de novos compostos com perfil
antituberculose.
viii
Abstract
Naphtoquinones and triazoles derivatives were synthesized by our group
and assayed as tripanocidal and antimicobacterial agents respectively. With the
aim to obtain structural and estereoelectronic features that can influence the
biological profile of these compounds, computational approaches were used.
Aiming the study of the toxicological profile, theoretical studies in silico were
performed for the triazoles derivatives.
In the molecular modeling study of the naphtoquinones derivatives,
starting from α- and β-lapachones, the oxyran derivative of α-lapachone (41a)
showed to be one of the most potent compounds. In the Molecular modeling
studies we analyzed the C-ring moiety and the redox center as the moieties
responsible for the trypanocidal and cytotoxic effects on mammalian cell line.
The methods used to delineate the structural requirements for the trypanocidal
profile pointed out that the transposition of the C-ring moiety of β-lapachone,
combined with its oxyran ring, introduced important molecular requirements for
trypanocidal activity in the HOMO energy, HOMO orbital coefficient, LUMO
density, electrostatic potential map, dipole moment vector, and calculated logP
parameter. The significant trypanocidal activity and low cytotoxicity of derivative
(41a) pointed this compound as a promising lead molecule for further studies on
the mechanism of action.
The Structure-Activity Relationship study of the 1,2,3-triazoles derivatives
revealed the importance of the hydrogen bond acceptor subunit (42a–42l), the
position in the aromatic ring, the planarity of triazole and phenyl rings in these
compounds and a correlation between HOMO coefficient distribution and the
antimicobacterial activity. In drug-likeness calculation of the most active
compounds (42a, 42f, 42i, 42j, and 42l) and isoniazide (13), we observed that
only derivative (42f) didn’t presented a good drug-likeness potential, while
derivative (42i) presented the best value among them including isoniazide.
The significant activity of the triazoles (42a), (42i) and (42j) as
antituberculosis agents, pointed them as promising lead molecules for further
synthetic and biological exploration.
ix
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
1. Introdução
1.1.
Doenças tropicais
O estabelecimento e a adoção de prioridades na pesquisa em saúde
são uma tarefa difícil, especialmente para aquelas doenças denominadas
como negligenciadas e que atingem, sobretudo, a camada da população
mundial com menor recurso financeiro. Atualmente, estas doenças ocorrem
nas regiões tropicais e subtropicais, onde permanecem como prevalentes e
se tornaram um grave problema de saúde pública1.
A relação entre pobreza e saúde tem sido extensivamente estudada e
analisada2. De forma geral, o impacto da pobreza sobre a saúde pode ser
descrito através de dois amplos canais de transmissão. O primeiro deles se
refere aos fatores de riscos que por sua vez determinam o perfil da doença.
O outro se relaciona com a disponibilidade de recursos e, portanto, tem uma
implicação direta nos meios de intervir na melhoria da saúde da população.
1
Nwaka, S.; Ridley, R.G.; “Virtual drug discovery and development for neglected
diseases through public–private partnerships”, Nat. Rev. Drug Discov., 2003, 2(11),
919-928.
2
a) Ehrenberg, J.P.; Ault, S.K. “Neglected diseases of neglected populations:
Thinking to reshape the determinants of health in Latin America and the Caribbean”,
BMC Public Health. 2005, 5, 119; b) Franco-Paredes, C.; Jones, D.; RodriguesMorales, A.J.; Santos-Preciado, J.I.; “Commentary: improving the drug health of
neglected populations in Latin America”, BMC Public Health, 2007, 7:11,
1
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Estes dois mecanismos integrados determinarão os resultados dos
programas de saúde de uma determinada região3 (Figura 1).
Figura 1: Círculo vicioso entre pobreza e saúde.
O baixo interesse da indústria farmacêutica em buscar novas formas
de tratamento de doenças consideradas como negligenciadas, nos últimos
20 anos, ocorre principalmente em função do baixo retorno financeiro,
considerando que o lançamento de um novo fármaco no mercado pode levar
entre 12 e 24 anos, desde o início das pesquisas até o lançamento no
mercado, e custar aproximadamente 1,4 bilhões de dólares4.
Uma nova abordagem, com o intuito de fixar prioridades nas
pesquisas em doenças tropicais, tem sido adotada pelo Programa Especial
para Pesquisa e Treinamento em Doenças Tropicais (The Special
Programme for Research and Training in Tropical Diseases - TDR). TDR é
um programa global de colaboração científica que se estabeleceu em 1975 e
é co-patrocinado pelo Programa de Desenvolvimento das Nações Unidas
3
Research and Development for Neglected Diseases – Lessons Learned and
Remaining Challenges, International Federation of Pharmaceutical Manufacturers
Associations (IFPMA), 2004.
4
a) Lombardino, J.G.; Lowe III, J.A.; “The role of the medicinal chemistry in drug
Discovery – Then and Now”, Nat. Rev. 2004, 3(10), 853-62.; b) Renslo, A.R.;
McKerrow, J.H.; “Drug Discovery and Development for neglected Parasitic
Diseases”, Nat. Chem. Biol., 2006, 2(12), 701-710.
2
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
(United Nations Development Programme - UNDP), o Banco Mundial (World
Bank) e a Organização Mundial da Saúde (World Health Organization WHO)5.
Os recursos financeiros são extremamente limitados para as doenças
tropicais, sendo a maioria delas referidas como doenças negligenciadas, tais
como, malaria, leishmaniose, filaríase linfática, doença de Chagas e
esquistossomose. Estas doenças são mais difíceis de prevenir ou controlar e
afetam as populações das zonas rurais, comunidades carentes e zonas de
conflitos e estão relacionadas atualmente aos sintomas de pobreza6 (Figura
2).
Figura 2: Impacto das doenças tropicais negligenciadas no mundo. Em cinza, países
afetados apenas com uma doença tropical negligenciada; em azul, países afetados com
duas; em verde, países afetados com três; em amarelo, países afetados com quatro; em
laranja, países afetados com cinco e em vermelho, países afetados com seis doenças
tropicais negligenciadas7.
5
World Health Organization, WHO, http://www.who.int/tdr, acessado em 10 de
março de 2007.
6
a) World Health Organization, “Global defense against the infectious disease
threat”, Geneva 2002.; b) World Health Organization; “Intensified control of
neglected diseases”, Report of an International Workshop. Berlim, 2003.; c) Fehr, A.;
Thürmann, P.; Razun, O.; “Editorial: Drug Development for Neglected Diseases: a
Public Health Challenge”, Trop. Med. Intern. Health, 2006, 11 (9), 1335-1338.
7
http://www.gnntdc.org/what/global.html, acessado em 07 de fevereiro de 2007.
3
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Menos de 10% dos recursos globais gastos em pesquisa em saúde
são para as doenças negligenciadas, embora elas sejam responsáveis por
cerca de 90% das doenças em todo o mundo8. O TRD auxilia
financeiramente e ajuda a coordenar esforços globais para combater as
principais doenças que atingem os países pobres. As prioridades são
definidas a partir de uma análise compreensiva das necessidades e
oportunidades de pesquisas para cada uma das dez doenças negligenciadas
listadas pelo TDR - Leishmaniose, Esquistossomose, Filaríase Linfática,
Oncocercose,
Doença
de
Chagas,
Lepra,
Tuberculose,
Malária,
Tripanossomíase Africana e Dengue9. Aproximadamente 1 bilhão de
pessoas – um sexto da população mundial – são acometidas de uma ou
mais doenças tropicais negligenciadas. Situações de conflito ou desastres
naturais agravam as condições que ajudam no processo de disseminação
dessas doenças10.
1.1.1. Doença de Chagas
A Doença de Chagas é uma das enfermidades parasitárias mais
significantes em todo o mundo. A despeito da imposição dos programas de
8
Global Forum for Health Research, http://www.globalforumhealth.org, acessado em
02 de março de 2007; b) Remme, J.H.; Blas, E.; Chitsulo, L.; Desjeux, P.M.; Engers,
H.D.; Kanyok, T.P.; Kengeya Kayondo, J.F.; Kioy, D.W.; Kumaraswami, V.; Lazdins,
J.K.; Nunn, P.P.; Oduola, A.; Ridley, R.G.; Toure, Y.T.; Zicker, F.; Morel, C.M.;
”Strategic emphases for tropical diseases research: a TDR perspective”, Trends
Parasitol., 2002, 18(10), 421-426.
9
Watkins, B. M.; “Drugs for the control of parasitic diseases: current status and
development”, Trends in Parasitology, 2003, 19 (11), 477-478.
10
World Health Organization, Department of Control of Neglected Tropical Diseases,
CDS, 2006.
4
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
saúde pública – por exemplo, o controle de vetores – ter diminuído a
incidência de novas infecções, continua sendo endêmica em grande parte da
América Latina onde mais de 40 milhões de pessoas estão expostas ao risco
nas Américas do Sul e Central5. Estima-se que 18 a 20 milhões de pessoas
estão infectadas (Figura 3). Além disso, cerca de 21 mil pessoas morrem da
doença e mais de 200 mil novos casos surgem a cada ano11.
10
Figura 3: Mapa das Regiões endêmicas da Doença de Chagas .
O Trypanosoma cruzi, o agente etiológico da Doença de Chagas,
pode ser transmitido de três maneiras, a saber: a) pela picada do triatomídeo
Rhodnius prolixus – vulgarmente chamado de barbeiro ou “kissing bug” –, b)
por transfusão sangüínea ou c) por transmissão congênita12.
11
Paulino, M.; Iribarne, F.; Dubin, M.; Aguilera-Morales, S.; Tapia, O.; Stoppani,
A.O.M.; “The Chemotherapy of Chagas‘ disease: An Overview”, Mini Rev. Med.
Chem., 2005, 5(5), 499-519.
12
http://www.dpd.cdc.gov/dpdx/HTML/TrypanosomiasisAmerican.htm, acessado em
07 de fevereiro de 2007.
5
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
1.1.1.1.
Ciclo biológico do Trypanosoma cruzi.
O ciclo de vida do parasita envolve uma passagem obrigatória por
hospedeiros
vertebrados
(mamíferos,
principalmente
humanos)
e
invertebrados (insetos triatomídeos hematófagos) 11.
O
triatomídeo
infectado,
ao
realizar
a
hematofagia,
libera
tripomastigotas metacíclicas pelas fezes, próximo ao local da picada (A). As
tripomastigotas penetram no hospedeiro através da ferida ou pelo contato
com mucosas (B). Uma vez dentro do hospedeiro, as tripomastigotas
invadem as células, onde se diferenciam na forma intracelular amastigotas
(C). As manifestações clínicas ocorrem quando a célula se rompe e as
amastigotas
atingem
a
corrente
sangüínea,
transformando-se
em
tripomastigotas (D). Essa forma invade outros tecidos do hospedeiro,
principalmente o tecido cardíaco. Quando a forma tripomastigota se encontra
na corrente sangüínea, ela não se replica. A replicação só volta a acontecer
quando o tripomastigota infecta outra célula do hospedeiro ou de um vetor
não infectado. O “barbeiro” é infectado quando faz a hematofagia em
indivíduo ou animal que possuem parasitas circulantes (E) 13 (Figura 4).
As
tripomastigotas
ingeridas
pelo
inseto
se
diferenciam
em
epimastigotas proliferativas (F), as quais, ao alcançar a parte posterior do
intestino, diferenciam-se em tripomastigotas metacíclicas infectantes (G)
13
(Figura 4).
13
Teixeira, A.R.L.; Nascimento, R.J.; Sturm, N.R.; “Evolution and pathology in
Chagas disease - A Review”, Mem. Inst. Oswaldo Cruz, 2006, 101(5), 463-491.
6
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Figura 4: Ciclo de vida do Trypanosoma cruzi. (A) Transmissão do parasita ao hospedeiro
vertebrado; (B) Invasão de tripomastigotas; (C) Diferenciação de tripomastigotas em
amastigotas; (D) tripomastigotas na corrente sangüínea; (E) Transmissão do parasita para o
vetor; (F) Epimastigotas proliferativas; (G) Tripomastigotas metacíclicas infectantes14.
A Doença de Chagas passa por dois estágios – uma fase aguda e
uma fase crônica. A fase aguda dura de 6 a 8 semanas. Uma vez que essa
fase cede, desaparecem as manifestações clínicas e a maioria dos pacientes
infectados apresenta um aspecto saudável e nenhum dano pode ser
observado nos órgãos pelos métodos padrões de diagnósticos clínicos.
Nessa
fase,
a
infecção
somente
pode
ser
detectada
por
testes
parasitológicos ou sorológicos. Essa forma da fase crônica da doença é
chamada de forma indeterminada, e na maioria dos pacientes, persiste
indefinidamente. Entretanto, alguns anos depois do início da fase crônica, 10
a 40% dos pacientes infectados, desenvolvem lesões em vários órgãos,
14
http://www.who.int/tdr/diseases/chagas/lifecycle.htm, acessado em 06 de março
de 2007.
7
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
principalmente no coração e no sistema digestivo. Essa condição é chamada
de forma cardíaca ou digestiva da doença de Chagas crônica15.
1.1.1.2.
Fármacos antichagásicos clássicos
Atualmente,
os
fármacos
disponíveis
comercialmente
para
o
tratamento da Doença de Chagas são o nifurtimox (LampitTM), e o
benznidazol (RandanilTM, RochaganTM) (Figura 5), que possuem eficiência
comprovada apenas contra a forma extracelular do parasita durante a fase
aguda. Além disso, causam efeitos adversos importantes, como anorexia,
perda de peso, vômitos, náuseas, diarréia e outros11.
O
O
S
O
O2 N
N
N
H
O
N
N
NO2
N
(1)
(2)
Figura 5: Estrutura química do nifurtimox (1) e do benznidazol (2).
O mecanismo de ação desses fármacos ocorre através da redução do
grupo nitro. No caso do nifurtimox, a redução resulta em um ânion-radical
nitrênio instável, que em seguida reage com oxigênio molecular produzindo
superóxido, um metabólito altamente tóxico, que na presença da enzima
Superóxido Dismutase (SOD), é transformado em peróxido de hidrogênio, o
qual se acumula no interior da célula, gerando radicais hidroxila, num
15
World Health organization, Control of Chagas’ disease: second report of the WHO
expert committee. Geneva, 2002.
8
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
processo conhecido como ciclo redox (Esquema 1). O mecanismo de ação
do benznidazol também envolve a redução do grupo nitro, mas os
intermediários reduzidos se ligam covalentemente as biomacromoléculas
modificando-as16,17.
T.R.
T(SH)2
Ar NO2
e
-
Ar NO2
O2
O2
SOD
2H+ + e-
H2O2
TS2
H2O + 1/2 O2
Fe2+
Fe3+
SOD= Superóxido Dismutase
T.R.= Tripanotiona Redutase
OH + -OH
Esquema 1: Ciclo redox do nifurtimox16.
Os efeitos adversos desses fármacos resultam de danos oxidativos ou
redutores nos tecidos do hospedeiro, em função da ausência de seletividade
desses fármacos em relação ao parasita18,19. Devido a sua alta toxicidade, o
16
Viodé,C.; Bettache,N.; Cenas, N.; Krauth-Siegel, R.L.; Chauvière,G.; Bakalara,
N.; Périe, J.; “Enzymatic Reduction Studies of Nitroheterocycles”, Biochem.
Pharmacol., 1999, 57(5), 549-57.
17
Boiani, M.; Boiani, L.; Denicola, A.; Ortiz, S.T.; Serna, E.; Bilbao, N.V. Sanabria, L.
Yaluff, G.; Nakayama, H.; Arias, A.R.; Vega, C.; Rolan, M. Gómez-Barrio, A.;
Cerecetto, H.; González, M.; “2H-Benzimidazole 1,3-Dioxide Derivatives: A New
Family of Water-Soluble Anti-Trypanosomatid Agents”, J. Med. Chem., 2006, 49(11),
3215-3224.
18
DoCampo, R.; Mason, R.P.; Mottley, C.; Muniz, R.P.A.; “Generation of the free
radicals induced by nifurtimox in mammalian tissues”, J. Biol. Chem., 1981, 256(21),
10930-10933.
