SYNTHESIS, INSILICO DOCKING AND ADMET STUDIES OF ARYL ACETIC ACID DERIVATIVES AS PROSTAGLANDIN ENDOPEROXIDE H SYNTHASE-2 INHIBITORS

Objectives: To study the inhibition of prostaglandin endoperoxide H synthase-2 (PHSH-2) for arylacetic acid derivatives. Methods: This study was performed to evaluate the anti-inflammatory activity of the synthesized arylacetic acid erivatives through molecular docking via Discovery Studio 4.0 and Schrodinger Software. ADMET study was conducted to find the assessment on genotoxicology.Results: The synthesized arylacetic acid derivatives were confirmed by nuclear magnetic resonance, liquid chromatography-mass spectrometry, and purity by high-performance liquid chromatography. The synthetic pathway is economical, industrial scalability and is achieved with high yield and purity. The in silico studies identified the active pocket and compared with the standard drug.Conclusion: Results from this work conclude that the arylacetic acid derivatives have very good inhibition and very low binding energy toward the active pocket, hence can be considered as good inhibitors of PHSH-2 on comparison with iodosuprofen. The compounds qualified Lipinski rule of five and the ADMET results were non-mutagenic and non-carcinogenic.Keywords: Arylacetic acid, 1 phenyl glycidyl ether protein, ADMET, In silico docking, Anti-inflammatory

Molecular Basis of Binding Interactions of NSAIDs and Computer-Aided Drug Design Approaches in the Pursuit of the Development of Cyclooxygenase-2 (COX-2) Selective Inhibitors

The nonsteroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) are important class of therapeutic agents used for the treatment of pain, inflammation and fever. Nonselective inhibition of cyclooxygenase (COX-1 and COX-2) isoenzymes by classical NSAIDs is associated with undesirable side effects such as gastrointestinal (GI) and renal toxicities due to COX-1 inhibition. To circumvent this problem, several COX-2 selective inhibitors were developed with superior GI safety profile. However, the voluntary market withdrawal of potent COX-2 selective inhibitors (rofecoxib and valdecoxib) due to their severe cardiovascular toxicity which is also found to be associated with some of the traditional NSAIDs suggesting the need to relook into the entire class of NSAIDs rather than exclusively victimizing the COX-2 selective inhibitors. Furthermore, the recent evidences for the involvement of COX-2 selective inhibitors in the aetiology of many diseases, such as Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease, diabetes, various cancers and so on, have gained much attention for researchers to design and develop novel COX-2 selective inhibitors with improved pharmacodynamics and pharmacokinetic profile. This chapter is focused on the detailed analysis of molecular basis of binding interactions of various NSAIDs by highlighting the role of crucial amino acid residues at the binding site of cyclooxygenase enzymes (COXs) to be considered for selective inhibition of COX-2 enzyme while emphasising the impact of significant CADD strategies employed for designing new potent COX-2 inhibitors with tuned selectivity

Kristallstrukturanalyse und Entwicklung von Computermodellen zur Beschreibung der Selektivität von Enzymen am Beispiel der Carboanhydrase

