In silico drug design studies of bioactive cannabinoid and [60]fullerene derivatives

Abstract

The relationship between conformations of bioactive molecules with their pharmacological profiles has been well established. Only the unique biologically active conformation of a drug molecule can bind to the active site of the receptor. In this thesis, conformational analysis of bioactive compounds at various environments will be discussed. Two categories of molecules were investigated; cannabinoid (CB) analogues and [60]fullerene derivatives. The major structural characteristics of these molecules are: (i) amphiphilicity and (ii) existence of flexible and rigid pharmacophoric segments. Their flexible segments constitute a challenging field for conformational analysis exploring of putative bioactive conformations. In case of CBs, a set of novel Δ8-tetrahydrocannabinol (Δ8-THC) and cannabidiol (CBD) analogues were subjected to three-dimensional quantitative structure-activity relationships (3D-QSAR) studies using comparative molecular field analysis (CoMFA), and comparative molecular similarity indices analysis (CoMSIA) methodologies. The high active compound C-1'-dithiolane Δ8-THC analogue AMG3 at the data base was selected as template molecule. Using molecular modeling techniques such as Monte Carlo (MC), molecular dynamics (MD) and grid scan analysis, the putative bioactive conformation of AMG3 in solution was determined. This conformer was used as a template, and CB1 and CB2 pharmacophore models were developed. The availability of homology models of CB1 and CB2 receptors based on rhodopsin has allowed the conformational analysis studies of AMG3 at the binding site of the receptor. Derived low energy conformers of AMG3 at the receptor site have been compared with its in solution conformations. The steroelectronic properties of binding cavities of a receptor model are directly related to the performed molecular model coordinates. In the presented thesis, a homology modeling study based on β2-adrenergic receptor for both CB1 and CB2 receptors was also performed and results were compared with rhodopsin based homology models. Similar binding sites of CB1 and CB2 receptors using rhodopsin based models have been generated using the β2-adrenergic based receptors. The QSAR models were re- generated using putative bioactive conformers of AMG3 at the binding site of the CB1 and CB2 receptors. Relative contributions of steric/electrostatic fields of the 3D QSAR/CoMFA and CoMSIA pharmacophore models have shown that steric effects govern the bioactivity of the compounds, but electrostatic interactions also play an important role. The comparison of derived QSAR models has shown that increasing the complexity level of calculations (mimicking more accurately the biological conditions) was positively affected the obtained statistical result. The optimal QSAR partial least square (PLS) analysis was used as an input in the de novo drug design studies and these simulations provided novel CB analogues with enhanced predicted binding affinities. In case of fullerene derivatives, a series of experimentally reported as well as computationally designed monoadducts and bisadducts of [60]fullerene analogues have been used in order to analyze the binding interactions between fullerene based inhibitors and human immunodeficiency virus type I aspartic protease (HIV-1 PR), employing docking studies. MD simulations of ligand-free and the inhibitor-bound HIV-1 PR systems complemented the above studies and provided proper input structure of HIV-1 PR in docking simulations. The obtained results revealed a different orientation of the β-hairpin flaps at these two systems. In inhibitor bound system, the flaps of the enzyme are pulled in toward the bottom of the active site (the closed form) while, in ligand-free system flaps shifted away from the dual Asp25 catalytic site and this system adopts a semi-open form. The structural analysis of these systems at catalytic and flexible flap regions of the HIV-1 PR through the simulations, assisted in understanding the structural preferences of these regions, as well as, the adopted orientations of fullerene derivatives within the active site of the enzyme. The reported most active fullerene analogue in the data base has been used as template and 3D QSAR models were derived. Based on obtained contour plots and derived PLS analysis, de novo drug design studies were performed in order to propose novel analogues with enhanced binding affinities. Such structures may trigger the interest of medicinal chemists for synthesizing novel HIV-1 PR inhibitors possessing higher bioactivity, considering the urgent need for new anti-HIV drugs.