19
Aguirre, G.; Boiani, L.; Cerecetto, H.; Fernández, M.; González, M.; Denicola, A.;
Otero, L.; Gambino, D.; Rigol, C.; Olea-Azar, C.; Faundez, M.; “In vitro Activity an
Mechanism of action against the protozoan parasite Trypanosoma cruzi of 5nitrofuryl containing thiosemicarbazones”, Bioorg. Med. Chem., 2004, 12(18), 48854893.
9
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
nifurtimox teve sua comercialização descontinuada no Brasil a partir da
década de 80, e, em seguida, na Argentina, Chile e Uruguai20.
Assim, a estratégia para o desenvolvimento de novos agentes
terapêuticos, eficazes contra a Doença de Chagas, é a busca de compostos
que possam levar à erradicação do parasita no hospedeiro vertebrado,
agindo nas formas intracelular amastigota e extracelular tripomastigota, sem
os efeitos colaterais dos fármacos que estão no mercado atualmente.
1.1.1.3. Naftoquinonas antichagásicas
Nos últimos anos, o interesse pelas quinonas tem sido intensificado,
devido à sua importância em diferentes processos bioquímicos celulares e
sua diversidade farmacológica, destacando-se as que possuem propriedades
microbicidas, tripanocidas, antitumorais, antiinflamatórias, e inibidores de
sistemas celulares reparadores, processos nos quais atuam de diferentes
formas.
Com base na sua estrutura molecular, as quinonas são divididas em
diferentes grupos, utilizando-se como critério o tipo de sistema aromático que
sustenta o anel quinonoídico sendo benzoquinonas (3), derivadas do anel
benzênico; naftoquinonas (4, 5) - derivadas do anel naftalênico, podendo ter
20
Coura, J.R.; Castro, S.L.; “A Critical Review on Chagas Disease Chemotherapy”,
Mem Inst Oswaldo Cruz, 2002, 97(1), 3-24.
10
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
o arranjo 1,2 ou o arranjo 1,4, ou antraquinonas (6)- oriundas de um anel
antracênico21(Figura 6).
O
O
O
O
O
O
(6)
O
O
(3)
(4)
(5)
Figura 6: Estrutura química das quinonas. Benzoquinona (3), 1,2-naftoquinona (4), 1,4naftoquinona (5), antraquinona (6).
O principal interesse nas quinonas advém da sua capacidade de
induzir o estresse oxidativo nas células. Sob ação enzimática, um substrato
quinonoídico (Q) reduz-se com um elétron para formar o ânion-radical
semiquinona (Q-•), catalisada pelas enzimas flavinas NADPH citocromo P450 redutase, NADPH citocromo b5 redutase ou NADPH ubiquinona
oxidoredutase. Uma vez formada, a espécie semiquinona (Q-•) reduz o
oxigênio molecular ao ânion-radical superóxido (O2-•) que, na presença da
enzima superóxido dismutase (SOD), é transformado em H2O2. Este ânionradical superóxido (O2-•), por catálise com metais de transição (reação de
Fenton), ou por reação com H2O2 (reação de Harber-Weiss), gera HO• no
interior da célula. Embora o H2O2 não seja um radical livre, é uma substância
21
Silva, M.N.; Ferreira, V.F.; Souza, M.C.B.V.; “Um panorama atual da química e da
farmacologia de naftoquinonas com ênfase na β-lapachona e derivados”, Quím.
Nova, 2003, 26(3), 407-416.
11
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
bastante reativa, podendo promover também a oxidação de algumas
biomoléculas 11,21,22 (Esquema 2).
O
NADP+
FAD+red
O
(Q)
Fe+2/Cu+1
O2
Fe+3/Cu+2
O2
OH + H2O2 + O2
SOD*
NADP+
+
H+
O2
FADoxid
H2O2
O (Q) O
SOD*= Superóxido-dismutase
Fe(II) + H2O2
O2
+ H2O2
Fe(III) + HO- + HO
(reação de Fenton)
O2 + HO- + HO
(reação de Haber-Weiss)
21
Esquema 2: Ciclo redox parcial induzido por quinonas .
A formação de intermediários reativos torna as quinonas uma classe
de compostos tóxicos, que podem induzir diversos efeitos nocivos in vivo,
incluindo citotoxicidade, imunotoxicidade e carcinogênese23.
22
De Moura, K.C.G.; Emery, F.S.; Neves-Pinto, C.; Pinto, M.C.F.R.; Dantas, A.P.;
Salomão, K.; Castro, S.L.; Pinto, A.V.; “Trypanocidal Activity of isolated
Naphtoquinones from Tabebuia and some heterocyclic Derivatives: A Review from a
Interdisciplinary Study”, J. Braz. Chem. Soc., 2001, 12(3), 325-338.
23
Bolton, J.; Trush, M.A.; Penning, T.M.; Dryhurst, G.; Monks, T.J.; “Role of
Quinones in Toxicology”, Chem. Res. Toxicol., 2000, 13(3), 135-160.
12
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Na busca de novos compostos com potencial atividade antichagásica,
diversos análogos da naftoquinonas (7-12) têm sido sintetizados com o
intuito de obter derivados mais ativos e sem os efeitos citotóxicos dos
fármacos que estão atualmente no mercado 22,24 (Figura 7).
O
O
O
O
NOH
O
H
N
HN
HN
O
N
(7) IC50= 2,42 µM
N
O
O
N
(8) IC50= 2,40 µM
(9) IC50= 199 µM
O
O
O
S
N
O
OMe
(10) IC50= 49,5 µM
O
(11) IC50= 3,7 µM
O
(12) IC50= 1,1 µM
22,24
Figura 7: Derivados de naftoquinonas testados contra a forma tripomastigota de T. cruzi
.
24
a) Zani, C.L.; Chiari, E.; Krettli, A.U.; Murta, S.M.; Cunningham, M.L.; Fairlamb,
A.H.; Romanha, A.J.; “Anti-plasmodial and anti-trypanosomal activity of synthetic
naphtho[2,3-b]thiopen-4,9-quinones”, Bioorg. Med. Chem., 1997, 5(12), 2185-2192;
b) Sperandeo, N.R.; Brun, R.; "Synthesis and Biological “Evaluation of
Pyrazolylnaphtoquinones as New Antiprotozoal and Citotoxic Agents",
ChemBioChem 2003, 4(1), 69-72.; c) Tapia, R.A.; Salas, C.; Morello, A.; Maya, J.D.;
Toro-Labbe,
A.;
”Synthesis
of
dihydronaphthofurandiones
and
dihydrofuroquinolinediones with trypanocidal activity and analysis of their
stereoelectronic properties”, Bioorg. Med. Chem., 2004, 12(9), 2451-2458; d) Silva,
R.S.; Costa, E.M.; Trindade, U.L.; Teixeira, D.V.; Pinto, M.C.; Santos, G.L.; Malta,
V.R.; De Simone, C.A.; Pinto, A.V.; de Castro, S.L.; “Synthesis of
naphthofuranquinones with activity against Trypanosoma cruzi”, Eur. J. Med. Chem.,
2006, 41(4), 526-530.
13
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
1.1.2. Tuberculose
A tuberculose (TB) afeta a humanidade desde os primórdios da sua
existência e tornou-se, a partir do século XIX, uma das mais importantes
causas de morte em todos os tempos25. Com aproximadamente 9 milhões de
pessoas apresentando tuberculose ativa a cada ano e com cerca de 1,7
milhões de mortes por ano, essa enfermidade está longe de ser controlada26.
A Organização Mundial da Saúde (OMS) declarou a tuberculose como
sendo um enorme problema de saúde pública mundial27.
Trata-se
Mycobacterium
de
uma
doença
tuberculosis,
da
infecto-contagiosa,
família
causada
Mycobacteriaceae
e
pelo
ordem
Actinomycetales25, isolado e descrito em 1882 por Robert Koch. Existem
várias formas de tuberculose (pulmonar, meníngea, miliar, óssea, renal,
cutânea, genital, etc), no entanto a forma pulmonar é a mais freqüente e
contagiosa28.
Apesar da imensa aplicação dos antimicrobianos e os regimes
terapêuticos eficazes no combate a tuberculose, assim como medidas e
procedimentos para seu controle há várias décadas, nos últimos anos houve
um recrudescimento em âmbito mundial28. As maiores taxas per capita estão
na África (29% de todos os casos de tuberculose) e metade de todos os
25
Tavares, W.; Marinho, A.C.; Rotinas de Diagnóstico e tratamento das doenças
infecciosas e parasitárias. Ed. Atheneu, RJ, 2005.
26
Médicos sem Fronteiras. “Development of new drugs for TB chemotherapy Analysis of the current drug pipeline”, 2006.
27
TDR. Diagnostics for tuberculosis: global demand and market potential, FIND SA.,
2006.
28
Batista, R.S.; Igreja, R.P.; Gomes, A.P.; Huggins, D.W. Medicina Tropical:
abordagem atual das doenças infecciosas e parasitárias. Vol.1. Ed. Culturo Médica,
Rio de Janeiro, 2001
14
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
novos casos ocorrem em seis países asiáticos: Bangladesh, China, Índia,
Indonésia, Paquistão e Filipinas29 (Figura 8).
Figura 8: Estimativa de incidência de tuberculose no ano de 200430.
A forma mais importante de transmissão ou contágio ocorre através
das vias aéreas. A susceptibilidade é geral na espécie humana, dentre os
quais se destacam: idade, estado nutricional, condições emocionais ou
psicológicas,
doenças
concomitantes
(sarcoidose,
diabetes,
silicose,
neoplasias malignas, infecção pelo vírus da imunodeficiência humana - HIV),
hábitos e estilo de vida (alcoolismo e tabagismo). A fonte de infecção ocorre
através do indivíduo portador da forma pulmonar, em que o maior risco de
transmissão se dá pela inalação de bactérias no ar, liberadas por gotículas
expelidas pela tosse ou espirro25.
29
World Health Organization, Tuberculosis Fact Sheet Nº104, 2006.
World Health Organization. WHO Report 2006: Global Tuberculosis Control Surveillance, Planning and Financing. http://www.who.int/tb, acessado em 02 de
março de 2007.
30
15
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
1.1.2.1.
Tuberculose associada ao Vírus da Imunodeficiência
Humana (HIV)
A Síndrome da Imunodeficiência Adquirida (AIDS) é uma infecção
causada pelo Vírus da Imunodeficiência Humana (HIV) e, no mundo inteiro,
estima-se que 38,6 milhões de pessoas estão vivendo com o HIV, das quais
cerca de 25 milhões desenvolvem a síndrome31,32.
A infecção pelo HIV é caracterizada pela lenta destruição de células
do sistema imunológico. O principal alvo do vírus é o linfócito T CD4+, célula
responsável pela coordenação da resposta imune aos antígenos, patógenos
e células cancerígenas, que quando infectadas pelo vírus HIV se deterioram
continuamente, e conseqüentemente levam a perda da capacidade
imunológica e propicia o desenvolvimento de infecções oportunistas,
caracterizando a síndrome. Por essa razão, o quadro clínico da AIDS é
caracterizado em função da contagem sanguínea de linfócitos T CD4+ no
individuo infectado com o HIV e da caracterização das condições clínicas do
paciente infectado32,33.
Estima-se que cerca de 12 milhões de pessoas em todo o mundo
estão co-infectadas com ambas as doenças e esta associação corresponde
31
Simon, V.; Ho, D.D.; Abdool Karim, Q.; “HIV/AIDS epidemiology, pathogenesis,
prevention, and treatment”, Lancet., 2006, 368(9534), 489-504.
32
Castro, H.C.; Loureiro, N.I.V.; Pujol-Luz, M.; Souza, A.M.T.; Albuquerque, M.G.;
Santos, D.O.; Cabral, L.M.; Frugulhetti, I.C.; Rodrigues, C.R.; “HIV-1 Reverse
Transcriptase: A Therapeutical Target in the Spotlight”, Curr. Med. Chem., 2006,
13(3), 313-324.
33
Peçanha, E.P.; Antunes, O.A.C.; Tanuri, A.; “Pharmacological strategies for antiHIV therapy”, Quím. Nova, 2002, 25, 1108-1116.
16
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
a 13% das mortes relacionadas à HIV. A maioria dos casos se localiza no
Sudeste da África34,35,36.
Figura 9: Prevalência de casos de tuberculose em adultos co-infectados com HIV no ano de
200437.
Essa
associação
pode
prejudicar
o
diagnóstico
precoce
da
tuberculose, além de provocar um aumento na freqüência das reações
adversas do tratamento e altas taxas de reincidência e de re-infecção. A
presença do HIV possibilita que o indivíduo se torne mais suscetível ao
desenvolvimento e a progressão da tuberculose35,38.
34
http://www.tballiance.org, acessada em 07/02/2007.
Bates, I.; Fenton, C.; Gruber, J.; Lalloo, D.; Medina Lara, A.; Squire, S.B.;
Theobald, S.; Thomson, R. Tolhurst, R.; “Vulnerability to malaria, tuberculosis, and
HIV/AIDS infection and disease. Part 1: determinants operating at individual and
household level”, Lancet Infect. Dis., 2004, 4(5), 267-277.
36
Johnson, M.D.; Decker, C.F.; “Tuberculosis and HIV infection”, Dis. Mon., 2006,
52(11-12), 420-427.
37
http://www.tbcindia.org, acessado em 05 de março de 2007.
38
Glassroth, J.; “Tuberculosis 2004: Challenges and opportunities”, Trans. Am. Clin.
Climatol. Assoc., 2005, 116, 293-310.
35
17
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
1.1.2.2.
Fármacos antituberculose clássicos
Os antimicrobianos recomendados pela OMS e mais comumente
usados para o tratamento da tuberculose em países em desenvolvimento
nas Américas são: isoniazida (13), pirazinamida (14), etambutol (15),
rifampicina (16) e estreptomicina (17), sendo este último administrado por via
parenteral (Figura 10). Estes fármacos são usados em combinação como um
coquetel de primeira linha e com diferentes tempos de duração dependendo
da situação clínica28.
H2N
H
N
O
H2N
O
H
N
HN
N
OH
OH
N
N
Isoniazida
(13)
Pirazinamida
(14)
Etambutol
(15)
NH
NH
H2N
HO
AcO
OH
OH
MeO
O
OH
OH
O
Rifampicina
(16)
NH
HN
OH
H
H
OH
O
H
H
O
CHO
NH
N
OH
H
H
H
CH3
OH
H
N
NH2
H
OH
H
O
N
O
H
O
O
CH2OH NHCH3
H
H
OH
H
Estreptomicina
(17)
Figura 10: Fármacos utilizados no coquetel de primeira linha para o tratamento da
tuberculose: isoniazida (13), pirazinamida (14), etambutol (15), rifampicina (16) e
estreptomicina (17).
18
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Uma vez que o tratamento não é satisfatório, devido à resistência do
bacilo ou mesmo pela intolerância a um ou mais fármacos deste coquetel,
são utilizados fármacos de segunda linha, como ofloxacino (18) e
ciprofloxacino (19), etionamida (20), cicloserina (21), ácido p-amino-salicílico
(PAS) (22), canamicina (23) e capreomicina (24)39,40 (Figura 11).
39
Schröeder, E.K.; de Souza, O.N.; Santos, D.S.; Blanchard, J.S.; Basso, L.A.;
“Drugs that Inhibit Mycolic Acid Biosynthesis in Mycobacterium tuberculosis”, Curr.
Pharm. Biotechnol., 2002, 3(3),197-225.
40
Zhang, Y.; Post-Martens, K.; Denkin, S.; “New drug candidates and therapeutic
targets for tuberculosis therapy”, Drug Disc. Today, 2006, 11(1-2), 21-27.
19
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
O
O
F
O
OH
N
N
HN
O
ofloxacino
(18)
S
OH
N
N
N
O
F
ciprofloxacino
(19)
NH2
O
H
N
O
OH
HO
O
N
H2N
NH2
etionamida
(20)
cicloserina
(21)
PAS
(22)
H2N
NH2
NH2
HO
O
OH
HO
O
O
HO
NH2
O
O
HO
O
NH2
NH
O
H2N
O
N
H
NH
H
N
H
O
OH
canamicina
(23)
O
N
H
H
N
NH2
O
NH
NH2
HO
H
N
NH2
capreomicina
(24)
Figura 11: Estrutura química dos fármacos utilizados no coquetel de segunda linha:
ofloxacino (18), ciprofloxacino (19), etionamida (20), cicloserina (21), ácido p-amino-salicílico
(22), canamicina (23), capreomicina (24).