Ein Ziel der modernen Wirkstoffforschung ist die Entwicklung von Arzneistoffen, die selektiv mit einem Zielprotein wechselwirken. Dadurch sollen Nebenwirkungen in einem frühen Stadium der Entwicklung minimiert, wenn möglich sogar ausgeschlossen werden. Bei der strukturbasierten Entwicklung von Wirkstoffen wurden im Falle der Carboanhydrase (CA) die physikochemischen Eigenschaften von CA-Inhibitoren mit den biologischen Affinitäten an drei Isoenzymen (CA I, CA II, CA IV) korreliert. Mit den daraus erhaltenen 3D-QSAR-Modellen können diejenigen physikochemischen und strukturellen Eigenschaften der Verbindungen bestimmt werden, die die biologische Aktivität im Hinblick auf ein Isoenzym beeinflussen. Mit zwei verschiedenen Ansätzen wurden selektive 3D-QSAR-Modelle erhalten, mit deren Hilfe anhand von Konturdiagrammen Bereiche ermittelt werden können, die für eine bestimmte physikochemische Eigenschaft (sterische, elektrostatische, hydrophobe, Akzeptor, Donor) die Selektivität hinsichtlich eines Isoenzyms erhöhen oder erniedrigen. Aus dieser reinen Liganden-basierten Analyse konnten dennoch Rückschlüsse auf die Gegebenheiten in der umgebenden Bindetasche gezogen werden. Aber nicht nur die Auswertung von Ligandeninformationen kann wichtige Hinweise für die Entwicklung selektiver CA-Inhibitoren liefern. Die Auswertungen von Kristallstrukturen der CA bestätigten diese aus reiner Ligandeninformation erhaltenen Selektivitätsmodelle und lieferten zusätzliche Informationen für die Entwicklung selektiver Verbindungen. Ferner konnte anhand eines Homologiemodells der C AIX gezeigt werden, dass die Modellierung von Enzymen, deren Kristallstrukturaufklärung sich als schwierig erweist, durchaus nützliche Hinweise für den strukturbasierten Entwurf bzw. die Optimierung von Liganden liefern kann. Um potentielle neue (selektive) Leitstrukturen zu finden, können neben dem experimentellen Hochdurchsatz-Screening virtuell am Computer Datenbanken mit gespeicherten Molekülbibliotheken durchmustert werden. Die korrekte Vorhersage des Bindungsmodus und die korrekte Abschätzung der Bindungsaffinität der platzierten Moleküle ist entscheidend für die erfolgreiche Identifizierung von neuen Leitstrukturen. Es konnte erfolgreich gezeigt werden, dass für CA-Inhibitoren mit einem rigiden Ringgerüst und mit bekannter Kristallstruktur der Bindungsmodus korrekt vorhergesagt werden konnte. In den Fällen, in denen die Bewertungsfunktionen der Dockingprogramme in der Affiniätsvorhersage der Verbindungen fehlschlagen, konnte durch die Kombination mit den zuvor erhaltenen 3D-QSAR-Modellen die Affinität dieser gedockten Verbindungen richtig abgeschätzt werden. Darüber hinaus wurde in Datenbanken und in der Literatur nach potentiellen neuen CA-Inhibitoren gesucht und ihre Bindung ließ sich biochemisch in einem Assay bestätigen. Eine Platzierung in der Bindetasche von CA II ermöglicht die korrekte Abschätzung der Affinität. Bei der Optimierung von Leitstrukturen/Wirkstoffen ist es sehr schwierig Wechselwirkungen mit Proteinen vorherzusagen beziehungsweise abzuschätzen, die sich in ihrer Sequenz und Funktion stark von dem Ausgangsprotein unterscheiden. Es konnte gezeigt werden, dass Cyclooxygenase (COX)-2-selektiven Verbindungen (Valdecoxib, Celecoxib) ebenfalls CA hemmen. Obwohl beide Enzyme ? COX und CA - unterschiedliche biologische Funktionen besitzen, weisen beide Enzyme lokale Bereiche im aktiven Zentrum mit ähnlichen physikochemischen Eigenschaften auf, so dass die Bindung von Celecoxib und Valdecoxib an beiden Enzymen ermöglicht wird. Diese Kreuzreaktivität von Celecoxib und Valdecoxib wurden durch kinetische Daten und mit der Kristallstruktur von Celecoxib im Komplex mit CA II belegt

Computer-aided design of selective COX2 inhibitors: molecular docking of structurally diverse cyclooxygenase-2 inhibitors using FlexX

Motivation: Three-dimensional structures of pharmacologically important macromolecules offer a route to the discovery of new drugs. Understanding the macromolecule-ligand interactions and validation of method used for docking and virtual screening of chemical databases is crucial step in structure-based design. We therefore carried out molecular docking for a set of eighty two structurally diverse COX-1/COX-2 inhibitors including traditional NSAIDs and the recent developed coxibs using FlexX method to find out how good this method differentiate between the active and inactive compounds. Method: FlexX is one of the fast flexible docking method that uses an incremental construction algorithm to place ligands into an active site. The scoring function (empirical binding free energy) of the flexX used to estimate the free binding energy of the protein-ligand complex is called F_score. Results: Reproducibility of the experimental conformations of the bound ligands such as SC-558, indomethacin, flurbiprofen indicates the better performance of FlexX method. Good correlation between the standard FlexX score (F_score) and the COX-2 inhibitory activity (pIC50) was observed. Simple linear regression analysis provided the correlation coefficient values of 0.731 and 0.670 for two classes of COX-2 inhibitors. Conclusions: Flexible docking of eighty two structurally diverse COX-2 inhibitors have been successfully carried out. Some false positives and false negatives were observed but considering the limitations of the available docking programs, the results are encouraging. The detailed analysis of the resulted COX-2-ligand complexes may improve our knowledge in understanding the binding interactions in detail. Thus, this study will be useful for the design of novel COX-2 inhibitors based on docking and the resulted bioactive conformations of the ligands will be useful in building structure-based 3-D QSAR model

