Riassunto analitico
Il riposizionamento dei farmaci è una strategia alternativa allo sviluppo tradizionale dei farmaci, che punta a predire nuovi usi per molecole già esistenti. Il riposizionamento dei farmaci ha molti vantaggi rispetto allo sviluppo tradizionale dei farmaci. Primo, il rischio di fallimento è minore, considerando che la sicurezza della maggior parte delle molecole studiate per il riposizionamento è già stata valutata negli studi clinici. Secondo, il riposizionamento dei farmaci richiede meno tempo, perché i test pre-clinici sono già stati completati. Nel riposizionamento dei farmaci ci sono meno spese perché i dati sulla sicurezza, e in alcuni casi sulla formulazione, sono già disponibili.
Le attività di riposizionamento possono essere progettate anche per molecole sintetiche di rilevanza farmaceutica. È conveniente, perché l’accessibilità sintetica dei composti è spesso uno dei fattori limitanti nello sviluppo tradizionale del farmaco.
Nel mio progetto di tesi ho progettato campagne di riposizionamento per due librerie di composti sintetici, una contenente acidi boronici, e l’altra uno scaffold comune ossindolico. L’obbiettivo di questo progetto era l’identificazione di nuovi target per queste molecole, utilizzando metodi computazionali.
Inizialmente, ho utilizzato approcci ligand-based, che si basano sul principio che molecole simili spesso mostrano un profilo di bioattività simile. Per fare ciò, ho comparato le molecole della libreria studiata a composti noti estratti da database pubblici, come DrugBank (contenente informazioni di alta qualità sui farmaci), PDB (contenente informazioni sulle strutture 3D di proteine e acidi nucleici) e ChEMBL (contenente dati chimici, di attività e genomici di molecole bioattive). In particolare, ho eseguito due analisi differenti che mettono a confronto le strutture 2D, rappresentate da fingerprint (similarità 2D), e sovrappongono i volumi 3D delle molecole (similarità 3D). Ho confrontato i risultati di queste analisi per valutare i target riportati più frequentemente per i composti noti più simili.
Per i composti con l’acido boronico ho trovato alti livelli di similarità con inibitori noti di proteasi virali, e dopo un’accurata ricerca bibliografica ho selezionato la proteasi principale di SARS-CoV-2 (Mpro) come possibile target per queste molecole. Per i composti ossindolici, l’analisi della similarità dei ligandi ha evidenziato una buona similarità con diversi inibitori noti del recettore 2 del fattore di crescita endoteliale vascolare (VEGFR-2) e il recettore Ret della proteina proto-oncogena tirosin-chinasi (RET).
Poi, ho validato i target trovati dagli approcci ligand-based, utilizzando metodi structure-based, come il docking molecolare e la rifinitura post-docking tramite calcoli di MM-GBSA. Questo è stato fatto per valutare se i composti studiati possono rivelare un’adeguata complementarità sterica ed elettrostatica nel sito attivo dei target.
Infine, i composti selezionati dalla libreria di acidi boronici sono stati testati sperimentalmente sulla SARS-CoV-2 Mpro isolata, con un composto che è risultato debolmente attivo.
Il workflow che ho progettato ha permesso di integrare sia gli approcci ligand-based che structure-based per identificare nuovi target, che possono portare a nuove indicazioni terapeutiche per questi composti sintetici.
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Abstract
Drug repurposing is an alternative strategy to traditional drug discovery, that aims to predict new uses for already existing molecules. Drug repurposing has many advantages over traditional drug development. First, the risk of failure is lower, considering that most drugs that are investigated for repurposing have been already assessed for their safety in clinical trials. Second, drug repurposing requires less time because preclinical tests have been already completed. In drug repurposing there are less expenses because data about safety, and in some cases formulation, are available.
Repurposing campaigns can also be designed for synthetic molecules of pharmaceutic relevance. It is convenient, because the synthetic accessibility of the compounds is often one of the limiting factors in the traditional development of the drug.
In my thesis project I designed repurposing campaigns for two libraries of synthetic compounds, one bearing boronic acids, and the other an oxindolic scaffold. The purpose of this project was the identification of new targets for these molecules, using computational methods.
Initially, I used ligand-based approaches, that rely on the principle that similar molecules will often show a similar bioactivity profile. To do so, I compared the molecules in the investigated libraries to known compounds extracted from public databases such as DrugBank (containing high quality information on drugs), PDB (containing information about the 3D shapes of proteins and nucleic acids) and ChEMBL (containing chemical, bioactivity and genomic data of bioactive molecules). In particular, I performed two different analyses that compared 2D structures represented by fingerprints (2D similarity), and overlapped the 3D volumes of molecules (3D similarity). I compared the results of these analyses to evaluate most frequent targets reported for the most similar known compounds.
For the boronic acid compounds I found high levels of similarity with known viral protease inhibitors, and after a thorough bibliographic research I selected SARS-CoV-2 Main protease (Mpro) as a possible target for these molecules. For the oxindole compounds, the analysis of ligand similarity highlighted a good similarity with several known inhibitors of Vascular Endothelial Growth Factor Receptor 2 (VEGFR-2) and Proto-oncogene tyrosine-protein kinase receptor Ret (RET).
Then, I validated the targets found by ligand-based approaches using structured-based methods such as molecular docking and MM-GBSA post-docking refinement. This was done to assess if the investigated compounds could reveal suitable steric and electrostatic complementarity in the active site of the targets.
Finally, selected compounds from the boronic acid library were experimentally tested on isolated SARS-CoV-2 Mpro, with one compound resulting as weakly active.
The workflow I designed allowed to integrate both ligand-based and structure-based approaches and to identify new targets, that can lead to new therapeutic indications for these synthetic compounds.
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