20
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Os fármacos antituberculose atualmente utilizados no tratamento
foram desenvolvidos há 40 anos e, existe uma grande necessidade de
buscar novos agentes terapêuticos que não apresentem resistência40. Dessa
forma, novos agentes antituberculose têm sido estudados, incluindo
derivados de diarilquinolinas, como o R207910 (25)41, derivados de
fluorquinolonas, como o MXF (26)42, derivados de rifampicina, como o
rifalazil (27)43, derivados de oxazolidinonas, como o U-100480 (28)44 e
nitroimidazóis, como o PA-824 (29)45 (Figura 12).
41
Andries, K.; Verhasselt, P.; Guillemont, J.; Gohlmann, H.W.; Neefs, J.M.; Winkler,
H.; Van Gestel, J.; Timmerman, P.; Zhu, M.; Lee, E.; Williams, P.; de Chaffoy, D.;
Huitric, E.; Hoffner, S.; Cambau, E.; Truffot-Pernot, C.; Lounis, N.; Jarlier, V.; “A
diarylquinoline drug active on the ATP synthase of Mycobacterium tuberculosis”,
Science, 2005, 307(5707), 223-227.
42
Ji, B.; Lounis, N.; Maslo, C.; Truffot-Pernot, C.; Bonnafous, P.; Grosset, J.; ”In vitro
and in vivo activities of moxifloxacin and clinafloxacin against Mycobacterium
tuberculosis”, Antimicrob. Agents Chemother., 1998, 42(8), 2066-2069.
43
Rothstein, D.M.; Hartman, A.D.; Cynamon, M.H.; Eisenstein, B.I.; “Development
potential of rifalazil”, Expert Opin. Investig. Drugs, 2003, 12(2), 255-271.
44
Barbachyn, M.R.; Hutchinson, D.K.; Brickner, S.J.; Cynamon, M.H.; Kilburn, J.O.;
Klemens, S.P.; Glickman, S.E.; Grega, K.C.; Hendges, S.K.; Toops, D.S.; Ford,
C.W.; Zurenko, G.E.; “Identification of a Novel Oxazolidinone (U-100480) with Potent
Antimycobacterial Activity”, J. Med. Chem., 1996, 39(3), 680-685.
45
Stover, C.K.; Warrener, P.; VanDevanter, D.R.; Sherman, D.R.; Arain, T.M.;
Langhorne, M.H.; Anderson, S.W.; Towell, J.A.; Yuan, Y.; McMurray, D.N.;
Kreiswirth, B.N.; Barry, C.E.; Baker, W.R.; ”A small-molecule nitroimidazopyran drug
candidate for the treatment of tuberculosis”, Nature, 2000, 405(6789), 962-966.
21
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
O
O
F
OH
OH
Br
N
H
N
N
O
N
H
NH
MXF
(26)
R207910
(25)
N
S
N
N
O
F
O
HO
O2N
N
N
HN
O
N
N
O
O
O
OH
O
O
O
OH
NH
H3CO
O
H3C(O)CO
OCF3
OH
Rifalazil
(27)
U-100480
(28)
PA-824
(29)
Figura12: Estrutura química de derivados de diarilquinolina (25), fluorquinolona (26),
rifampicina (27), oxazolidinona (28) e nitroimidazol (29), com atividade antituberculose.
22
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
1.1.2.3.
Tuberculose Resistente a Múltiplos Fármacos (MDR)
A resistência aos fármacos antituberculose é causada pelo tratamento
parcial ou inconsistente, devido ao abandono do tratamento, prescrição
incorreta ou devido ao fornecimento dos fármacos em doses inferiores às
necessárias para o tratamento46.
Uma forma particularmente perigosa de resistência é a chamada
tuberculose resistente a múltiplos fármacos, na qual o bacilo é resistente a
isoniazida e rifampicina, os dois fármacos mais potentes usados no
tratamento da doença47,48.
1.1.2.4.
Derivados triazóis antituberculose
O desenvolvimento de resistência aos atuais fármacos antituberculose
induz a busca por novas classes de compostos, mais eficazes e com
diferentes mecanismos de ação, com o intuito de inibir a propagação da
tuberculose.
Os derivados heterocíclicos aromáticos nitrogenados de cinco
membros, contendo um ou mais átomos de nitrogênio, pertencentes à classe
de substâncias denominada genericamente de azol, podem ser considerados
46
Resch, S.C.; Salomon, J.A.; Murray, M.; Weinstein, M.C.; “Cost-Effectiveness of
Treating Multidrug-Resistant Tuberculosis”, PLoS Med., 2006;3(7):e241 1048-1057.
47
Mukherjee, J.S.; Rich, M.L.; Socci, A.R.; Joseph, J.K.; Virú, F.A.; Shin, S.S.; Furin,
J.J.; Becerra, M.C.; Barry, D.J.; Kim, J.Y.; Bayona, J.; Farmer, P.; Fawzi, M.C.S.;
Seung, K.J.; “Programmes and principles in treatment of multidrug-resistant
tuberculosis”, Lancet, 2004, 363, 474–81.
48
http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs104/en/, acessado em 06 de março
de 2000=7.
23
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
como uma nova classe de compostos antimicobacterianos, que atuam
através do bloqueio da biossíntese de alguns lipídios micobacterianos49.
Os triazóis são substâncias heteroaromáticas, pois apresentam um
sistema cíclico aromático, subclassificadas como vicinais – 1,2,3-triazóis – ou
simétricos – 1,2,4-triazóis – que têm sido freqüentemente relatados com
potencial atividade antituberculose50 (Figura 13).
N
N
N
N
N
N
N
H
N
H
1,2,3-1H-triazol
1,2,3-2H-triazol
N
1,2,3-4H-triazol
N
N
N
N
N
H
N
N
N
N
H
1,2,4-1H-triazol
1,2,4-4H-triazol
1,2,4-3H-triazol
Figura 13: Equilíbrio tautomérico em 1,2,3- e 1,2,4-triazóis.
Em 2003, Dabak e colaboradores sintetizaram uma série de derivados
1,2,3-triazóis
testada
contra
cepas
de
Mycobacterium
tuberculosis,
apresentando um composto bromado (30) com Concentração Mínima
49
Shiradkar, M.; Kumar, G.V.S.; Dasari, V.; Tatikonda, S.; Akula, K.C.; Shah, R.
“Clubbed triazoles: A Novel Approach to Antitubercular Drugs”, Eur. J. Med. Chem.,
2007, 42(6), 807-816.
50
Melo, J.O.F.; Donnici, C.L.; Augusti, R.; Ferreira, V.F.; Souza, M.C.B.V.; Ferreira,
M.L.G.; Cunha, A.C.; “Heterociclos 1,2,3-Triazólicos: Histórico, Métodos de
Preparação, Aplicações e Atividades Farmacológicas”, Quim. Nova, 2006, 29(3),
569-579.
24
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Inibitória (CMI) inferior a 12,5 µg/mL (Figura 14), ressaltando o potencial
antituberculose dessa classe de compostos51.
O
S
N
N
N
Br
(30)
Figura 14: Estrutura química do derivado 1,2,3-triazol (30) com atividade antituberculose51.
Vale ressaltar que os 1,2,4-triazóis são os mais investigados como
potenciais candidatos antituberculose (31-34) 49,50,52 (Figura 15).
51
Dabak, K.; Sezer, O.; Akar, A.; Anaç, O.; “Synthesis and investigation of
tuberculosis inhibition activities of some 1,2,3-triazole derivatives”, Eur. J. Med.
Chem., 2003, 38(2), 215-218.
52
a) Banfi, E.; Scialino, G.; Zampieri, D.; Mamolo, M.G.; Vio, L.; Ferrone, M.;
Fermeglia, M.; Paneni, M.S.; Pricl, S.; “Antifungal and Antimycobacterial Activity of
New Imidazole and triazole Derivatives. A Combined Experimental and
Computational Approach”, J. Antimicrob. Chemother., 2006, 58(1), 76-84.; b)
Klimesová, V.; Zahajská, L.; Waisser, K.; Kaustová, J.; Möllmann, U.; “Synthesis and
Antimycobacterial Activity of 1,2,4-triazole 3-benzylsulfanyl Derivatives”, Farmaco,
2004, 59(4), 279-288.; c) Küçükgüzel, I.; Küçükgüzel, S.G.; Rollas, S.; Kiraz, M.;
“Some 3-thioxo/Alkylthio-1,2,4-triazoles with a Substituted thiourea Moiety as
Possible Antimycobacterials”, Bioorg. Med. Chem., 2001, 11(13), 1703-1707.
25
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
N
N
S
N
Cl
N
S
N
H
Cl
N
H
N
H
NO2
N
S
NO2
(31)
(32)
N
NH
N
N
N
NH
O
H
N
O
N
N
S
N
N
S
N
HN
N
HN
(33)
(34)
Figura 15: Estrutura química de derivados 1,2,4-triazóis (31-34) com atividade
antituberculose51.
1.2.
Modelagem Molecular
Considerando-se tanto os benefícios para a saúde humana quanto os
altos custos de tempo e dinheiro no processo de descoberta de novos
fármacos, é preciso utilizar ferramentas ou técnicas, que otimizem o
planejamento de novas entidades químicas que possam atuar como
fármacos53.
O planejamento de fármacos auxiliado por computador (Computeraided drug design, CADD) é uma dessas novas ferramentas que podem ser
53
Meek, P.J.; Liu, Z.; Tian, L.; Wang, C.Y.; Welsh, W.J.; Zauhar, R.J.; “Shape
Signatures: speeding up computer-aided drug discovery”, Drug Disc. Today, 2006,
11 (19/20), 895-904.
26
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
utilizadas para otimizar a eficiência do processo de descoberta de novos
fármacos54.
As estratégias que utilizam CADD variam dependendo da extensão
das informações estruturais disponíveis tanto sobre o alvo (enzima/receptor)
quanto para os ligantes.
O desenho “direto” e “indireto” são as duas
estratégias que podem ser utilizadas no processo de desenho de novos
fármacos54,55,56 (Figura 16). No método indireto, quando a estrutura do alvo é
desconhecida, as informações sobre a atividade e características estruturais
dos compostos ativos e inativos podem ser utilizadas para determinar
características
importantes,
tais
como
grupos
hidrofóbicos,
ligação
hidrogênio, momento dipolo e outros. A partir dessas informações, gera-se
um modelo que pode ser utilizado para a seleção de compostos de bancos
de dados ou orientar o processo de planejamento e síntese de novas
entidades químicas57 (Figura 16).
No método direto, consideram-se as características tridimensionais de
um alvo conhecido, normalmente uma enzima ou receptor. A análise da
estrutura cristal usando difração de raios-X é, em muitos casos, o método de
avaliação mais avançado para obtenção de informações estruturais de
macromoléculas, além de informaçõessobre o modo de interação com o
54
Ooms, F.; “Molecular Modeling and Computer Aided Drug Design. Examples of
their applications in Medicinal Chemistry”, Curr. Med. Chem., 2000, 7(2), 141-158.
55
Cohen, N.C.; Blaney, J.M.; Humblet, C.; Gund, P.; Barry, D.C.; “Molecular
modeling software and methods for medicinal chemistry”, J. Med. Chem., 1990,
33(3), 883-894.
56
Chavatte, P.; Farce, A.; “A computational view of COX-2 inhibition”, Anti-Cancer
Ag. Med. Chem., 2006, 6(3), 239-249.
57
Jorgensen, W.L.; “The Many Roles of Computation in Drug Discovery”, Science,
2004, 303(5665), 1813-1818.
27
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
ligante pela co-cristalização com o mesmo56. As estruturas também podem
ser obtidas usando outras técnicas, como a Ressonância Magnética Nuclear
(RMN)58. Essas informações estruturais são normalmente obtidas do Banco
de Dados de Proteínas56,59. Pelo método direto, analisa-se o complexo
fármaco-receptor/enzima e identifica os principais modos de interação60.
61
Figura 16: Planejamentos de fármacos auxiliados por computador .
Considerando-se que um fármaco se liga ao sítio ativo através de uma
conformação, realiza-se uma análise conformacional, pois se acredita que
por estar em maior número no meio biológico, a conformação mais estável
será aquela que vai interagir com o sítio ativo62.
A conformação mais estável é utilizada para o cálculo das
propriedades geométricas e estereoeletrônicas, com o intuito de identificar o
Acharya, K.R.; Lloyd, M.D.; “The advantages and limitations of protein crystal
structures”, Trends Pharmacol Sci., 2005, 26(1), 10-14.
59
http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do
60
Kontoyianni, M.; McClellan, L.M.; Sokol, G.S.; “Evaluation of docking performance:
comparative data on docking algorithms”, J. Med. Chem., 2004, 47(3), 558-565.
61
Adaptado de: Veselovsky, A.V.; Ivanov, A.S.; “Strategy of Computer-aided drug
design”, Curr. Drug Targets Infect. Disord., 2003, 3(1), 33-40.
62
Leach, A.R. “Molecular Modelling: Principles and Applications.” London: Addison
Wesley Longman, 1996.
58
28
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
arranjo espacial dos átomos, grupos funcionais e características eletrônicas
que podem ser responsáveis pela atividade biológica62. A interação
eletrostática é um componente-chave que governa à complementaridade
entre o ligante e o sítio ativo63.
1.2.1. Métodos de cálculos de Modelagem Molecular
1.2.1.1.
Mecânica Molecular
A Mecânica Molecular, também conhecida como método do campo de
força, utiliza as leis clássicas da física para predizer as estruturas e as
propriedades das moléculas, e constrói uma expressão de energia potencial
em
função
apenas
das
posições
dos
núcleos,
negligenciando
a
movimentação dos elétrons64.
Atualmente, muitos campos de força usados podem ser interpretados
em termos de quatro componentes das forças intra e intermoleculares dentro
de um sistema: o comprimento de ligação, o ângulo de ligação, o ângulo de
diedro e as interações não-ligantes (eletrostáticas e de van der Waals):
Etot= El + Eθ + EW + Enl
(Eq.1)
onde El corresponde ao somatório da energia potencial em função da
interação entre todos os pares de átomos ligados; Eθ corresponde ao
63
Hu, H.; Lu, Z.; Yang, W.; “Fitting Molecular Electrostatic Potentials from Quantum
Mechanical Calculations”, J. Chem. Theory and Comput., 2007, 3(3), 1004-1013.
64
Foresman, J.B.; Frisch, AE.; “Exploring Chemistry with Electronic Structure
Methods: A Guide to Using Gaussian”. Gaussian, Inc, USA, 1993.
29
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
somatório da energia potencial de todos os ângulos formados entre três
átomos ligados consecutivamente na molécula; EW é o potencial de torsão
que mostra a variação da energia em função da rotação das ligações e Enl é
o termo das interações não-ligantes, que é calculado entre todos os pares de
átomos que estão separados, no mínimo, por três ligações (Figura 17).
Geralmente consideram-se essas interações como van der Waals e
eletrostáticas62.O modelo da mecânica molecular assume que qualquer
afastamento dos parâmetros de seus valores “ideais” resulta em penalidades
energéticas para a geometria molecular, em função de constantes
características daquele determinado parâmetro.
Figura 17: Representação esquemática dos termos incluídos em um campo de força de
mecânica molecular. (A) comprimento de ligação, (B) ângulo de ligação, (C) ângulo de
torsão.
1.2.1.2.
Mecânica Quântica
Os resultados obtidos com os métodos clássicos são limitados pela
qualidade e abrangência dos parâmetros e constantes usados na construção
do modelo. Os perfis de energia potencial obtidos com estes métodos têm
significados limitados, visto que normalmente apenas pontos extremos são
30
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
usados no procedimento de parametrização. Além disso, esses métodos não
podem ser aplicados a problemas que envolvam quebra ou formação de
ligações químicas. Nestes casos, é necessário o uso dos métodos de
mecânica quântica que consideram explicitamente os núcleos e elétrons que
compõe o sistema molecular.
