Molecular modeling of phosphodiesterase 4 and 7 inhibitors.

Choroby autoimmunologiczne są aktualnym i ważnym tematem poszukiwań leków ograniczających procesy zapalne. Jedną z ostatnio odkrytych możliwości takiego działania, wyrażonego zahamowaniem produkcji czynnika martwiczego nowotworu (TNF-α), jest zwiększenie stężenia cAMP w strukturach organizmu objętych stanem zapalnym, co można uczynić hamując aktywność enzymów go rozkładających - fosfodiesteraz 4 i 7. Nowa seria związków pochodnych 1,3–dimetylo-3,7-dihydropuryno-2,6-dionu, zsyntetyzowana w Zakładzie Chemii Leków UJ CM, wykazująca powyższe działanie jest przedmiotem badań zamieszczonych w niniejszej pracy magisterskiej. Tematem rozprawy jest określenie sposobu wiązania związków o dualnej aktywności w miejscach aktywnych poszczególnych fosfodiesteraz, analiza ich podstawowych właściwości fizykochemicznych i parametrów ADME. Dodatkowym celem jest wytypowanie nowych chemotypów kandydatów na dualne inhibitory PDE4/PDE7. Prace wykonywane są za pomocą technik obliczeniowych obejmujących modelowanie molekularne struktur enzymów, modelowanie farmakoforowe dualnych ligandów oraz wirtualny skrining.Ustalono, iż najważniejszymi elementami analizowanych struktur są: szkielet - metyloksantyny i podstawnik w pozycji 7, dzięki którym wiążą się w centrach enzymatycznych PDE4 i PDE7, wykazując charakterystyczne oddziaływania z odpowiednimi łańcuchami bocznymi aminokwasów, głównie Gln443/413, Phe446/416 oraz Phe414/384. Modele enzymów, użyte do badań, zostały przygotowane w oparciu o struktury krystaliczne celów biologicznych, przy pomocy skryptu Induced Fit Docking. Badane ligandy w większości spełniają wymogi dla dostępności biologicznej, jednakże wymagają optymalizacji w zakresie rozpuszczalności i stabilności metabolicznej. W wirtualnym skriningu bazy związków chemicznych wyselekcjonowano 4 nowe chemotypy potencjalnych dualnych inhibitorów, z których najlepiej rokującym jest pochodna aryloaminopirymidynowa kwasu octowego.Otrzymane wyniki poszerzyły wiedzę na temat budowy miejsca katalitycznego fosfodiesteraz typu 4 i 7 oraz struktury inhibitorów o dualnej aktywności, jak również nakreśliły możliwe kierunki ich dalszych modyfikacji.

The research on drugs used in autoimmune disease’s treatment is an important worldwide topic. The recently discovered possibility for reducing inflammation expressed as decrease of TNF-α level is an increase of cAMP levels in inflammatory organisms. That can be achieved by inhibition of phosphodiesterase 4 and 7.The new series of 1,3-dimethyl-3,7-dihydropurin-2,6-dione derivatives synthesized in the Department of Medicinal Chemistry UJ CM exhibited the aforementioned activity and is the subject of presented in this master thesis research. The aim of these studies is to determine their binding mode in the phosphodiesterase active sites and analyze their basic physicochemical and ADME properties. The contributory target is to identify new chemotypes for dual PDE4/PDE7 inhibitors. The research is performed using computational techniques including - enzyme structures molecular modeling, dual ligands pharmacophore modeling and virtual screening.It was established that the most important fragments of the analyzed structures were: the methylxanthine scaffold and the position 7 substituent, which create interactions with amino acids Asn443/413, Phe446/416 and Phe414/384. The structural models were prepared based on the crystal structure of biological targets using Induced Fit Docking script. The tested ligands fulfil the basic requirements for bioavailability but require further optimization in terms of solubility and metabolic stability. In the virtual screening task 4 new potential dual inhibitors were selected - the best is arylaminepyrimidine acetic acid derivative.The obtained results have broadened knowledge about the structure of phosphodiesterase 4 and 7 catalytic sites and dual activity inhibitors as well as outlined possible directions for further modifications.