Riassunto analitico
Negli ultimi anni il drug discovery sta spostando il suo focus dalla progettazione di molecole in grado di agire selettivamente su un singolo bersaglio biologico verso composti che modulano simultaneamente un set di target selezionati, in linea con il concetto di polifarmacologia. L’approccio polifarmacologico presenta diversi vantaggi rispetto a quelli basati sull’uso di un farmaco a singolo bersaglio o alla politerapie. Ad esempio, esso permette di ottenere migliori effetti terapeutici attraverso l’inibizione di più pathways cellulari con una singola molecola, evitando eventuali effetti avversi dovuti ad interazioni off-targets. Inoltre, l’utilizzo di un singolo farmaco multi-target può sensibilmente ridurre, o evitare, le interazioni farmaco-farmaco che spesso emergono nelle politerapie. La polifarmacologia è un approccio utile, ad esempio, per l’identificazione di nuove opportunità terapeutiche contro patologie complesse come il cancro, in cui spesso è deregolata un’estesa rete di proteine. In tale contesto, il recente incremento di dati di interesse farmaceutico e lo sviluppo delle tecniche computazionali possono facilitare la progettazione di molecole più sicure e potenti in tempi ridotti. HDAC6 è un membro della classe IIb delle istone deacetilasi coinvolta nella regolazione di diversi processi biologici, come la migrazione e la proliferazione cellulare, attraverso delle modifiche post-traduzionali su diverse proteine citoplasmatiche. Uno dei più importanti mediatori di questa proteina è Hsp90. Hsp90 è un chaperone molecolare che ha un ruolo centrale in diversi processi biologici, come la segnalazione, il protein trafficking, l’omeostasi, e in particolare il ripiegamento, maturazione, stabilizzazione e degradazione delle proteine in condizioni di stress, inclusa HDAC6. Hsp90 esercita le sue funzioni biologiche interagendo con diverse centinaia di proteine dette clienti, alcune delle quali sono spesso deregolate nel cancro. Dato il loro ruolo nella regolazione di diversi processi biologici, Hsp90 e HDAC6 sono state ampiamente studiate per lo sviluppo di farmaci antitumorali, sebbene principalmente in maniera indipendente. Hsp90 e HDAC6 sono proteine citoplasmatiche, la cui attività è regolata reciprocamente in molti processi cellulari. Soprattutto, recenti studi hanno dimostrato che l’inibizione simultanea di Hsp90 e HDAC6 potrebbe fornire effetti sinergici contro diversi tipi di tumori, tra cui il cancro alla prostata. Sulla base di queste premesse Hsp90 e HDAC6 rappresentano dei candidati ideali per la progettazione di inibitori duali. La mia tesi è parte di un progetto di ricerca più ampio che mira a sviluppare inibitori duali di queste due proteine. A tale scopo, inizialmente ho svolto una serie di analisi computazionali su molecole note di Hsp90 e HDAC6 al fine di trovare scaffold comuni. Nello specifico, ho eseguito delle analisi di similarità attraverso fingerprints molecolari e di ricerca della massima comune sottostruttura. Inoltre, ho effettuato delle analisi di cross-docking per valutare se i composti con attività su Hsp90 potevano presentare una buona complementarietà con il sito di legame di HDAC6, e vice-versa. Le analisi svolte hanno permesso di individuare, tra le molecole attive riportate per i due target, alcuni scaffolds comuni potenzialmente adatti alla progettazione di inibitori duali di Hsp90 e HDAC6. Tali scaffolds sono stati quindi utilizzati per generare una libreria virtuale di composti potenzialmente in grado di modulare l’attività di Hsp90 e HDAC6. Infine, con l’obiettivo di individuare nuovi inibitori duali di Hsp90 e HDAC6, i composti della libreria virtuale sono stati sottoposti a studi di docking in conformazioni rappresentative dei due target.
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Abstract
In recent years, drug discovery has shifted its focus from the design of molecules selectively modulating a single protein to compounds that act simultaneously on a selected set of targets, in line with the polypharmacology concept. Polypharmacology presents several advantages with respect to other approaches as single-target and combination therapies. For example, it helps to achieve improved therapeutic effects through the simultaneous modulation of multiple cellular pathways, while avoiding potential adverse reactions that could result from off-targets interactions. Moreover, the development of a single drug with multi-target activity can also help to sensibly reduce, or avoid, unexpected drug-drug interactions potentially arising in combination therapies. Polypharmacology approaches could provide novel valuable therapeutic opportunities in particular for the treatment of complex diseases as cancer, in which a large network of proteins is often deregulated. In this context, the recent increase of medicinal chemistry data and improvements on in silico approaches are playing a crucial role, facilitating the design of safer and more potent molecules at reduce timetables. HDAC6 is a member of class IIb histone deacetylase participating to the regulation of multiple biological processes in cell as migration, proliferation and apoptosis, through post-translational modification of several cytoplasmic proteins. One among the most important interactors of this protein is Hsp90. Hsp90 is a molecular chaperone that plays a key role in several biological processes, including signaling, protein trafficking, cellular homeostasis, and in particular folding, maturation, stabilization and degradation of protein under stress conditions, including also HDAC6. Indeed, Hsp90 exerts its biological functions by interacting with several hundred proteins called “clients”, some of them being oncoproteins, which are often deregulated in cancer cells. Given their role in the regulation of several biological processes, Hsp90 and HDAC6 have gained increased interest for the development of potent anticancer drugs, albeit research efforts on targeting these proteins have been pursued mainly independently so far. Of note, Hsp90 and HDAC6 are both cytoplasmic proteins, whose activity is mutually regulated in many cellular processes. Remarkably, recent studies have shown that the simultaneous inhibition of Hsp90 and HDAC6 could provide synergistic effects against several types of tumors, such as prostate cancer. Based on these premises, Hsp90 and HDAC6 represent ideal candidates for the design of dual inhibitors. My internship thesis is framed into a larger project that aims at the development of dual inhibitors of the HDAC6 and Hsp90 proteins. To this aim, I firstly performed extensive chemoinformatics and molecular modelling analysis on reported Hsp90 and HDAC6 ligands, in the search of common scaffolds. In particular, I performed similarity estimations between molecules with known activity on Hsp90 and HDAC6 by means of different molecular fingerprints, and maximum common substructure analyses. Moreover, I also performed cross-docking calculations to evaluate whether potent compounds with known activity on Hsp90 could present good complementary with the HDAC6 binding site, and vice-versa. The performed analyses allowed us to identify a series of scaffolds in common between active ligands of the two targets, thus potentially useful for the design of HDAC6/Hsp90 dual inhibitors. The obtained scaffolds were then employed to generate a virtual library of candidate compounds with a structure potentially able to interact with both Hsp90 and HDAC6 binding sites. Finally docking calculations on selected conformations of the two targets were performed in the search of novel Hsp90/HDAC6 dual inhibitor candidates.
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