Os modelos quânticos são fundamentados em soluções aproximadas
para a equação de Schrödinger:
HΨ = EΨ
(Eq. 2)
onde H é o hamiltoniano, o operador que representa a energia da molécula e
incorpora a energia cinética dos elétrons e a energia potencial das interações
elétron-elétron e elétron-núcleo. Ψ é a função de onda molecular descrita em
termos de coordenadas espaciais dos elétrons que constituem o sistema em
um determinado estado. A solução exata dessa equação não é possível,
mesmo para os sistemas mais simples, com exceção do átomo de
Hidrogênio. Todavia, soluções aproximadas são possíveis para as moléculas
de interesse64.
A mecânica quântica é útil para o cálculo de valores de potencial de
ionização, afinidade eletrônica, calor de formação e momentos de dipolo de
átomos e moléculas. Também pode ser utilizado para o cálculo da
probabilidade relativa de se encontrar elétrons (densidade eletrônica) numa
estrutura, tornando possível a determinação dos locais mais prováveis para
reações com eletrófilos e nucleófilos. O conhecimento da forma e da
31
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
densidade eletrônica de uma molécula também pode ser utilizado para
caracterizar a natureza de um possível fármaco para um alvo específico65.
1.2.1.2.1. Cálculos ab initio
O termo ab initio deriva do latim e significa “a partir do princípio”, ou
seja, são cálculos realizados a partir deconstantes físicas fundamentais, sem
o uso de parâmetros experimentais. O primeiro método desenvolvido de
cálculo de estrutura eletrônica foi o método Hartree-Fock (HF). Esse modelo
utiliza-se de um conjunto de bases (do inglês, basis set) empregado nos
cálculos. Uma base mínima de dados, estritamente falando, conteria
exatamente o número de funções que seriam necessárias para acomodar
todos os orbitais preenchidos de um átomo. Na prática, uma base mínima de
dados inclui todos os orbitais atômicos em uma camada. Assim, para o
hidrogênio e o hélio, uma única função do tipo 1s seria necessária; para os
elementos do lítio ao neônio, funções 1s, 2s e 2p seriam utilizadas e assim
por diante. As bases de dados STO-3G, STO-4G, etc (em geral STO-nG) são
todas bases mínimas de dados.
As bases de dados mínimas são conhecidas por apresentarem
diversas deficiências. Um problema em particular ocorre com compostos
contendo átomos do final do período, como por exemplo, o oxigênio ou o
flúor. Estes átomos são descritos utilizando-se o mesmo número de funções
básicas para os átomos do inicio do período, apesar deles possuírem mais
65
Thomas, G. Fundamentals of Medicinal Chemistry. Chichester: John Wiley &
Sons, 2003.
32
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
elétrons. O simples aumento do número de funções não necessariamente
soluciona o problema ou aprimora o modelo. A solução mais comum deste
problema é a introdução de uma base de dados com funções de polarização.
Funções de polarização possuem um número quântico angular mais elevado
e assim correspondem aos orbitais p para o hidrogênio e d para demais
átomos.
O uso de bases contendo funções de polarização é indicado por um
asterisco (*). Assim, 6-31G* refere-se à base de dados 6-31G com funções
de polarização para átomos pesados (isto é, não hidrogênio). Dois asteriscos
(por exemplo, 6-31G**) indicam a aplicação de funções de polarização (isto
é, p) para os átomos de hidrogênio e hélio. A base de dados 6-31G** é
particularmente útil onde ocorrem ligações hidrogênio. Bases de dados com
polarização parcial também foram desenvolvidas, por exemplo, 3-21G* que é
a mesma base de dados mínima 3-21G com funções de polarização parcial.
Estas bases de dados são suficientes para a maioria dos cálculos.
Entretanto, para alguns cálculos de nível mais elevado, uma base de dados
que efetivamente habilite o limite a ser alcançado deve ser considerada. Por
outro lado, o custo computacional inerente a estas bases de dados deve ser
avaliado, de modo a ter-se uma relação custo/benefício aplicável. Outras
propriedades eletrônicas, particularmente aquelas descritivas de distribuição
eletrônica na molécula (dipolo, cargas parciais) são menos relacionadas
diretamente à função de base66.
66
Karelson, M.; Lobanov, V.S.; Katritzky, A.R.; “Quantum-Chemical Descriptors in
QSAR/QSPR Studies”, Chem. Rev., 1996, 96(3), 1027-1044.
33
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
São cálculos mais demorados, que dão predições quantitativas de alta
qualidade para uma grande extensão de sistemas. Por causa do custo
computacional dos cálculos ab initio mais sofisticados, um recurso
comumente empregado é o de se otimizar a geometria com um conjunto de
bases mais simples e então executar cálculos de ponto único (Single Point)
sobre a geometria resultante. Com este procedimento, é possível se
determinar a energia e outras propriedades de um sistema molecular,
usando bases de cálculos mais sofisticados apenas nessa etapa, caso
contrário, o custo de cálculo seria muito alto para se ter uma otimização
completa da geometria64.
1.2.1.2.2. Cálculos semi-empíricos
Os métodos semi-empíricos, tais quais os métodos ab initio, usam o
formalismo quântico como estrutura básica. Estes, entretanto, usam
parâmetros derivados de dados experimentais para simplificar os cálculos
computacionais67. Solucionam de forma aproximada a equação de
Schrödinger, que depende de parâmetros apropriados disponíveis para o tipo
de sistema químico em estudo. Trata-se de cálculos rápidos e fornecem
descrições qualitativas razoáveis dos sistemas moleculares64.
São cálculos que empregam bases mínimas incluindo apenas os
elétrons da camada de valência do sistema. Assim, a grande vantagem dos
métodos semi-empíricos é a velocidade de processamento uma vez que os
67
Sant’anna, C.M.R.; “Glossário de Termos Usados No Planejamento de Fármacos
(Recomendações da IUPAC para 1997)”, Quím. Nova, 2002, 25(3), 505-512.
34
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
cálculos são simplificados, reduzindo os custos de memória e tempo
computacional64. Para os elementos do grupo principal, compreende uma
única função do tipo s e um conjunto de funções p, por exemplo, 2s, 2px,
2py, 2pz para elementos do primeiro período e, para os elementos de
transição, um conjunto de funções d, uma função s e um conjunto de funções
p, por exemplo, 3dx2-y2, 3dz2, 3dxy, 3dxz, 3dyz, 4s, 4px, 4py, 4pz, para os
metais de transição do primeiro período. O átomo de hidrogênio é
representado apenas por uma função s (1s) 68.
Aproximações adicionais são introduzidas para simplificar ainda mais
o cálculo total e, o mais importante, para fornecer uma estrutura para a
introdução dos parâmetros empíricos. Com exceção dos modelos para
metais de transição, as parametrizações são baseadas na reprodução de
diversos dados experimentais, incluindo geometrias de equilíbrios, calor de
formação, momento de dipolo e potenciais de ionização68.
Os métodos semi-empíricos mais comumente utilizados são AM1
(Austin Model 1)
69
e PM3 (Parametric Method 3)70. O método PM3 usa o
mesmo formalismo e equações do método AM1. As únicas diferenças são: a)
PM3 usa duas funções gaussianas para a função de repulsão do núcleo, ao
invés do número variável usado pelo AM1 (que usa de 1 a 4 gaussianas por
elemento); b) os valores numéricos dos parâmetros são diferentes. As outras
68
Hehre, W.J. A Guide to Molecular Mechanics and Quantum Chemical
Calculations; Wavefunction, Inc., 2003.
69
Dewar, M.J.S.; Zoebisch, E.G.; Healy, E.F.; Stewart, J.J.P.; “AM1: a new general
purpose quantum mechanical molecular model”, J. Am. Chem. Soc., 1985, 107(13),
3902-3909.
70
a) Stewart, J.J.P. “Optimization of parameters for semiempirical methods II.
Applications”, J. Comp. Chem., 1989, 10(2), 221-264; b) Stewart, J.J.P.;
“Optimization of parameters for semiempirical methods I. Method”, J. Comp. Chem.,
1989, 10(2), 209-220.
35
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
diferenças consistem na metodologia usada durante a parametrização; c)
enquanto o método AM1 obtém os valores de medidas espectroscópicas, o
método PM3 as trata como valores otimizáveis62.
1.2.1.2.3. Teoria do Funcional de Densidade - DFT
A Teoria do Funcional de Densidade (Density Functional Theory –
DFT) é um formalismo muito bem sucedido, onde o principal objetivo é
substituir a função de onda, usada para descrever os elétrons em métodos
como o Hartree-Fock, pela densidade eletrônica: enquanto os cálculos HF
consideram uma densidade eletrônica média, os cálculos DFT consideram as
interações instantâneas de pares de elétrons com spins opostos62.
Na Teoria do Funcional de Densidade, o termo de troca da equação
de Hartree-Fock é substituída por uma integral (uma funcional) que é uma
função da densidade eletrônica. O efeito prático é introduzir uma funcional
dupla que trate ambos os termos de correlação e troca. Dessa maneira, a
vantagem do DFT é a inclusão da correlação de elétrons. Embora essa
alteração imponha uma etapa computacional extra, essas integrais são
computacionalmente mais fáceis de tratar71.
Trata-se de uma aproximação baseada na teoria de Hohenberg e
Kohn que afirma que todas as propriedades de um sistema são funções da
densidade de cargas. Assim, o teorema de Hohenberg-Kohn permite
71
Smith, W.B. “Introduction to Theoretical Organic Chemistry and Molecular
Modeling”; Wiley-VCH, 1996.
36
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
escrever a energia eletrônica total como uma função da densidade eletrônica
ρ:
E(ρ)= EKE(ρ)+ EC(ρ)+ EH(ρ)+ Exc(ρ)
(Eq. 3)
onde EKE(ρ) é a energia cinética, EC(ρ) é o termo de interação núcleo-elétron,
EH(ρ) é a energia de Coulomb e Exc(ρ) contem as contribuições de troca e
correlação.
Os orbitais moleculares nos cálculos de funcional de densidade são
geralmente escritos como uma expansão linear dos orbitais atômicos (i.e.
funções de base) que pode ser representado usando funções do tipo
Gaussiana, orbitais de Slater ou orbitais numéricos62.
Os modelos de Funcional de densidade, assim como os modelos
Hartree-Fock, são aplicáveis em moléculas de 50-100 átomos68.
O funcional exato não é conhecido, logo, existe um variado conjunto
de funcionais diferentes que podem fornecer resultados diferentes para o
mesmo problema. O método B3LYP72,73 (Becke, Lee, Yang e Parr) é um
método híbrido amplamente aplicado, onde parte do funcional é obtido por
mecânica-quântica (combina energia de troca HF com o termo de troca DFT)
e parte é parametrizado (adiciona funcionais de correlação)64.
72
Lee, C.; Yang, W.; Parr, R.G.; “Development of the Colle-Salvetti correlationenergy formula into a functional of the electron density”, Phys. Rev. B, 1988, 37,
785-789.
73
Becke, A.D. “Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange”,
J. Chem. Phys., 1993, 98, 5648-5652.
37
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
1.2.2. Descritores moleculares
As propriedades físico-químicas, assim como a atividade biológica de
compostos orgânicos dependem de suas estruturas moleculares. Com a
finalidade de se obter relações entre as estruturas químicas e a atividade
biológica, utilizando-se abordagens computacionais, é necessário encontrar
representações apropriadas da estrutura molecular dos compostos74.
Um descritor molecular pode ser considerado como sendo o resultado
obtido de procedimento lógico e matemático, aplicado às informações
químicas codificadas através de uma representação de uma molécula75.
•
Energias dos Orbitais Moleculares:
As energias do Orbital Molecular Ocupado de Maior Energia (HOMO)
e do Orbital Molecular Desocupado de Menor Energia (LUMO) são
descritores químico-quânticos bastante utilizados que desempenham um
papel importante nas reações químicas e na formação de diversos
complexos de transferência de cargas.
A energia do HOMO está diretamente relacionada ao potencial de
ionização do composto e caracteriza a capacidade da molécula em realizar
ataques nucleofílicos. A energia do LUMO está diretamente relacionada à
74
Hansch, C.; Sammes, P.G.; Taylor, J.B. Comprehensive medicinal chemistry: the
rational design. Mechanistic study and therapeutic application of chemical
compounds; Oxford, 1990.
75
Consonni,V.; Todeschini, R.; Pavan, M.; “Structure/Response Correlations and
Similarity/Diversity Analysis by GETAWAY Descriptors. 1. Theory of the Novel 3D
Molecular Descriptors”, J. Chem Inf. Comput. Sci., 2002, 42(3), 682-692.
38
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
afinidade eletrônica, caracterizada pela susceptibilidade do composto em
relação a ataques por nucleófilos76.
O gap de HOMO-LUMO, obtido a partir da diferença entre as energias
desses orbitais, é um importante indicador de estabilidade molecular. Alto
valor de gap indica alta estabilidade da molécula, no sentido de baixa
reatividade nas reações químicas, enquanto moléculas com baixo valor de
gap são geralmente reativas77.
•
Densidade dos Orbitais de Fronteira
A densidade eletrônica dos orbitais de fronteira nos átomos fornece
uma forma útil para a caracterização detalhada das interações doadoraceptor. A maioria das reações químicas ocorre no local de maior densidade
eletrônica nos orbitais de fronteira, que são definidos de acordo com o tipo
de reação: a densidade de HOMO representa áreas suscetíveis a ataques
eletrofílicos, enquanto a densidade de LUMO representa as áreas mais
suscetíveis a ataques nucleofílicos 76.
•
Momento Dipolo
Considerando que a interação de fármaco e receptor ocorre em
função da complementariedade de cargas, a polaridade de uma molécula é
76
Grant, G.H.; Richards, W.G.; Computational Chemistry. Oxford Science
Publications. 1996.
77
Zhang, G.; Musgrave, C.B.; “Comparison of DFT Methods for Molecular Orbital
Eigenvalue Calculations”, J. Phys. Chem. A, 2007, 111, 1554-1561.
39
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
importante para várias propriedades físico-químicas e diversos descritores
têm sido propostos para quantificar os efeitos de polaridade, dentre os quais,
o momento dipolo da molécula – que reflete apenas a polaridade global da
mesma – é o mais utilizado66.
•
Lipofilicidade
A lipofilicidade de uma molécula, uma importante propriedade no
processo farmacocinético, sendo considerada para o estudo de absorção
intestinal, permeabilidade da membrana, ligação a proteínas e distribuição
em diferentes tecidos. Esse descritor geralmente é definido pelo coeficiente
de partição entre 1-octanol/água de um determinado composto, e é
comumente expresso na sua forma logarítmica, como logP78.
1.3
Parâmetros farmacocinéticos
A ação de um fármaco, quando administrado a humanos ou animais,
pode ser dividida em três fases: fase farmacêutica, onde ocorre a
desintegração da forma de dosagem; fase farmacocinética, que abrange os
processos de absorção, distribuição, metabolismo e excreção (ADME); e a
78
Raevsky, O.A.; “Physicochemical Descriptors in Property-Based Drug Design”,
Mini Rev. Med. Chem., 2004, 4(10), 1041-1052.
40
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
fase farmacodinâmica, que está relacionada com a interação do fármaco
com o alvo79.
A farmacocinética, a toxicidade e a observação dos efeitos adversos
estão relacionadas à estrutura química do fármaco. Assim, a escolha
apropriada do composto a ser avaliado na fase de ensaios clínicos é uma
decisão chave. Atualmente estudos ADME vêm sendo aplicados em etapas
anteriores no desenvolvimento de fármacos, a fim de se economizar tempo e
delinear melhor o estudo de novos compostos. A otimização destas
propriedades,
através
de
modificações
moleculares
de
compostos
promissores, é essencial na seleção de compostos candidatos com maiores
probabilidades de não serem descartados na fase clínica80.