Der Einfluß der Konformation eines bioaktiven Moleküls auf sein pharmakologischen Profil is seit langem bekannt. Nur die biologisch aktive Konformation eines Wirkstoffmoleküls ist in der Lage, eine Bindung mit der aktiven Stelle eines Rezeptors einzugehen. In dieser Arbeit wird die Konformationsanalyse bioaktiver Verbindungen in verschiedenen Umgebungen diskutiert. Zwei verschiedene Molekül-kategorien wurden untersucht: Cannabinoide (CB) sowie [60]Fullerenderivate. Die bedeutsamem strukturellen Merkmale dieser Moleküle sind zum einen, daß sie amphiphil sind und zum zweiten, daß sie sowohl flexible als auch starre pharmakophorische Segmente besitzen. Insbesondere die flexiblen Teile stellen eine Herausforderung für die Konformationsanalyse möglicher bioaktiver Konformationen dar. Im Falle der CB-Verbindungen wurde eine Serie neuer Derivate von Δ8-tetrahydrocannabinol (Δ8-THC) und Cannabidiol (CBD) durch 3-dimensionale Quantitative Struktur- Aktivitätsbeziehungsstudien (3D QSAR) untersucht, einmal mittels vergleichender Molekularfeld-Analyse (CoMFA), als auch mit Methoden, die auf vergeichenden molekularen Ähnlichkeitsindizes (CoMSIA) basieren. Die hochaktive Verbindung AMG3, (C-1'-dithiolan-Δ8-THC) wurde als Template-Molekül aus dem benutzten Datensatz ausgewählt. Die Bestimmung der potentiel bioaktiven Konformation von AMG3 in Lösung erfolgte durch verschiedene molekulare Modellierungstechniken: Monte Carlo (MC), Molküldynamik (MD) sowie Gitterscananalysen. Das erhaltene Konformer wurde dann als Template weiter benutzt, und CB1 und CB2 Pharmakophor-Modelle wurden entwickelt. Verfügbare Homologiemodelle von CB1 und CB2, die auf Rhodopsin basieren, ermöglichten die Konformationsanalyse von AMG3 an der Bindungsstelle der Rezeptoren. Die erhaltenenen energetisch begünstigten Konformere von AMG3 an der Bindungsstelle wurden mit den entsprechenden Konformationen in Lösung verglichen. Die stereoelektronischen Eigenschaften der Bindungskavitäten eines Rezeptormodells stehen in direktem Zusammenhang mit den benutzten molekularen Koordinaten des Modells. In der vorliegenden Arbeit wurde auch eine auf dem β2-Adrenorezeptor basierende Homologie-Modellstudie für die CB1 und CB2-Rezeptoren durchgeführt, und mit den Ergebnissen des mit dem auf dem Rhodopsin-Rezeptor basierten Homologiemodells verglichen. Ähnliche Bindungsstellen in den CB1 und CB2-Rezeptoren wurden sowohl von den auf Rhodopsin basierten Modellen als auch von auf β2-Adrenorezeptor-basierten Modellen erzeugt. Die 3D QSAR Modelle wurden regeneriert mithilfe von potentiellen Konformeren von AMG3 an den Bindungsstellen der CB1- und CB2-Rezeptoren. Die von den 3D QSAR/CoMFA bzw: CoMSIA Pharmakophormodellen berechneten relativen Beiträge der sterischen und elektrostatischen Felder zeigten, daß die Bioaktivität der Verbindungen hauptsächlich durch sterische Effekte bestimmt wird, obwohl elektrostatische Effekte auch eine Rolle spielen. Ein Vergleich entsprechender QSAR Modelle zeigte, daß die erhaltenen statistischen Resultate positiv beeinflußt wurden, wenn die Komplexität der Rechnungen im Sinne einer realistischeren Modellierung des umgebenden Mediums erhöht wurde. Die optimale QSAR Analyse mit partieller minimierter quadratischer Abweichung (PLS) wurde in Arbeiten zur de novo Wirkstoff- Entwicklung benutzt, und haben zur Entwicklung neuer Verbindungen mit verbesserten vorhergesagten Bindungsaktivitäten geführt. Im Fall der Fullerenderivate wurde eine Serie von experimentell bekannten als auch von theoretisch entwickelten Mono- und Bisaddukten von [60]-Fullerenderivaten ausgewählt und in Bezug auf die Bindungswechselwirkungen zwischen Fullerenbasierten Inhibitoren und Immunodefizienzvirus Typ I Endopeptidase (HIV-1 PR) mithilfe von Dockingsstudien analysiert. MD-Simulationen des freien als auch des Inhibitor-gebundenen HIV-1 PR Systems ergänzten die genannten Studien und lieferten geeignete Startstrukturen für die Dockingssimulationen von HIV-1 PR. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen eine unterschiedliche Orienterung der sogennannten β-Haarnadel Laschen zwischen den beiden Systemem. In der Form mit angebundenem Fullereninhibitor werden die Laschen in Richtung des Bodens des aktiven Bereichs hin gezogen (sogenannte geschlossene Form), während die freie Form von HIV-1 PR eine halboffene Konformation bevorzugt. Die Strukturanalyse der katalytischen Segemente als auch der flexiblen Laschenregionen im Verlauf der Simulation von HIV-1 PR unterstützt das Verständnis sowohl der strukturellen Präferenzen dieser Regionen, als auch der von den Fullerenverbindungen eingenommenen Orientierungen innerhalb der aktiven Kavität des Enzyms. Die Fullerenverbindung aus der Datenbank, die sich als die aktivste erwies, wurde anschließend als Template ausgewählt zur Erstellung von 3D QSAR-Modellen. Die damit erhaltenen Konturoberflächen sowie die Ergebnisse der PLS-Analyse wurden für de novo Wirkstoffentwickungsstudien benutzt, mit dem Ziel, neue Fullerenderivate mit höherem Bindungsaktivitäten vorzuschlagen. Solche Moleküle können für den medizinischen Chemiker zur Synthese neuer HIV-1 PR Inhibitoren mit höhere Bioaktivität von Interesse sein, und damit auf der Suche nach dringend benötigten neuen Anti-HIV Wirkstoffen von Bedeutung sein.