Rational design, synthesis and evaluation of novel anti-cancer chemopotentiators acting on DNA-repair pathways

Abstract

Cancer remains a leading cause of death worldwide, with a huge socio-economic impact. Although important improvements in cancer diagnostics and therapeutics have been achieved, their outcomes remain unsatisfactory because of several factors, such as drug resistance, tumour diversity and dose-limiting toxicity, which can be responsible for relapse and/or death. Targeting DNA repair has emerged as a promising approach to fighting cancer, mostly because the DNA repair inhibition can prevent the survival of cancer cells after DNA damage. Poly(ADP-ribose)polymerase-1 (PARP-1) is a key effector of DNA repair that plays an important role in the repair of both single-strand and double-strand breaks via different DNA-repair pathways. The PARP-1 inhibitors that have been discovered to date are associated with a lack of target selectivity and the emergence of resistance. Thus, there is a constant demand for new, selective and safer PARP-1 inhibitors that act as anti-cancer agents. In the present work, the discovery of new and selective PARP-1 inhibitors was pursued. A dynamic receptor-based pharmacophore strategy was first applied, based on the molecular interaction fields calculated on the PARP-1 catalytic domain, which was previously subjected to molecular dynamics simulations. After a pharmacophore-based virtual screening against several compound databases, in which the hits that better matched the pharmacophore hypotheses were selected for molecular docking, the top-scoring compounds from the docking calculations were submitted to in vitro evaluation, to determine their ability to inhibit PARP-1. As the first approach failed to identify interesting PARP-1 inhibitor candidates, a new strategy was applied. Taking as starting point the analysis of the interactions established between different inhibitors and the PARP-1 catalytic domain after molecular dynamics, various dynamic structure-based pharmacophore models were generated and screened against two virtual compound libraries. The drug-like hits retrieved were subjected to molecular docking into the PARP-1 catalytic domain and the top-ranking molecules obtained were submitted to in vitro evaluation against PARP-1. Three novel PARP-1 inhibitor scaffolds with interesting activity, i.e., NSC131753, NSC86342 and NSC121848, were identified. Importantly, two cholic acid (CA) derivatives that were designed and evaluated as PARP-1 inhibitors, but without relevant PARP-1 inhibitory activity, were used as the starting point in the design of a bile acid (BA) derivative library, which was further subjected to docking calculations. Two chenodeoxycholic derivatives, 5.10 and 5.13, obtained from that library exhibited a promising binding affinity for the ligand-binding domain of farnesoid X receptor (FXR). Taken together, these results provided the identification of novel and promising PARP-1 inhibitor scaffolds through an integrated medicinal chemistry strategy that combined a structure-based drug approach, which was based on the dynamics features of active site–ligand interactions, to generate pharmacophore models. This was followed by in vitro studies to evaluate the PARP-1 inhibitory activity of the compounds. Furthermore, new potential FXR agonists were identified using a virtual screening strategy by redirecting the target of two CA derivatives that were initially designed and evaluated as PARP-1 inhibitors. New directions for the investigation of unexplored scaffolds as PARP-1 inhibitors and for the development of novel steroidal FXR agonists were opened through the work developed in this thesis.

O cancro é uma das principais causas de morte em todo o mundo, tendo um grande impacto socio-económico. Apesar de todos os avanços no diagnóstico e na terapêutica, os resultados continuam a revelar-se insuficientes, devido, em grande parte, ao desenvolvimento de resistência aos fármacos utilizados, à diversidade tumoral e à toxicidade dos agentes anti-cancerígenos. Todos estes fatores podem contribuir, em última instância, para o aparecimento de recidivas e/ou provocar a morte. Os mecanismos de reparação do DNA têm vindo a emergir como uma estratégia promissora para combater o cancro, uma vez que a inibição da reparação do DNA pode comprometer a sobrevivência das células tumorais e, consequentemente, travar a sua proliferação. Deste modo, a enzima poly(ADP-ribose)polymerase-1 (PARP-1) representa um potencial alvo terapêutico, dado o seu papel chave na reparação do DNA. Os inibidores da PARP-1 desenvolvidos até agora não apresentaram a seletividade desejada e encontram-se associados a fenómenos de resistência. Assim sendo, a procura de inibidores mais seletivos e mais seguros da PARP-1 que atuem como anti-cancerígenos tem adquirido especial relevo, sendo este o objectivo deste trabalho. Inicialmente, foi utilizada uma estratégia baseada na criação de modelos dinâmicos de farmacóforos baseados na estrutura do recetor, nomeadamente nos campos de interação molecular no domínio catalítico da PARP-1, que havia sido previamente sujeito a simulações de dinâmica molecular. Após o screening virtual de várias bases de dados, utilizando os modelos farmacofóricos criados, os hits que apresentaram uma melhor correspondência com os estes modelos foram selecionados para docking molecular. Os compostos com melhores resultados nos cálculos de docking foram sujeitos a estudos in vitro, de modo a avaliar a capacidade destes em inibir a PARP-1. Contudo, devido à incapacidade de identificar candidatos promissores seguindo a metodologia supracitada, uma nova estratégia foi aplicada com vista a obtenção de moléculas mais eficazes na inibição da PARP-1. Tendo como ponto de partida a análise das interações estabelecidas entre diferentes inibidores e o domínio catalítico da PARP-1 após dinâmica molecular, diferentes modelos farmacofóricos foram gerados e utilizados no screening de duas bibliotecas de compostos virtuais. Os drug-like hits obtidos foram dockados no domínio catalítico da PARP-1 e as moléculas mais promissoras foram testadas in vitro para avaliar a sua capacidade em inibir a PARP-1. Como resultado da nova estratégia empregue três novos scaffolds de inibidores da PARP-1 com uma importante atividade foram identificados: NSC131753, NSC86342, e NSC121848. Importa salientar que dois derivados do ácido cólico, desenhados e avaliados como inibidores da PARP-1 mas que não demonstraram uma relevante inibição da mesma, foram usados como ponto de partida para o desenho de uma biblioteca de derivados de ácidos biliares, que foram posteriormente sujeitos a cálculos de docking para avaliar a sua interação com o farnesoid X receptor (FXR). Dois derivados do ácido quenodesoxicólico, 5.10 e 5.13 demonstraram uma promissora afinidade com o domínio de ligação do FXR. Resumindo, estes resultados permitiram a identificação de novos e promissores scaffolds de inibidores da PARP-1 através de uma estratégia de química medicinal integrada, que combinou uma abordagem baseada na estrutura do recetor, que teve em conta as características dinâmicas das interações de diferentes ligandos com o local ativo da PARP-1 para gerar modelos farmacofóricos, com estudos in vitro, para testar a inibição da atividade da PARP-1. Além disso, novos potenciais agonistas do FXR foram identificados, através de screening virtual, partindo de dois derivados do ácido cólico que haviam sido inicialmente desenhados e avaliados como inibidores da PARP-1 e que foram posteriormente usados como base para o desenho de uma biblioteca virtual de derivados dos ácidos biliares usados no screening. Em termos gerais, esta tese contribuiu para a identificação de novos scaffolds para o desenvolvimento de inibidores da PARP-1 e para o desenvolvimento de novas moléculas esteróides como agonistas do recetor FXR.