Na
avaliação
das
principais
razões
para
o
fracasso
no
desenvolvimento de novos fármacos, metade foi atribuída principalmente às
propriedades farmacocinéticas e à toxicidade (Figura 18). Essa análise indica
claramente que essas duas áreas devem ser observadas em etapas
anteriores no processo de desenvolvimento de novos fármacos, a fim de
reduzir os custos81.
79
Pereira, D.G.; “Importância do Metabolismo no Planejamento de Fármacos”,
Quím. Nova, 2007, 30(1), 171-177.
80
Davis, A.M.; Riley, R.J.; “Predictive ADMET studies, the challenges and the
opportunities”, Curr. Op. in Chem. Biol., 2004, 8(4), 378–386.
81
Van de Waterbeemd, H.; Gifford, E.; “ADMET in silico modeling: towards
predicition paradise?”, Nature Rev. Durg Discov., 2003, 2(3), 192-204.
41
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
81
Figura 18: Principais razões do fracasso no desenvolvimento de fármacos .
A necessidade do estudo das propriedades farmacocinéticas em
etapas anteriores na descoberta de novos fármacos tem atraído o
desenvolvimento de diversos métodos de screening in vitro. Como esses
métodos
necessitam
de
compostos
já
sintetizados,
os
modelos
computacionais são úteis para se racionalizar um grande número de
observações
experimentais,
oferecem
potencial
para
aplicações
de
screening virtual e conseqüentemente podem auxiliar na redução do tempo e
do custo do processo de pesquisa e desenvolvimento de novos fármacos82.
82
a) Sitarama, B. Gunturi, S.B.; Narayanana, R.; Khandelwalb, A. “In silico ADME
modelling 2: Computational models to predict human serum albumin binding affinity
using ant colony systems”, Bioorg. Med. Chem., 2006, 14, 4118–4129. b) Tingjun
Hou, T.H.; Wang, J.; Zhang, W.; Xu, X.; “ADME Evaluation in Drug Discovery. 7.
Prediction of Oral Absorption by Correlation and Classification”, J. Chem. Inf. Model.,
2007, 47, 208-218.
42
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
1.3.1. Absorção (A)
A principal forma de administração de fármacos é a via oral. Após a
administração, o fármaco deve se dissolver e ser solubilizado no trato
gastrointestinal para que seja absorvido pela membrana intestinal. A
absorção ocorre por dois mecanismos principais. O primeiro, chamado de
mecanismo transcelular, é a difusão passiva através das membranas
celulares. O segundo, chamado mecanismo paracelular, é a passagem entre
as células intestinais. A absorção também pode ocorrer por transporte ativo,
que requer energia e é mediado por carreadores83.
A lipofilicidade e a solubilidade são as principais propriedades
moleculares que influenciam a absorção. A primeira etapa no processo de
absorção de um fármaco é a desintegração da forma farmacêutica – seja
cápsula ou comprimido – seguido da dissolução do princípio ativo. Uma
baixa solubilidade é prejudicial para uma boa absorção, assim, a avaliação
dessa propriedade é importante no planejamento de fármacos. A
lipofilicidade, associada ao coeficiente de partição, representa a passagem
do meio extracelular para o meio intracelular através da bicamada lipídica81.
Diversos estudos foram realizados para demonstrar o perfil de
fármacos disponíveis no mercado em relação à absorção e permeabilidade.
A abordagem teórica dos parâmetros farmacocinéticos foi iniciada em 1997,
quando Lipinski e colaboradores da Pfizer desenvolveram a Regra dos Cinco
83
Li, A.P.; “Screening for human ADME/Tox Drug properties in Drug Discovery”,
Drug Discov. Today, 2001, 6(7), 357-365.
43
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
(do inglês, Rule of Five), a partir do estudo das propriedades de 2245
fármacos do banco de dados do World Drug Index (WDI) os quais passaram
para a Fase II dos ensaios clínicos. Com a finalidade de prever a
biodisponibilidade oral de fármacos, essa regra é baseada em características
físico-químicas dos compostos analisados, tais como peso molecular,
lipofilicidade, sítios doadores e aceptores de ligação hidrogênio84.
1.3.2. Distribuição (D)
Após serem absorvidos, os fármacos alcançam a circulação sistêmica
e são distribuídos de maneira não uniforme entre os diferentes tecidos do
organismo, transportados na forma livre no meio aquoso ou complexados a
proteínas plasmáticas.
A extensão da ligação às proteínas plasmáticas é um fator
diretamente relacionado à concentração dos fármacos na circulação e, por
conseqüência, afeta a magnitude da ação farmacológica65.
1.3.3. Metabolismo (M) e Excreção (E)
As características lipofílicas dos fármacos, que promovem a
passagem através das membranas biológicas e, subseqüente, acesso ao
seu sítio de ação, impedem sua excreção do organismo. Assim, o
84
Lipinski, C.A. Lombardo, F.; Dominy, B.W.; Feeney, P.J.; “Experimental and
Computational Approaches to Estimate Solubility and Permeability in Drug Discovery
and Development Settings”, Adv. Drug Deliv. Rev., 1997, 23(1-3), 3-25.
44
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
metabolismo de fármacos em metabólitos menos lipofílicos é essencial para
a eliminação e término da sua atividade biológica. O metabolismo ocorre
principalmente no fígado.
O metabolismo de fármacos ocorre em duas fases distintas bem
caracterizadas. A primeira fase (Fase 1) engloba reações de oxidação,
redução e hidrólise, levando a metabólitos menos lipofílicos (Figura 19). A
segunda fase (Fase 2) compreende reações de conjugação, onde os
produtos formados na Fase 1 são associados covalentemente com
substâncias como a glutationa, ácido glicurônico, sulfatos ou aminoácidos,
formando conjugados mais hidrossolúveis, geralmente inativos e são
eliminados preferencialmente pela urina ou fezes85 (Figura 19).
85
Goodman & Gilman’s. The Pharmacological Basis of Therapeutics.; Brunton, L.L.;
Lazo, J.S.; Parker K.L.; Buxton, L.L.; Blumenthals, D.; 10th ed. McGraw-Hill: New
York, 2006.
45
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
(A)
RNHCH3
(B)
ROCH3
[O]
[O]
R1
ROH + CH2O
R1
[O]
NH
(C)
RNH2 + CH2O
R2
N
OH
R2
O
O
[H2O]
(D)
O
R1
R2
+
R1
OH
COOH
COOH
O
O
+ R
OH
(E)
OH
R2 OH
OH
O
OH
UDP
+ UDPH
OH
OH
O
OH
R
Figura 19: Exemplos de reações de Fase 1, (A), (B) e (C) reações de oxidação, (D) reação
de hidrólise e Fase 2, (E) conjugação com ácido glicurônico.
1.4.
Toxicidade
Um dos principais desafios do desenvolvimento de fármacos é a
avaliação da toxicidade dos fármacos em humanos. Ocorre que muitas
vezes, o próprio metabólito pode potencializar o efeito do fármaco ou ser
mais tóxico do que o composto original86.
O espectro de efeitos adversos dos fármacos é amplo e mal-definido.
Na terapêutica, um fármaco produz tipicamente diversos efeitos, mas
geralmente apenas um é o objetivo principal do tratamento; esses outros
86
Li, A.P.; “Accurate prediction of human drug toxicity: a major challenge in drug
development”, Chem. Biol. Interact., 2004, 150(1), 3–7.
46
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
efeitos são definidos como efeitos indesejáveis. Os efeitos adversos dos
fármacos geralmente não são deletérios, e incluem efeitos como boca seca,
por exemplo. Os efeitos tóxicos podem ser classificados como farmacológico,
patológico ou genotóxico (que causam alterações no DNA). Os efeitos
farmacológicos geralmente desaparecem com a diminuição da concentração
do fármaco no organismo, através do metabolismo e eliminação do mesmo.
Os efeitos patológico e genotóxico podem ser revertidos, porém se um dano
maior no DNA não for reparado, pode surgir câncer em animais de
laboratório em poucos meses, ou anos, em seres humanos85.
1.5.
Propriedades semelhantes a um fármaco (Drug-likeness)
O conceito de drug-likeness para a seleção de compostos tem estado
recentemente em foco e empregado de formas ligeiramente distintas por
diversos autores. Alguns definem compostos ‘drug-like’ como “compostos
que possuem grupos funcionais e/ou têm propriedades físicas parecidas com
a maioria dos fármacos conhecidos”87, enquanto Lipinski define como
“compostos que possuem propriedades ADMET suficientemente aceitáveis
para resistir à Fase II dos ensaios clínicos”84.
O desenvolvimento da Regra dos Cinco pelos pesquisadores da Pfizer
levou a realização de estudos similares por pesquisadores de diversas
indústrias farmacêuticas, como GlaxoSmithKline, Boehringer Ingelheim, Astra
Zeneca, Bayer e Lilly. Apesar de todos os estudos analisarem dados
87
Walters, W.P.; Murcko, M.A.; “Prediction of ‘drug-likeness’”, Adv. Drug Deliv. Rev.,
2002, 54(3), 255–271.
47
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
ligeiramente diferentes de fármacos comerciais e/ou compostos na fase de
desenvolvimento clínico, as conclusões são similares: compostos com
características ‘drug-like’ apresentam propriedades físico-químicas que são
importantes para o desenvolvimento de fármacos bem-sucedidos88. Essas
propriedades,
principalmente
lipofilicidade,
distribuição
eletrônica,
características de ligação hidrogênio, tamanho e flexibilidade molecular e a
presença
de
comportamento
várias
da
características
molécula
em
um
farmacofóricas
organismo
influenciam
vivo,
incluindo
o
a
biodisponibilidade, propriedades de transporte, afinidade por proteínas,
reatividade, toxicidade, estabilidade metabólica entre outras89.
88
Keller, T.H.; Pichota, A.; Yin, Z.; “A practical view of ‘druggability’”, Curr. Opin.
Chem. Biol., 2006, 10(4), 357–361.
89
a) Biswas, D.; Roy, S.; Sen, S.; “A Simple Approach for Indexing the Oral
Druglikeness of a Compound: Discriminating Druglike Compounds from Nondruglike
Ones”, J. Chem. Inf. Model., 2006, 46(3), 1394-1401. b) Muegge, I.; “Selection
Criteria for Drug-Like Compounds”, Med. Res. Rev., 2003, 23(3), 302-321.
48
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
2. Objetivos
O objetivo principal deste trabalho é a aplicação de metodologias de
simulação computacional que auxiliem no estudo da relação estruturaatividade (SAR) de novos compostos com atividade antiparasitária e
antimicobacteriana e no perfil toxicológico deste último grupo de compostos.
A primeira parte deste estudo consistirá no emprego de técnicas de
modelagem molecular para a realização do estudo de SAR com o intuito de
obter parâmetros estruturais e estereoletrônicos, tais como, a determinação
dos mapas de potencial eletrostático molecular, os coeficientes e energias de
HOMO e LUMO, cálculos de cLogP, momento de dipolo e outros que
possam estar relacionados com a atividade tripanocida e antimicobacteriana
dos compostos analisados. Estes estudos serão realizados utilizando o
programa Spartan’04 (Wavefunction Inc, Irvine, CA, 2000). A outra etapa do
trabalho consiste em calcular o perfil toxicológico dos derivados com
atividade
antimicobacteriana.
Essa
predição
teórica
analisará
a
mutagenicidade, a tumorogenicidade, efeitos na reprodução e propriedades
como a lipofilicidade e a solubilidade que são importantes na seleção de
novas substâncias bioativas candidatas a fármacos. O drug-likeness também
será avaliado. Estes estudos serão realizados com o programa Osíris da
Actelion Pharmaceuticals Ltda.
49
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
3.Justificativa
Visto que existe um baixo interesse das indústrias farmacêuticas pela
pesquisa e desenvolvimento de medicamentos para o tratamento das
doenças consideradas como negligenciadas, surge a necessidade de
intensificar a pesquisa de novos fármacos que sejam mais eficazes para o
tratamento destas doenças e que apresentem menos efeitos colaterais. Isto
se torna mais relevante para os países em desenvolvimento, localizados em
áreas tropicais, onde existe maior incidência dessas doenças.
O tratamento atual da Doença de Chagas envolve o uso de nifurtimox
(1) e benznidazol (2). Entretanto, eles são altamente tóxicos para o
hospedeiro.
O desenvolvimento de novas entidades químicas para o tratamento da
Doença de Chagas sempre despertou um grande interesse em nosso grupo
de pesquisa, em especial, a busca de novos agentes tripanocidas a partir da
β-lapachona (35). Este interesse foi consolidado com base em estudos
recentes de que a atividade antichagásica pode aumentar quando a função
orto-quinona pode ser modificada pela introdução de uma subunidade oxazol
(36a), imidazol (36b) ou fenazina (37) (Figura 20). Foi observado, nesses
derivados, a manutenção da atividade tripanocida sem os efeitos citotóxicos,
geralmente atribuídos à subunidade orto-quinona.
50
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
NHPh
N
O
O
(35)
N
N
X
O
Ph
O
(36a) X=O
(36b) X= NH
N
O
(37)
Figura 20: Estrutura química da β-lapachona (35) e dos derivados modificados na posição
orto da função quinona, oxazol (36a), imidazol (36b)90 e fenazina (37)91.
Este estudo resultou na síntese de derivados modificados da βlapachona (35). A primeira etapa consistiu na alteração estrutural do anel
pirano C. Na etapa seguinte, foi inserido um anel oxirano nesses derivados
(Esquema 3). Assim, métodos computacionais serão empregados visando
realizar um estudo destes compostos com atenção especial nas alterações
realizadas no centro redox e nas modificações do anel pirano com intuito de
investigar a importância das características estrutural e estereoeletrônica que
resultaram em compostos com atividade tripanocida sem os efeitos tóxicos
em linhagens de células de mamíferos.
90
De Moura, K.C.G. Salomão, K.; Menna-Barreto, R.F.; Emery, F.S.; Pinto,
M.C.F.R.; Pinto, A.V.; de Castro, S.L.; “Studies on the trypanocidal activity of semisynthetic pyran[b-4,3]naphtho[1,2-d]imidazoles from beta-lapachone”, Eur J Med
Chem., 2004, 39(7), 639-645.
91
Neves-Pinto, C.; Malta, V.R.; Pinto, M.C.F.R.; Santos, R.H.; de Castro, S.L.; Pinto,
A.V.; “A trypanocidal phenazine derived from beta-lapachone”, J. Med Chem., 2002,
45(10), 2112-2115.
51
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
aaa
inserção de
anel oxirano
O
O
O
O
A
B
C
Modificação do anel pirano C:
contração, substituição, transposição
O
Esquema 3: Modificações estruturais na β-lapachona (35).
Os
compostos
1,2,3-triazóis
são
uma
importante
classe
de
heterocíclicos devido ao seu amplo espectro de aplicações farmacêuticas,
tais como agentes antiplaquetários, ligantes de receptor de dopamina D2
relacionado à esquizofrenia, agentes antiinflamatórios, anticonvulsivantes,
inibidores de β-lactamase e agentes antivirais e antimicrobianos.
Assim,
uma
nova
série
de
derivados
N-fenil-1,2,3-triazóis-4-
carbaldeídos (42a-42l) foi sintetizada e o seu perfil antimicobateriano foi
avaliado in vitro. Uma série de substituintes foi inserida na subunidade fenila
visando observar o efeito sobre a atividade biológica. Uma vez que a
introdução de átomo de flúor modifica as propriedades físicas, químicas e
biológicas na molécula, e considerando que pode, inclusive, aumentar a
atividade, também foi sintetizada uma série de derivados N-fenil-1,2,3triazóis-4-difluormetilenos (43a-43l). Estes derivados foram submetidos a um
estudo de modelagem molecular com o intuito de observar as características
52
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
estruturais e estereoletrônicas que possam ser importantes para governar a
interação com o alvo receptor do Mycobacterium.
CHO
N
N
CHF2
N
N
N
R
(42a-42l)
N
R
(43a-43l)
Esquema 4: Derivados N-fenil-1,2,3-triazóis-4-carbaldeídos (42a-42l) e N-fenil-1,2,3-triazóis4-difluormetilenos (43a-43l) sintetizados e ensaiados frente a cepas de Mycobacterium
tuberculosis.