Biophysical insights into dietary antioxidants as cyclooxygenase modulators

Non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) are among the most widely used therapeutic agents around the world, commonly used to reduce pain. These work by targeting cyclooxygenase (COX) enzymes, which are responsible for the production of inflammatory mediators. There are adverse effects with the use of NSAIDs, including gastrointestinal bleeding, renal disease, and cardiovascular effects. Hence, there has been a rise in the development of alternatives to traditional NSAIDs. Olive oil is a main component of the Mediterranean diet, and is reputable as part of a healthy lifestyle. Phenolic compounds derived from Olea europaea contribute to the antioxidant, anti-microbial, and anti-inflammatory properties of extra virgin olive oil. However, specific mechanisms of action are not yet clear. A previous study found that oleocanthal (OLEO), a phenolic compound derived from the olive, had similar effects to ibuprofen, a commonly used NSAID. There are a multitude of additional compounds in the olive that have yet to be investigated. In this project, it was sought to identify potential olive derived compounds with the ability to inhibit COX enzymes to be used in anti-inflammatory therapeutics. The mechanisms of COX inhibition were also studied using in silico approaches. Following a literature review on COX proteins and olive compounds in Chapter 1, a description of computational theory surrounding the in silico methods employed in this thesis are presented in Chapter 2. In Chapter 3, a comprehensive literature search was performed to create a library of olive compounds, focussing on the class of phenolics for the purpose of this project. The structure of human COX-1 was constructed using homology modelling methods in Chapter 4, followed by virtual screening of the olive phenolic library using molecular docking to determine the COX inhibitory potential of all identified ligands. From the docking study, it was determined that 1-oleyltyrosol (1OL) and ligstroside derivative 2 (LG2) demonstrated the greatest binding affinity to both COX-1 and COX-2. Further screening of the compound library was performed by analysing their biological availability in Chapter 5. From examination of absorption, distribution, metabolism, excretion, and toxicity (ADMET) properties of the library, a novel phenolic compound—methyl malate-β-hydoxytyrosol ester (MMHTE)—was found to both fulfil ADMET criteria and demonstrate strong binding to COX-1 and COX-2. These phenolic compounds were selected for further analysis using molecular dynamics simulations. To complement the ADMET data, a preliminary study on membrane permeability was performed. This was conducted using steered MD simulations of these compounds through a 1,2-dioleyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC) lipid bilayer, followed by umbrella sampling simulations of OLEO and MMHTE to estimate the free energy of membrane permeation. Chapter 6 presents a detailed study on the mechanisms of COX inhibition by these selected compounds using MD simulations. Classical MD simulations were carried out on COX-1 and COX-2 complexed with 1OL, LG2, OLEO, MMHTE, as well as their native ligands that were present in the crystal structure. The stability and backbone fluctuation of these complexes were determined. Protein dynamics were examined using essential dynamics methods and network analysis, which identified that the N-terminal epidermal growth factor-like domain and membrane bound domains of COX-1 and -2 exhibited altered motions when ligands were bound. Distinct dynamical modules were identified, as well as the finding that COX-2 inter-residue communications were more sensitive to ligand binding compared to COX-1. The residue contributions to binding free energy were computed using Molecular Mechanics-Poisson Boltzmann Surface Area (MM-PPBSA) methods. Through this research, novel olive phenolic compounds were identified which may possess COX inhibitory properties. Future work may provide additional details of the mechanism of COX inhibition, as well as the synthesis of these novel compounds for in vitro and in vivo validation. Furthermore, it may be demonstrated that olive-derived compounds present a possible avenue for the development of more effective and safe therapeutics in inflammation, as well as provide mechanisms for the anti-inflammatory effects of low dosage dietary COX inhibitors

Design, synthesis, physicochemical and biological properties of ß-hydroxy-ß-arylalkanoic acid derivatives

Nesteroidni antiinflamatorni lekovi (NSAIL) se koriste za ublažavanje simptoma akutne i hronične inflamacije već više od pedeset godina. Grupa NSAIL je veoma brojna i obuhvata različite hemijske strukture. Potreba za pronalaženjem novih NSAIL i dalje postoji jer neselektivni NSAIL često izazivaju neželjene gastrointestinalne efekte, a neki noviji selektivni lekovi se dovode u vezu sa ozbiljnim neželjenim kardiovaskularnim efektima. U ovoj disertaciji opisani su dizajniranje, sinteza, ispitivanje fizičko-hemijskih i bioloških osobina β-hidroksi-β-arilalkanskih kiselina. U doking studijama je ispitan uticaj α supstitucije jednom ili dvema metil grupama bočnog niza šest prethodno već sintetisanih β-hidroksi-β-arilalkanskih kiselina koje su derivati β-hidroksi-β- bifenilbuterne kiseline ili β-hidroksi-β,β-difenilpropionske kiseline na inhibiciju enzima ciklooksigenaze kao i na selektivnost prema izoformi ciklooksigenaza-2. Doking studijama je ispitan uticaj različitih supstituenata (nitro, trifluorometil, metil, metoksi, dimetilamino grupe i hlora) na benzenovom prstenu sedam derivata 3-hidroksi-3,3- difenilpropanske kiseline na inhibiciju i selektivnost prema COX-2 izoformi. Izračunate su molekulske zapremine za sva dokovana jedinjenja i utvrđeno je da ispunjavaju uslov da su za minimalno 15 Å3 veće od molekulske zapremine ibuprofena, što znači da su ove kiseline potencijalno selektivne za COX-2. Modifikovanom Reformatski reakcijom sintetisano je sedam derivata 3-hidroksi- 3,3-difenilpropanske kiseline. Tri planirana jedinjenja nije bilo moguće sintetisati na ovaj način, kao ni korišćenjem indijuma kao katalizatora, niti klasičnom Reformatski reakcijom. Modifikovana Reformatski reakcija se sastoji iz dve faze. U prvoj fazi se sintetišu α-bromo alkil 1-etoksiestri iz α-bromsirćetne kiseline i etilvinil etra..

