Riassunto analitico
L’anello tiofenico e gli analoghi cicli condensati, sono strutture molto ricorrenti in molecole biologicamente attive sia di origine naturale che di sintesi. L’applicazione nel campo del fragment based drug design ne ha fatto un gruppo particolarmente interessante per la ricerca di nuovi composti attivi. Diversi farmaci in uso clinico come antimicrobici presentano l’anello tiofenico nella loro struttura. Durante il mio Dottorato di Ricerca, mi sono occupato principalmente della chimica del tiofene applicata alla sintesi di potenziali candidati farmaci. Nello specifico sono stato coinvolto in due principali temi di chimica farmaceutica, la ricerca di farmaci beta-lattamici e quella di composti ad attività antimicobatterica. Io ho sviluppato i due seguenti progetti: a) Design, sintesi e valutazione biologica di inibitori di beta-lattamasi b) Design, sintesi e valutazione biologica di inibitori della Mycobacterium Tubercolosis ThyX come agenti ad attività antimicobatterica a) Il fenomeno della resistenza al trattamento con antibiotici beta-lattamici da parte dei batteri Gram negativi è uno dei maggiori problemi di salute pubblica. Per questi microrganismi, il principale meccanismo di resistenza agli antibiotici è mediato dalle beta-lattamasi, che agiscono idrolizzando l’anello beta-lattamico inattivando questi farmaci. Di particolare rilevenza clinica sono le isoforme CTX-M-, KPC-, AmpC-, OXA- e le metallo-beta-lattamasi che stanno emergendo negli ultimi anni come endemiche in diverse parti del mondo. I classici inibitori in commercio come acido clavulanico o sulbactam sono inefficaci contro queste isoforme di beta-lattamasi, mentre la ceftazidime e i carbapenemi sono riconosciuti e idrolizzati. Durante il mio Dottorato di Ricerca ho sviluppato derivati sintetici dell’acido benzo[b]tiofen-2-il-boronico (BzBTh-2B), inibitore di AmpC-beta-lattamasi (Ki pari a 27 nM), con lo scopo di migliorarne la permeazione attraverso la membrana esterna dei batteri Gram negativi. Ho, inoltre, modificato la struttura del benzo[b]tiofene, introducendo una catena alchilica in posizione 3 e sulla base di questo scaffold ho ottenuto una serie di derivati con un ampio spettro di azione nei confronti di queste isoforme di beta-lattamasi. L’attività biologica dei composti è stata valutata e sono stati individuati promettenti inibitori di beta-lattamasi a livello cellulare. b) Il Mycobacterium Tuberocolosis è l’agente patogeno responsabile della tubercolosi. Negli ultimi anni è stata identificata la proteina ThyX, che ha aperto nuovi orizzonti per il drug discovery di nuovi farmaci per la cura delle infezioni mediate da questo micobatterio. La ThyX è una timidilato sintasi flavin-dipendente (FDTS) che catalizza la metilazione riduttiva della 5’-deossiuridina-monofosfato (dUMP), in 5’-deossi-timidina-monofosfato (dTMP), necessaria per la sintesi e i processi riparativi del DNA. Pertanto, questo enzima è essenziale per la sopravvivenza del microrganismo. Il numero esiguo di inibitori noti per questa proteina ha motivato il mio interesse a lavorare su questo enzima. Nello specifico, ho sintetizzato una piccola libreria di composti contenenti il nucleo dell’acido piroglutammico, come potenziali agenti antimicobatterici. Lo studio preliminare dell'attività biologica dei composti è stato effettuato. I risultati mostrano che i composti sono poco attivi e devono essere ulteriormente migliorati.
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Abstract
The thiophene ring and the related fused cycles are the common core present in synthetic and natural biologically active molecules. The application in the field of fragment based drug design has made it an interesting moiety in the field of research directed towards the discovery of new lead compounds. Many drugs in clinical use as antimicrobial drugs contain the thiophene core.
During my PhD, my interest was focused on the chemistry of thiophene applied in the synthesis of pharmaceutical candidates. In particular I was involved in two main medicinal chemistry area related to the discovery of the beta-lactam antimicrobial drugs and antimycobacterial agents.
I have developed the following concepts:
a) Design, synthesis and biological evaluation of beta-lactamases inhibitors
b) Design, synthesis and biological evaluation of ThyX inhibitors as antimycobacterial agents.
a) The phenomenon of resistance to the treatment with beta-lactam antibiotics for Gram negative bacteria is a major threat to public health. For these microorganisms, the main mechanism of resistance is mediated by beta-lactamases, which act by hydrolyzing the beta-lactam ring and thereby, consequently, inactivating these drugs. Of particular clinical relevance are the isoforms CTX-M-, KPC-, AmpC-, OXA- and metallo-beta-lactamases that are emerging in the last few years, as endemic in several part of the world. The classical beta-lactam-based inhibitors drug marketed, such as clavulanic acid or sulbactam are ineffective against these isoforms of beta-lactamases, and “beta-lactamase stable” beta-lactams, such as ceftazidime and carbapenems are recognized as substrates and hydrolysed. During my PhD, I have developed synthetic derivatives of benzo[b]thien-2-ylboronic acid, a 27 nM inhibitor of AmpC-beta-lactamase, in order to improve the permeation through the outer membrane of Gram negative bacteria. I have also modified the benzo[b]thiophene structure by introducing originally an alkyl chain in position 3, to achieve a series of compounds with broad spectrum of action against these emerging beta-lactamases. The biological activity of these compounds has been studied and effective promising inhibitors with broad spectrum activity against beta-lactamases have been obtained at the cellular level.
b) Tuberculosis is an infectious disease caused by Mycobacterium tuberculosis. In the last few years ThyX protein was identified, which opened new horizons in the field of drug discovery against the bacteria. It is a Flavin-dependent thymidylate synthase (FDTS) which is held responsible for the catalytic role in the reductive methylation of deoxyuridine 5’-monophosphate (dUMP) to deoxythymidine 5’-monophosphate (dTMP), essential for DNA repair and synthesis. Therefore, this enzyme is important for the survival of microorganism. Till date, the availability of few known inhibitors for this protein has motivated my interest to work against this enzyme. I have synthesized a small library of compounds containing pyroglutamic acid core, as potential antimycobacterial agents. The preliminary study of biological activity of the compounds has been made. The results show that the compounds are poorly active against the ThyX enzyme and need further improvements.
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