53
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
4. Metodologia
Inicialmente a estrutura tridimensional de cada derivado foi construída no
programa Spartan’04, utilizando o campo de força de Mecânica Molecular
(MMFF, Mechanics Molecular Force Field).
4.1.
Análise conformacional
A análise conformacional de uma molécula é realizada pela rotação de
uma ligação, com mudança paralela dos ângulos diedros das ligações, e
cálculos correspondentes de energia estérica, decorrente da sobreposição
espacial de átomos não-ligados e barreiras torsionais de rotação.
Qualquer que seja o método de minimização de energia usado, não
há como garantir que o mínimo encontrado seja o mínimo absoluto da
superfície de energia potencial (SEP). Normalmente, muitos mínimos locais
estão presentes e é comum que a aplicação de algum algoritmo de
minimização de energia acabe conduzindo a um deles, dependendo da
proximidade da geometria inicial do sistema. Isto é particularmente verdade
no caso da energia em função da torsão dos ângulos diedros, ou seja, da
energia conformacional. Em princípio, o mínimo absoluto só pode ser
encontrado através de uma análise conformacional completa do sistema
molecular.
A maneira mais sistemática de realizar uma análise conformacional é
varrer cada ângulo diedro da estrutura simultaneamente, a chamada
54
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
pesquisa de grade. A aplicação deste procedimento é, contudo, limitada. O
número de confôrmeros a ser analisado equivale a (3600/θ)n, onde θ é o
incremento usado no processo de varredura do ângulo diedro e n é o número
de ligações avaliadas. Quanto menor o incremento θ, maior a quantidade de
informações que se obtém sobre a energia conformacional, mas, na prática,
apenas alguns confôrmeros são importantes. No caso de uma ligação
saturada C-C, por exemplo, um incremento de pesquisa da energia
conformacional de 60º é adequado, pois permite que as conformações mais
próximas dos mínimos e máximos da SEP sejam encontradas62.
Dessa forma, foi realizada a análise conformacional no derivado Nfenil-1,2,3-triazólico não substituído.
4.2.
Cálculos semi-empíricos
A partir do confôrmero mais estável e, por modificações apropriadas
naestrutura desse confôrmero, obteve-se a estrutura tridimensional de cada
derivado Todas as etapas de cálculo de otimização geométrica foram
realizadas no vácuo, sem qualquer restrição geométrica, pelo método semiempírico usando o Hamiltoniano AM1, disponível no programa (Esquema 5).
4.3.
Cálculos ab initio
Após a otimização geométrica, as estruturas dos compostos
analisados foram submetidas ao cálculo ab initio em ponto único (Single-
55
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Point), em que se calculam os parâmetros eletrônicos de um arranjo único
dos átomos, utilizando o método Hartree-Fock na base 6-31G* (Esquema 5).
As superfícies tridimensionais dos mapas de potenciais eletrostáticos
moleculares (MEPs) representam os potenciais eletrostáticos sobrepostos na
superfície de densidade de elétrons constante (0,002e/ua³) na superfície de
contato de van der Waals e são geradas indicando o tamanho molecular total
e a localização dos potenciais eletrostáticos negativos e positivos. As
propriedades eletrônicas - energia e coeficiente de distribuição de HOMO e
LUMO, momento dipolo e lipofilicidade – c LogP - serão calculadas para
todas as moléculas objetivando obter parâmetros para o estudo da relação
Estrutura-Atividade das moléculas estudadas.
As superfícies tridimensionais do Mapa de Potencial Eletrostático
molecular para os derivados da β-lapachona foram geradas na faixa de
energia entre -65 e +23 kcal/mol.
56
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Esquema 5: Fluxograma da metodologia aplicada no estudo de modelagem molecular.
57
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
4.4.
Cálculos DFT
Após a otimização geométrica pelo método semi-empírico, as
estruturas dos derivados 1,2,3-triazólicos foram submetidas a cálculos de
Funcional de Densidade, usando o funcional híbrido de Becke-Lee-YangPark, B3LYP, na base 6-31G* (Esquema 5). Da mesma forma que os
derivados antichagásicos, os mapas de potencial eletrostático moleculares e
as propriedades eletrônicas dos derivados 1,2,3-triazólicos também foram
gerados.
Os mapas de potencial eletrostático moleculares para os derivados
1,2,3-triazólicos foram gerados na faixa de energia entre -25 e +30kcal/mol.
4.5.
Sobreposição
A sobreposição molecular tem um papel importante para a análise do
potencial de ligação de compostos na ausência de dados sobre a estrutura
do alvo em questão. Na ausência desses dados, podem ser empregadas 3
tipos de análise: a elucidação do farmacóforo, que fornece as principais
características funcionais para a interação com o alvo; estudos quantitativos
de relação estrutura-atividade tridimensional (QSAR-3D), que deriva modelos
para avaliação de afinidades de ligação; e a modelagem do receptor, que
fornece descrições do processo específico de ligação com o alvo92.
92
Lemmen, C.; Lengauer, T.; “Computational methods for the structural alignment of
molecules”, J. Comp-Aided Mol. Design, 2000, 14, 215–232.
58
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
A partir da sobreposição estrutural de um grupo de compostos,
comparam-se
as
características
estereoeletrônicas
relevantes
dos
compostos para análise da similaridade e diversidade dos mesmos, a fim de
se propor um modelo farmacofórico, que será usado para possíveis ligantes
com uma dada atividade biológica num banco de dados.
Para
a comparação
visual das
propriedades
estruturais
dos
compostos antichagásicos estudados, foi realizada a sobreposição das
estruturas no programa SPARTAN’04, a partir da seleção de 3 átomos não
co-lineares conservados nas estruturas químicas em questão (Esquema 6).
O
O
O
a
c
O
a
c
b
(35)
b
O
(41a)
O
Esquema 6: Átomos utilizados na sobreposição dos compostos tripanocidas (35) e (41a).
4.6.
Propriedades semelhantes a um fármaco (Drug-likeness)
Diversos métodos estimam o drug-likeness de um composto baseado
parcialmente em descritores topológicos, dados estruturais ou outras
propriedades como lipofilicidade e peso molecular93. No programa Osiris94, a
freqüência de ocorrência de cada fragmento é determinada dentro de uma
coleção de fármacos comerciais e dentro de um banco de compostos
93
Tetko, I. V.; “Computing chemistry on the web”, Drug Discov. Today, 2005, 10(22),
1497-1500.
94
http://www.organic-chemistry.org/prog/peo, acessado em 05 de março de 2007.
59
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
supostamente sem as características de drug-likeness. Assim, serão
calculados o drug-likeness das moléculas mais ativas e também de fármacos
já conhecidos (isoniazida, para Tuberculose) como controle positivo.
O processo de predição é baseado numa lista de cerca de 5300
fragmentos distintos associados a uma classificação drug-likeness.
O drug-likeness é calculado de acordo com a equação:
d= Σνi
√n
(Eq. 4)
onde se calcula a razão do somatório dos valores de drug-likeness (Σνi) dos
fragmentos que estão presentes na estrutura em avaliação pela raiz do
número de fragmentos (n).
A lista de fragmentos é criada a partir de um banco de dados de 3300
fármacos comerciais (fragmentos druglike) assim como 15000 substâncias
químicas comercialmente disponíveis no catálogo Fluka (fragmentos nãodruglike) formando uma lista completa com todos os fragmentos disponíveis.
A geração dos fragmentos ocorre a partir da quebra das ligações simples.
Todos os fragmentos com uma freqüência, acima de certo limite, foram
agrupados a fim de se remover aqueles altamente redundantes. Para os
demais fragmentos, o potencial de drug-likeness foi determinado como o
logaritmo do quociente da freqüência nos fármacos comerciais versus as
substâncias químicas do catálogo Fluka (Figura 21).
60
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Figura 21: Distribuição de drug-likeness de fármacos comerciais (em vermelho) versus
substâncias químicas do catálogo Fluka (em azul).
O processo de cálculo de drug-likeness se inicia a partir do desenho
da estrutura química no programa Osiris (Figura 22). Em seguida, calculamse o perfil toxicológico, as propriedades físico-químicas, drug-likeness e
drug-score – o somatório das propriedades calculadas -, conforme
assinaladas na Figura 22.
61
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Figura 22: Cálculos de perfil toxicológico, propriedades físico-químicas, drug-likeness e drugscore pelo programa Osíris, utilizando como exemplo a isoniazida (17).
4.7.
Toxicidade
A toxicidade de um fármaco é um fator de extrema importância, uma
vez que um número significativo de fármacos são reprovados nos ensaios
clínicos.
Enquanto desenha-se a estrutura a ser analisada no programa
Osiris94, o preditor de risco de toxicidade avalia os riscos tóxicos potenciais,
uma vez que a estrutura em análise seja uma entidade química válida
(Figura 22). Os alertas de riscos toxicológicos indicam que os compostos em
avaliação possuem determinados fragmentos que podem ter efeitos
62
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
irritantes, por exemplo, ou alto grau de tumorogenicidade (quando varia da
coloração verde para a vermelha).
O processo de predição conta com uma base pré-calculada de
fragmentos estruturais que originam alertas toxicológicos, caso sejam
encontrados na estrutura analisada. Essas listas de fragmentos foram
criadas pela fragmentação rigorosa de todos os compostos do banco de
dados do Registro de Efeitos Tóxicos de Substâncias Químicas (Registry of
Toxic
Effects
of
Chemical
Substances
-
RTECS)
conhecidos
por
apresentarem algum tipo de toxicidade. Durante a fragmentação as
moléculas são quebradas nas ligações simples, originando também um
conjunto de fragmentos nucleares. Esses, por sua vez, foram utilizados para
reconstruir todos os fragmentos maiores possíveis sendo uma sub-estrutura
da molécula original. Em seguida, um processo de busca por sub-estruturas
determina a freqüência de ocorrência dos fragmentos (núcleo e fragmentos
construídos) dentre todos os compostos daquela classe de toxicidade. As
freqüências de fragmentos também são medidas através dos fragmentos de
mais de 3000 fármacos comerciais. Considerando que fármacos comerciais
são tidos como isentos ou com efeitos tóxicos mínimos, qualquer fragmento
encontrado com alta freqüência no banco de compostos químicos, foi
considerado como um fator de risco. Entretanto, caso eles quase não sejam
observados em fármacos comerciais, os mesmos não são tidos como
tóxicos95 (Figura 22).
95
http://www.organic-chemistry.org/prog/peo/tox.html, acessado em 10 de maio de
2007.
63
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
4.7.1. Descrição dos tipos de toxicidade.
•
Irritação primária: as informações são obtidas de resultados de testes de
Draize; esses testes fornecem informações sobre irritação da pele e olhos.
Os estudos são realizados em espécies de mamíferos selecionadas,
principalmente coelhos.
•
Efeitos mutagênicos: as informações são referentes apenas a testes
positivos. Inclui 20 sistemas de testes específicos, tanto in vitro quanto in
vivo.
•
Efeito reprodutivo: não inclui apenas informações teratogênicas, mas
efeitos em ambos os sexos, efeitos na fertilidade, desenvolvimento de
anormalidades, efeitos no embrião ou feto, efeitos tumorigênicos e efeitos no
recém-nascido.
•
Efeito tumorigênico: tem 3 tipos principais “carcinogênico por critério
RTECS” “neoplásico por critério RTECS” e “resultados tumorigênicos
equivocados”96.
4.8.
Drugscore
O valor de drugscore, obtido a partir do programa Osiris, é resultante
da combinação dos valores de drug-likeness, lipofilicidade, solubilidade, peso
molecular e riscos toxicológicos em um único valor que pode ser usado para
avaliar o potencial total de um composto a fim de qualificá-lo como um
96
http://www.cdc.gov/niosh/rtecs/RTECSfeatures.html, acessado em 10 de maio de
2007.
64
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
possível fármaco. Esse valor é calculado multiplicando-se as contribuições
individuais das propriedades descritas através da equação:
ds =
Π
1 + 1 Si
2 2
Π ti
(Eq. 5)
onde ds é o drugscore, si são as contribuições calculadas diretamente das
propriedades, a partir da equação:
s = ________
1
1 + eap+b
(Eq. 6)
e os parâmetros a e b são (1, -5), (1, 5), (0.012, -6) e (1, 0) para lipofilicidade,
solubilidade, peso molecular e drug-likeness, respectivamente. Os valores ti
são as contribuições obtidas dos 4 tipos de riscos toxicológicos, sendo 1, 0,8,
e 0,6 cujos valores correspondem: fora de risco, risco médio e alto risco,
respectivamente.
65
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
5. Resultados e Discussões
5.1.
Aplicação de modelagem molecular no estudo da Relação
Estrutura-Atividade de derivados da lapachona com perfil tripanocida.
5.1.1. Análise dos dados obtidos a partir dos cálculos de modelagem
molecular
Uma série de naftoquinonas, tendo como precursor a β-lapachona, foi
sintetizada pelo grupo de Ferreira97. Neste trabalho, foram propostas
modificações estruturais no anel pirano C e alteração eletrônica no centro
redox, com adição de um anel oxirano na carbonila da naftoquinona
(Esquema 7) com o intuito de identificar as características estruturais e
eletrônicas importantes para a atividade tripanocida nesta série de derivados.
Na primeira parte deste trabalho, foram realizadas modificações no
anel pirano C da β-lapachona. Inicialmente o anel pirano foi removido,
mantendo-se apenas uma metoxila (38). Em seguida, efetuou-se a contração
do anel C de 6 para 5 membros, com obtenção da nor-β-lapachona (39). Foi
realizada a adição de um substituinte polar e volumoso, como o
metanossulfonato no anel C (40) e procedeu-se a transposição do anel
pirano C, com a obtenção da α-lapachona (41). Considerando que a
literatura descreve a forte influência do centro redox do grupo quinona sobre
97
Jorqueira, A.; Gouvêa, R.M.; Ferreira, V.F.; Silva, M.N.; Souza, M.C.B.V.; Zuma,
A.A.; Cavalcanti, D.F.B.; Araújo, H.P.; Santos, D.O.; Bourguignon, S.C.; “Oxyrane
derivative of α-lapachone is potent growth inhibitor of Trypanosoma cruzi
epimastigote forms”, Parasitol. Res., 2006, 99, 429–433.
66
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
a atividade biológica, uma das carbonilas foi substituída por um anel oxirano
nas respectivas naftoquinonas modificadas (38a-41a) (Esquema 7).
Alguns autores têm demonstrado que derivados oxiranos apresentam
atividade
tripanocida
e
atuam
em
alvos
específicos
de
algumas
proteinases98. O composto natural E-64, por exemplo, e muitos outros
derivados sintéticos demonstram potente atividade tripanocida99.
O
O
O
38
OCH3
O
38a OCH3
O
O
O
39
35 Modificação
no anel C
O
O
B
A
O
O
O
O
40
O
C
35a Modificação
no centro redox
O
O
B
A
O
O
39a
O
O
C
O
40a O
SO3CH3
O
O
O
O
41
O
SO3CH3
41a O
Esquema 7: Planejamento das naftoquinonas com modificações no anel pirano C e no
centro redox.
98
Cazzulo, J. J.; “Proteinases of Trypanosoma cruzi: patential targets for the
chemotherapy of Chagas disease”, Curr. Top. Med. Chem., 2002, 2 (11), 12611271.
99
Iacobuzio-Donahue C.A.; Shuja S.; Cai J.; Peng P.; Murnane M.J.; “Elevations in
cathepsin B protein content and enzyme activity occur independently of glycosylation
during colorectal tumor progression”, J. Biol. Chem., 1997, 272(46), 29190-29199. b)
Roush, W. R.; González, F. V.; McKerrow, J. H.; Hansell, E.; “Design and synthesis
of dipeptidyl alpha',beta'-epoxy ketones, potent irreversible inhibitors of the cysteine
protease cruzain”, Bioorg. Med. Chem. Lett., 1998, 8(19), 2809-2812.
67
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Os compostos foram testados in vitro frente à forma epimastigota
Dm28c do T. cruzi (Tabela 1). Os resultados demonstraram que apenas o
derivado 38 possui atividade tripanocida (IC50= 11 µM) comparado à βlapachona (35) (IC50=0,9 µM) e ao controle (cristal violeta, IC50<3,1 µM).
Esses dados indicam a importância da subunidade do anel pirano
considerando que modificações nessa região provocaram mudanças diretas
no perfil antiparasitários de todas as naftoquinonas testadas, incluindo o
derivado (38) que foi cerca de 10 vezes menos ativo do que a β-lapachona
(35).
A avaliação da influência do centro redox, nos derivados (35a), (38a41a), no perfil tripanocida demonstrou que todos os oxiranos são capazes de
inibir o crescimento do parasita em uma faixa de IC50 entre 1,3 a 39 µM.
Estes dados estão em concordância com aqueles da literatura que
descrevem o grupo oxirano como um componente estrutural importante
presente em inúmeros compostos que possuem atividade biológica100.
Embora ainda em menor proporção, o derivado (35a) também apresentou
atividade tripanocida (IC50=12 µM) quando comparado à β-lapachona (35)
(IC50=0,9 µM). Este resultado reforça a importância do anel C para manter a
atividade antiparasitária de (35a). Vale ressaltar que a α-lapachona (41)
(IC50=50 µM) é descrita como uma molécula incapaz de gerar radicais livres,
entretanto o seu derivado oxirânico (41a) (IC50= 1,3 µM), foi o composto mais
ativo entre os oxiranos testados nesse trabalho.
100
Marco-Contelles, J.; Molina, M. T.; Anjum, S.; “Naturally occurring cyclohexane
epoxides: sources, biological activities, and synthesis”, Chem. Rev., 2004, 104(6),
2857-2899.
68
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
A presença de centros quirais no derivado naftoquinônico 40 e nos
derivados oxirânicos pode estar influenciando a atividade biológica, visto que
a interação com o alvo é estereosseletiva e a presença dos demais
enantiômeros pode reduzir a atividade em questão101.
Nos ensaios de citotoxicidade (CC50) contra as células VERO de
mamíferos foi observado que todas as naftoquinonas, exceto o derivado (39),
apresentaram uma citotoxicidade menor do que à da β-lapachona (35)
(CC50<3,1 µM) e o cristal violeta (CC50=8,9 µM).
Tabela 1: Comparação da atividade antiparasitária (IC50), citotoxicidade em células VERO
(CC50) e as propriedades eletrônicas moleculares (EHOMO, Dipolo, cLogP) dos derivados
naftoquinônicos (35), (38-41).
Experimental
Composto
Teórico
IC50
CC50
EHomo
Dipolo
(µM)
(µM)
(eV)
(Debye)
35
0,9
<3,1
-9,22
5,56
1,66
38
11
22
-9,60
5,59
1,04
39
>50
<3,1
-9,23
5,24
1,24
40
>50
>50
-9,51
6,31
0,61
41
>50
>50
-9,61
0,55
0,90
cLog P
Os estudos computacionais dos derivados (35, 38-41, 35a, 38a-41a)
foram realizados e as propriedades estruturais e estereoeletrônicas foram
avaliadas com o intuito de obter informações importantes sobre a modulação
da atividade tripanocida e o perfil citotóxico desses derivados.
Uma análise global dos parâmetros teóricos obtidos para as
101
Kulig, K.; Nowicki, P.; Malawska, B.; “Influence of the absolute configuration on
pharmacological activity of antihypertensive and antiarrhythmic drugs”, Pol. J.
Pharmacol., 2004, 56(5), 499-508.
69
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
naftoquinonas (35, 38-41) mostrou que a energia de HOMO e a lipofilicidade
(cLogP) diminuíram para a maioria dos compostos assim como a atividade
antiparasitária, com exceção do composto (39). No entanto, tanto o momento
de dipolo (0,55-6,31 D) quanto o vetor dipolo, que está orientado para a
mesma direção em todos os compostos (com exceção do derivado 41)
(Figura 23), não apresentaram uma correlação direta com a atividade
antiparasitária (Tabela 1).
Figura 23: Vetor do momento de dipolo molecular dos derivados naftoquinônicos (35), (3841).
O mapa de potencial eletrostático molecular (MEP) (Figura 24), o
coeficiente de distribuição do HOMO (Figura 25) e a densidade de LUMO
(Figura 26) para os derivados naftoquinônicos mostraram uma similaridade
global, com exceção do derivado (41).
70
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Figura 24: Mapa de potencial eletrostático molecular (MEP) dos derivados naftoquinônicos
(35), (38-41), gerados na faixa de energia entre -65(azul) e +23 (vermelho) kcal/mol. (A)
Frente e (B) verso dos derivados.
Figura 25: Coeficiente de distribuição dos orbitais HOMO dos derivados naftoquinônicos
(35), (38-41).
Figura 26: (A) Coeficiente de distribuição dos orbitais LUMO e (B) densidade de LUMO dos
derivados naftoquinônicos (35), (38-41), gerada numa superfície de densidade eletrônica
constante de 0,002 e/ua³.
71
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Numa análise mais específica, a eliminação do anel C da β-lapachona
(35), com a conservação de uma metoxila (38), não mostrou diferenças muito
significativas na densidade eletrônica no MEP em comparação com o
derivado (35) (Figura 25), indicando a importância estrutural do anel C para a
atividade antiparasitária. No derivado (39) foi realizada uma contração do
anel C de 6 para 5 membros, resultando na nor-β-lapachona. Isso revelou a
influência da restrição da flexibilidade nesse anel e seu impacto no perfil
antiparasitário.
Não
houve
variações
significantes
nas
propriedades
eletrônicas (Figura 24), que são comparáveis com a β-lapachona (35),
entretanto o derivado (39) não apresentou atividade antiparasitária e foi o
mais citotóxico da série (Tabela 1). Assim, pode-se inferir que a disposição
do anel de 6 membros define uma orientação específica para o átomo de
oxigênio e mostra a sua importância para a interação com o alvo no parasita.
Essa região é mais rígida no derivado (39) e está orientada de forma
diferente em (38), devido a uma maior liberdade conformacional do grupo
metoxila.
A substituição do átomo de hidrogênio, próximo ao grupo dimetila no
anel C, por um substituinte metanossulfonato (-SO3CH3) (40), um grupo mais
polar e volumoso, resultou na diminuição da densidade eletrônica no sistema
de anéis (representado por uma intensa cor azul) e aumentou a possibilidade
de um maior impedimento estérico para interagir com o alvo no parasita
(Figura 24). Logo, tanto o efeito eletrônico quanto o impedimento estérico
parecem ser deletérios para atividade tripanocida. Semelhante aos
compostos (38) e (39), o vetor do momento de dipolo está orientado para o
72
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
átomo de oxigênio do anel C (Figura 23).
Por último, a transposição do anel pirano C, no composto (41),
mostrou que ocorreu uma distribuição do centro eletrofílico pelas duas
carbonilas e, portanto, em direções opostas do anel (Figura 24). Esta
modificação estrutural também introduziu uma diminuição significativa da
atividade antiparasitária, já descrito na literatura99 (Tabela 1). Isto reforça a
importância de uma orientação correta do anel pirano para que ocorra uma
interação adequada com o sítio de interação na célula do parasita.
Foi realizada a análise do coeficiente de distribuição tridimensional
dos orbitais de fronteira HOMO e LUMO das naftoquinonas, com o intuito de
analisar a contribuição atômica de ambos os orbitais de fronteira,
considerando que o mecanismo de ação desses compostos apresenta um
componente eletrônico importante (Figuras 25 e 31). A análise dos dados de
modelagem molecular mostrou uma distribuição de HOMO pelo sistema de
anéis, com exceção do composto (41), que apresentou uma maior
contribuição de HOMO na ligação insaturada entre os anéis B e C próximo
ao átomo de oxigênio do anel pirano (Figura 25). A análise da densidade de
LUMO não mostrou diferenças significativas entre as naftoquinonas da série
estudada, com exceção do composto (41) (Figura 26).
A outra proposta desse trabalho foi obter as propriedades eletrônicas
e estruturais que podem estar envolvidas na atividade tripanocida quando o
centro redox do núcleo quinona é substituído por um anel oxirano. Uma
análise geral dos parâmetros teóricos obtidos por estudos de modelagem
molecular, tais como o momento de dipolo, com exceção para o composto
73
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
(40a), e a lipofilicidade diminuíram para a maioria dos derivados oxiranos
(Tabela 2), porém, não foi possível observar uma correlação com a atividade
antiparasitária.
Tabela 2 Atividade antiparasitária (IC50), citotoxicidade em células VERO (CC50) e as
propriedades eletrônicas moleculares (EHOMO, Dipolo, cLog P) dos derivados oxiranos (35a,
38a-41a).
Composto
IC50
CC50
EHomo
Dipolo
cLog P
(µM)
(µM)
(eV)
(Debye)
35a
12
>50
-9,02
4,15
1,58
38a
4,0
32
-9,37
4,30
0,96
39a
3,5
25
-9,03
3,93
1,17
40a
39
>50
-9,31
5,54
0,54
41a
1,3
>50
-9,35
2,33
0,83
O MEP (Figura 27) e o mapa tridimensional de densidade de LUMO
(Figura 28) dos derivados oxiranos apresentaram diferenças significativas em
relação às naftoquinonas correspondentes. Os MEPs mostraram um
potencial mais negativo estendendo-se pelo sistema de anéis em todos os
oxiranos, quando comparados com os derivados naftoquinonas.
74
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Figura 27: Mapa de potencial eletrostático molecular dos derivados naftoquinônicos oxiranos
(35a), (38a-41a). gerados na faixa de energia entre -65 (azul) e +23 (vermelho) kcal/mol. (A)
frente (B) verso dos derivados.
A densidade de LUMO descreve áreas deficientes em elétrons que
podem ser suscetíveis à interação com regiões de alta densidade eletrônica
do alvo receptor no parasita. A área deficiente em elétrons (cor azul) dos
derivados naftoquinonas está concentrada em ambas as carbonilas e no
átomo de carbono ligado ao átomo de oxigênio do anel pirano (Figura 26).
Nos oxiranos, esta área está restrita ao carbono próximo ao átomo de
oxigênio do anel pirano C (Figura 28).
Entretanto, os coeficientes de distribuição de HOMO (Figura 29) e o
vetor do momento de dipolo molecular dos oxiranos (Figura 30) não
mostraram
nenhuma
modificação
aparente
quando
comparados
às
naftoquinonas correspondentes.
Uma análise do composto (35a) mostrou um efeito antiparasitário com
menor valor de IC50, porém consistente, em relação à naftoquinona
correspondente (Tabela 2), sugerindo que o sistema quinona não é essencial
para esta atividade.
75
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Figura 28: (A) Coeficiente de distribuição dos orbitais LUMO e (B) densidade de LUMO dos
derivados naftoquinônicos oxiranos (35a), (38a-41a), gerada numa superfície de densidade
eletrônica constante de 0,002 e/ua³.
Figura 29: Coeficiente de distribuição dos orbitais HOMO dos derivados naftoquinônicos
oxiranos (35a), (38a-41a).
Figura 30: Vetor do momento de dipolo molecular dos derivados naftoquinônicos oxiranos
(35a), (38a-41a).
Diferentemente dos derivados naftoquinonas (38) e (39), a presença
do anel oxirano, junto com a modificação estrutural no anel pirano, não
76
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
suprimiu a atividade antiparasitária dos compostos (38a) e (39a). O
composto (40a) ainda apresentou atividade antiparasitária consistente,
embora o substituinte volumoso possa impedir interações favoráveis com o
alvo receptor do parasita. A atividade antiparasitária desses compostos
(Tabela 2) reforça a importância de outras características estruturais do que
apenas a presença do núcleo quinona.
Dentre os oxiranos, o composto (41a) apresentou-se como o
composto mais ativo com melhor perfil antiparasitário cerca de 40 vezes
maior do que a α-lapachona (41) e foi semelhante à β-lapachona (35), além
de apresentar baixa toxicidade (CC50 >50 µM), indicando este composto
como o melhor candidato para estudo do seu mecanismo de ação (Tabela
2).
A análise dos estudos de modelagem molecular destacou a variação
de todas as propriedades eletrônicas e moleculares quando (41a) é
comparado com a β-lapachona (35). O derivado (41a) apresentou melhor
atividade antiparasitária dessa série de compostos sem apresentar efeito
tóxico significante. Aparentemente a presença do anel oxirano diminuiu a
lipofilicidade (clog P= 0,83) e o momento de dipolo (2,33D) de (41a) e
também a sua citotoxicidade (Tabela 2).
O momento de dipolo e o vetor dipolo molecular também constituem
parâmetros relevantes para avaliar a aproximação dos ligantes ao sítio de
ligação. Os compostos (35a), (38a), (39a) e (40a) apresentaram momentos
dipolo e também citotoxicidade menor que seus precursores. O vetor de
momento de dipolo está apontado para a mesma direção demonstrando que
77
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
a separação de cargas é semelhante nas moléculas. A única exceção foi o
composto (41a), que apresentou um momento de dipolo maior do que a
naftoquinona correspondente, enquanto seu vetor dipolo está na direção
oposta a dos outros derivados oxiranos (Figura 30). Essa orientação do vetor
mostrou que a polaridade da molécula é diferente quando comparada ao
composto protótipo (β-lapachona - 35). Essa característica pode ser
extremamente relevante para maximizar a interação com o alvo receptor no
T. cruzi, indicando o composto (41a) como o mais potente da série dos
oxiranos e aquele que apresentou o perfil biológico análogo à β-lapachona
(35).
Todos os derivados oxiranos testados apresentaram valores menores
de citotoxicidade, entre 25 e 50 µM, quando comparados as naftoquinonas
correspondentes (Tabela 1). Estes dados estão de acordo com relatos da
literatura que retratam a direta correlação do centro redox com o nível de
citotoxicidade das naftoquinonas. Assim, a substituição de uma das
carbonilas do grupo quinona por um anel oxirano levou a compostos menos
tóxicos. Vale ressaltar que o composto mais potente (41a) apresentou o
menor perfil de citotoxicidade ao qual resultou no mais alto índice de
seletividade (CC50/IC50) comparado à β-lapachona (35) (Figura 31). Isto
aponta o derivado (41a) como um protótipo promissor para planejar novos
compostos tripanocidas e com baixa citotoxicidade.
78
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Figura 31: Índice de Seletividade para os compostos mais ativos, β-lapachona (35), e
oxirano-α-lapachona (41a).
Para uma avaliação mais detalhada dos compostos mais ativos, foi
realizada a sobreposição da β-lapachona (35) e do oxirano-α-lapachona
(41a) (Figura 32). Dessa forma, foi possível observar diferenças estéricas
entre os compostos. A análise da figura 32 revela que o anel de seis
membros dos compostos ocupa regiões diferentes.
79
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Figura 32: (A) Comparação do vetor dipolo molecular e (B) Sobreposição da β-lapachona
(35), em azul, e do oxirano-α-lapachona (41a), em verde.
A adição do anel oxirano modificou a polaridade do composto
juntamente com a lipofilicidade, o que pode estar relacionado com sua menor
citotoxicidade. Além disso, a comparação espacial do anel pirano mostrou
que o mesmo ocupa espaços tridimensionais diferentes nos dois compostos
e que, juntamente com a orientação do vetor dipolo, pode indicar diferentes
mecanismos de ação para os dois compostos analisados.
80
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
5.2.
Aplicação de modelagem molecular no estudos da Relação
Estrutura-Atividade
de
derivados
1,2,3-triazólicos
com
atividade
antimicobacteriana.
5.2.1. Análise dos dados obtidos a partir dos cálculos de modelagem
molecular
Duas séries de derivados N-fenil-1,2,3-triazóis foram sintetizada pelo
grupo do professor Vitor Francisco Ferreira, com diferentes substituintes na
posição 4 do anel triazólico. Uma das séries sintetizadas foi a do 1,2,3triazóis carbaldeÍdo (42a-42l) que foram, então, posteriormente convertidas
na série difluormetilenos (43a-43l).
Os compostos carbaldeídos e difluormetilenos foram testados frente à
atividade antimicobacteriana em cepas de Mycobacterium tuberculosis, com
obtenção da concentração mínima inibitória – CMI (Tabela 3).
Todos os 24 compostos foram ativos contra o Mycobacterium
tuberculosis, embora os derivados (42a-42l) tenham sido significantemente
mais ativos do que a série (43a-43l). Este resultado indica que o átomo de
flúor pode contribuir de forma negativa para a atividade antimicobacteriana.
Já os compostos (42a) e (42l) foram os mais ativos com 100% de inibição e
CMI de 2,5 µg/mL, comparável ao controle positivo (Tabela 3).
Os compostos (42f) (R=4-CN), (42i) (R=4-Cl), e (42j) (R=4-Br)
também apresentaram CMI= 5,0 µg/mL cujo valor é inferior do que 6,25
µg/mL, o qual é tido como o valor limitante para a avaliação de novos
agentes antituberculose pelo Programa Global de Descoberta de Novos
81
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Fármacos Antituberculose34,102.
A análise global dos parâmetros teóricos dos compostos apontou que
os valores de energia de HOMO e LUMO de todos os compostos variaram
bastante, e nenhuma correlação direta com a atividade antimicobacteriana foi
observada (Tabela 3).
102
http://www.taacf.org/data-interpretation.htm
82
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Tabela 3: Comparação da atividade mínima inibitória (CMI) e das propriedades eletrônicas
dos compostos N-fenil-1,2,3-triazóis-4-carbaldeídos (42a-42l) e 4-difluormetilenos (43a-43l).
CHO
CHF2
N
N
N
N
N
Composto
R
42a
4-CH3
42b
4-OCH3
42c
3,4-(OCH3)2
42d
2-OCH3
42e
2,5-(OCH3) 2
42f
4-CN
42g
3-CN
42h
4-NO2
42i
4-Cl
42j
4-Br
42k
3-Cl
42l
3,5–diCl
43a
4-CH3
43b
4-OCH3
43c
3,4-(OCH3) 2
43d
2-OCH3
43e
2,5-(OCH3) 2
43f
4-CN
43g
3-CN
43h
4-NO2
43i
4-Cl
43j
4-Br
43k
3-Cl
43l
3,5-diCl
Rifampicina
Etambutol
ND*= não-determinado
N
R
R
(42a-42l)
(43a-43l)
CMI
Inibição Dipolo
(%)
(µg/mL)
(debye)
2,5
100
5,28
10,0
100
5,72
80,0
0
6,99
40,0
94
6,32
80,0
59
5,32
5,0
ND*
0,59
20,0
ND
3,82
20,0
ND
0,84
5,0
ND
3,04
5,0
100
2,93
10,0
100
3,77
2,5
100
2,76
40,0
87
4,81
10,0
93
5,01
80,0
66
3,11
40,0
86
5,95
80,0
74
4,84
20,0
ND
1,42
80,0
ND
2,96
40,0
ND
1,68
40,0
ND
2,68
20,0
75
2,58
80,0
54
5,13
80,0
55
2,46
1,0
3,25
-
EHOMO
(eV)
-6,61
-6,24
-6,10
-6,44
-5,94
-7,31
-7,34
-7,46
-6,81
-6,81
-6,99
-7,23
-6,54
-6,17
-6,93
-6,37
-5,88
-7,26
-7,33
-7,44
-6,74
-6,74
-6,51
-7,18
-
ELUMO
(eV)
-1,92
-1,85
-1,75
-1,70
-1,70
-2,61
-2,40
-2,94
-2,15
-2,19
-2,17
-2,34
-1,41
-1,28
-1,74
-1,29
-1,30
-2,37
-2,11
-2,81
-1,72
-1,77
-1,31
-1,96
-
83
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Os derivados difluormetilenos (43a-43l) apresentaram a maior
densidade LUMO comparado aos derivados carbaldeídos (42a-42l) (Figura
33). A densidade LUMO encontra-se distribuída ao longo de toda a estrutura
nos derivados difluormetilenos (43a-43l) enquanto que nos compostos
carbaldeídos (42a-42l) encontra-se localizada no anel triazol (Figuras 33 e
34). Estes resultados indicam que a localização da densidade LUMO em
uma
parte
da
estrutura
pode
ser
importante
para
a
atividade
antimicobacteriana.
84
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Figura 33: Densidade de LUMO dos compostos N-fenil-1,2,3-triazóis-4-carbaldeídos (42a42l), gerados numa superfície de densidade eletrônica constante de 0,002e/ua³.
Figura 34: Densidade de LUMO dos compostos N-fenil-1,2,3-triazóis-4-difluormetilênicos
(43a-43l), gerados numa superfície de densidade eletrônica constante de 0,002e/ua³.
85
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
A análise do mapa de potencial eletrostático molecular (MEP) das
duas séries de compostos mostrou que a introdução dos átomos de flúor no
substituinte da posição 4 do anel triazólico modificou a distribuição eletrônica
nos compostos (43a-43l), que apresentaram a perda da região negativa na
parte superior da molécula e resultou numa baixa atividade biológica (Figura
35 e 36 e Tabela 3).
A análise individual dos compostos que apresentaram melhor
atividade (42a-42l) revelou o vetor dipolo direcionado do anel benzênico para
o núcleo triazol, com exceção dos compostos (42f) e (42h), que apresentam
grupos retiradores de elétrons na posição para do anel (Figura 37).
A introdução de grupo metila na posição para do anel aromático (42a),
um fraco doador de elétrons, fez surgir um potencial levemente negativo no
anel aromático, como pode ser observado no MEP (Figura 35), e aumentou a
atividade inibitória.
86
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Figura 35: Mapa de Potencial Eletrostático Molecular dos derivados N-fenil-1,2,3-triazóis-4carbaldeídos (42a-42l), gerados na faixa de energia entre -65 (azul) e +23 (vermelho)
kcal/mol.
Figura 36: Mapa de Potencial Eletrostático Molecular dos derivados N-fenil-1,2,3-triazóis-4difluormetilenos (43a-43l), gerados na faixa de energia entre -65 (azul) e +23 (vermelho)
kcal/mol.
87
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Figura 37: Vetor do momento de dipolo molecular dos derivados N-fenil-1,2,3-triazóis-4carbaldeídos (42a-42l).
A avaliação dos efeitos estereoeletrônicos na presença do oxigênio na
posição para (42b) revelou que, apesar do análogo metoxila permitir a
participação do par de elétrons livres do átomo de oxigênio na ressonância e
aumentar a densidade eletrônica no sistema aromático, o composto (42b)
apresentou uma diminuição cerca de 4 vezes na atividade, quando
comparado com o composto (42a). A adição de outro grupo metoxila na
posição meta levou a um composto ainda menos ativo (42c) revelando a
importância do efeito estérico na atividade antimicobacteriana (Figura 35). A
adição de um grupo metoxila na posição orto (42d) provocou uma torsão de
28° do anel fenila provocando uma descoplanaridade com o anel triazol em
função do efeito orto. Isto provocou uma diminuição da atividade biológica
em cerca de 16 vezes quando comparado o composto mais ativo. Uma perda
maior na atividade foi observada quando outro substituinte metoxila foi
88
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
adicionado (42e). Os resultados para os compostos (42c) e (42e) sugerem
que um alto volume molecular compromete a interação com o alvo receptor.
Além disso, a presença de efeitos estereoeletrônicos dependentes da
posição do anel aromático também pode afetar a atividade biológica (Figura
35 e Tabela 3).
A presença de substituintes aceptores de elétrons alterou a atividade
antimicobacteriana dos compostos, em comparação àqueles substituídos
com grupos doadores de elétrons.
A substituição de uma nitrila na posição para (42f) induziu mudanças
significantes no volume molecular, com um aumento do potencial inibitório
quando comparado com os análogos substituídos com metoxila. Este
substituinte também provocou uma diminuição do potencial negativo do anel.
A transposição do substituinte para a posição meta (42g) levou a uma perda
de 8 vezes na atividade e deslocamento do coeficiente de HOMO para o
núcleo carbaldeído. (Figura 35). Esse resultado reforçou a importância do
substituinte na posição para do anel aromático para a atividade
antimicobacteriana.
A presença do grupo nitro na posição para (42h) diminuiu 4 vezes o
potencial inibitório do composto quando comparado com seu análogo (42f).
Uma vez que o grupo nitro é um forte aceptor de elétrons, o deslocamento do
coeficiente de HOMO para o núcleo aldeído era esperado. A presença de um
grupo aceptor de elétrons fraco, como cloro (42i) ou bromo (42j) na posição
para aumentou a lipofilicidade dos compostos, porém diminuiu em 2 vezes a
atividade em comparação com o composto mais ativo. O átomo de cloro na
89
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
posição meta (42k) diminuiu ainda mais a atividade, mostrando que a
posição do substituinte é tão importante quanto as características eletrônicas
e lipofílicas. A adição de um substituinte cloro extra na posição 5 (42l) levou
a um melhor perfil de atividade inibitória e introduziu características
eletrônicas, tais como densidade de LUMO (Figura 46), MEP (Figura 35) e
coeficiente do orbital HOMO (Figura 38) semelhantes ao composto (42a).
Aparentemente há uma correlação clara entre o coeficiente de
distribuição de HOMO e o perfil biológico dos compostos. Isto pode ser
caracterizado por uma extensa distribuição de HOMO pela estrutura dos
compostos, apontando uma região provável para interações do tipo stacking
com
o
alvo
receptor
do
parasita,
que
apresentaram
um
perfil
antimicobacteriano significante, enquanto que a localização desse coeficiente
em apenas uma parte pode levar a compostos menos ativos (Figura 38).
90
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Figura 38: Coeficiente de distribuição do HOMO dos derivados N-fenil-1,2,3-triazóis-4carbaldeídos (42a-42l).
5.2.2. Análise dos parâmetros físico-químicos.
Para avaliar a natureza hidrofóbica, foram calculados clogP, peso
molecular (PM) e volume molecular (VM),
e o número de doadores e
aceptores de ligação hidrogênio, de acordo com a Regra de Lipinski103
(Tabela 4). Os valores obtidos indicaram que todos os compostos são
suficientemente hidrofóbicos para penetrar as membranas biológicas,
inclusive a parede celular do Mycobacterium.
A análise de doadores e
aceptores de ligação Hidrogênio mostrou que os derivados carbaldeídos
103
Costa, M. S.; “Síntese e Avaliação Farmacológica de novos derivados 1,2,3triazólicos e imidazólicos com potencial atividade inibitória do Mycobacterium
tuberculosis e das formas promastigotas de Leishmania amazonensis”, Tese de
Doutorado, IQ, UFF, Niterói, 2005.
91
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
(42a-42l) e os difluormetilenos (43a–43l) diferem no número de aceptores de
ligação hidrogênio devido à presença do aldeído na posição 4 do anel
triazólico da primeira série citada. Uma vez que os derivados desta série
foram mais ativos, o grupo aldeído parece ser importante para a interação
com o alvo e conseqüentemente influencia o perfil inibitório desses
compostos.
92
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
Tabela 4: Parâmetros hidrofóbicos dos compostos N-fenil-1,2,3-triazóis-4-carbaldeídos (42a42l) e 4-difluormetilênicos (43a-43l).
Composto
PM
c logP
Nº doador
lig. H
Nº aceptor
42a
187,20
2,12
0
3
42b
203,20
1,62
0
4
42c
233,22
1,23
0
5
42d
203,20
1,62
0
4
42e
233,22
1,57
0
5
42f
198,18
1,20
0
4
42g
198,18
1,20
0
4
42h
218,04
1,47
0
3
42i
207,62
2,36
0
3
42j
252,07
2,51
0
3
42k
207,62
2,36
0
3
42l
243,06
3,08
0
3
43a
209,19
2,38
0
2
43b
225,19
2,11
0
3
43c
255,22
1,79
0
4
43d
225,19
2,11
0
3
43e
255,22
2,13
0
4
43f
220,18
1,72
0
3
43g
220,18
1,72
0
3
43h
240,17
1,99
0
2
43i
229,61
2,77
0
2
43j
274,06
2,92
0
2
43k
229,61
2,77
0
2
43l
264,06
3,54
0
2
lig. H
93
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
5.2.3. Drug-likeness
O potencial drug-likeness dos compostos mais ativos (42a, 42f, 42i,
42j e 42l) e da isoniazida (13) foram calculados, sendo essa última utilizada
como controle positivo por ser um fármaco amplamente utilizado no
tratamento da tuberculose e devido a sua semelhança estrutural com os
compostos analisados.
Apenas o composto (42f) (CMI = 5,0 µg/mL) não apresentou um bom
potencial drug-likeness, enquanto (42i) apresentou o melhor potencial druglikeness entre todos, inclusive a isoniazida (Figura 39).
Figura 39: Potencial Drug-likeness dos compostos N-fenil-1,2,3-triazóis-4-carbaldeídos
(42a), (42f), (42i), (42j) e (42l) e do fármaco isoniazida (13).
94
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
5.2.3. Toxicidade
Também foi realizada a predição dos riscos toxicológicos mutagênico, tumorigênico e risco tóxico na reprodução - desses compostos
(Figura 40). Apenas o composto (42f) apresentou algum tipo de risco, sendo
esse, mutagênico, o que pode explicar seu baixo potencial drug-likeness.
Os baixos riscos teóricos de mutagenicidade, tumorogenicidade,
efeitos na reprodução e efeitos irritantes dos demais compostos avaliados
(42i, 42j e 42l) indicaram um perfil de baixo risco, similar à isoniazida (13),
que nos aspectos analisados também se apresentou segura. É importante
ressaltar que a toxicidade predita não é totalmente confiável nem garante
que esses compostos são completamente isentos de efeitos tóxicos.
Contudo, ressalta o perfil promissor desses compostos para estudos
experimentais mais aprofundados.
Figura 40: Toxicidade dos compostos N-fenil-1,2,3-triazóis-4-carbaldeídos (42a), (42f), (42i),
(42j) e (42l) e do fármaco isoniazida (13).
95
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
6. Conclusões e Perspectivas
Uma série de novos derivados modificados da lapachona e compostos
triazólicos foram previamente sintetizados e avaliados quanto ao seu
potencial tripanocida e antimicobacteriano, respectivamente. Os estudos de
modelagem molecular dnos derivados naftoquinônicos revelaram que as
mudanças estruturais no anel pirano C e a alteração do perfil redox do grupo
quinona, através da incorporação do anel oxirano, introduziram diferenças
significativas nas características estereoeletrônicas desses compostos.
Os resultados mostraram que, apesar das propriedades eletrônicas
totalmente diferentes, os compostos (35) e (41a) apresentaram perfil
tripanocida semelhantes com distintos níveis de reatividade. Entretanto, o
derivado oxirânico (41a) além de manter o mesmo potencial de atividade
quando comparado a β-lapachona, apresentou baixa citotoxicidade, o que
torna esse composto como uma molécula candidata a estudos adicionais
para a compreensão do seu mecanismo de ação.
Os resultados do estudo da Relação Estrutura-Atividade utilizando
modelagem molecular dos derivados 1,2,3-triazóis mostraram a importância
da sub-unidade aceptora de ligação de hidrogênio nos
derivados
carbaldeídos (42a-42l), a posição do substituinte no anel aromático. Outros
fatores importantes identificados no estudo teórico foram a planaridade entre
os anéis triazol e fenila como também a correlação entre o coeficiente de
distribuição de HOMO e a atividade antimicobacteriana.
96
UFF – IQ – PGO – Dissertação de Mestrado
Alessandra Mendonça Teles de Souza
No cálculo de drug-likeness dos triazóis mais ativos da série (42a, 42f,
42i, 42j, e 42l) e da isoniazida (13), observou-se que apenas o derivado (42f)
não apresentou um bom potencial drug-likeness enquanto o derivado (42i)
apresentou o melhor valor entre todos, incluindo o fármaco isoniazida. Da
mesma forma, na avaliação do perfil toxicológico desses derivados, o
composto (42f) apresentou possível risco mutagênico.
Ainda que os alertas de riscos toxicológicos do programa Osiris não
signifiquem uma predição totalmente segura, o perfil teórico de baixa
toxicidade e os estudos de modelagem molecular indicam estas moléculas
como
protótipos
para
o
planejamento
racional
de
novos
agentes
antituberculose.
97