Kristallstrukturanalyse und Entwicklung von Computermodellen zur Beschreibung der Selektivität von Enzymen am Beispiel der Carboanhydrase

Ein Ziel der modernen Wirkstoffforschung ist die Entwicklung von Arzneistoffen, die selektiv mit einem Zielprotein wechselwirken. Dadurch sollen Nebenwirkungen in einem frühen Stadium der Entwicklung minimiert, wenn möglich sogar ausgeschlossen werden. Bei der strukturbasierten Entwicklung von Wirkstoffen wurden im Falle der Carboanhydrase (CA) die physikochemischen Eigenschaften von CA-Inhibitoren mit den biologischen Affinitäten an drei Isoenzymen (CA I, CA II, CA IV) korreliert. Mit den daraus erhaltenen 3D-QSAR-Modellen können diejenigen physikochemischen und strukturellen Eigenschaften der Verbindungen bestimmt werden, die die biologische Aktivität im Hinblick auf ein Isoenzym beeinflussen. Mit zwei verschiedenen Ansätzen wurden selektive 3D-QSAR-Modelle erhalten, mit deren Hilfe anhand von Konturdiagrammen Bereiche ermittelt werden können, die für eine bestimmte physikochemische Eigenschaft (sterische, elektrostatische, hydrophobe, Akzeptor, Donor) die Selektivität hinsichtlich eines Isoenzyms erhöhen oder erniedrigen. Aus dieser reinen Liganden-basierten Analyse konnten dennoch Rückschlüsse auf die Gegebenheiten in der umgebenden Bindetasche gezogen werden. Aber nicht nur die Auswertung von Ligandeninformationen kann wichtige Hinweise für die Entwicklung selektiver CA-Inhibitoren liefern. Die Auswertungen von Kristallstrukturen der CA bestätigten diese aus reiner Ligandeninformation erhaltenen Selektivitätsmodelle und lieferten zusätzliche Informationen für die Entwicklung selektiver Verbindungen. Ferner konnte anhand eines Homologiemodells der C AIX gezeigt werden, dass die Modellierung von Enzymen, deren Kristallstrukturaufklärung sich als schwierig erweist, durchaus nützliche Hinweise für den strukturbasierten Entwurf bzw. die Optimierung von Liganden liefern kann. Um potentielle neue (selektive) Leitstrukturen zu finden, können neben dem experimentellen Hochdurchsatz-Screening virtuell am Computer Datenbanken mit gespeicherten Molekülbibliotheken durchmustert werden. Die korrekte Vorhersage des Bindungsmodus und die korrekte Abschätzung der Bindungsaffinität der platzierten Moleküle ist entscheidend für die erfolgreiche Identifizierung von neuen Leitstrukturen. Es konnte erfolgreich gezeigt werden, dass für CA-Inhibitoren mit einem rigiden Ringgerüst und mit bekannter Kristallstruktur der Bindungsmodus korrekt vorhergesagt werden konnte. In den Fällen, in denen die Bewertungsfunktionen der Dockingprogramme in der Affiniätsvorhersage der Verbindungen fehlschlagen, konnte durch die Kombination mit den zuvor erhaltenen 3D-QSAR-Modellen die Affinität dieser gedockten Verbindungen richtig abgeschätzt werden. Darüber hinaus wurde in Datenbanken und in der Literatur nach potentiellen neuen CA-Inhibitoren gesucht und ihre Bindung ließ sich biochemisch in einem Assay bestätigen. Eine Platzierung in der Bindetasche von CA II ermöglicht die korrekte Abschätzung der Affinität. Bei der Optimierung von Leitstrukturen/Wirkstoffen ist es sehr schwierig Wechselwirkungen mit Proteinen vorherzusagen beziehungsweise abzuschätzen, die sich in ihrer Sequenz und Funktion stark von dem Ausgangsprotein unterscheiden. Es konnte gezeigt werden, dass Cyclooxygenase (COX)-2-selektiven Verbindungen (Valdecoxib, Celecoxib) ebenfalls CA hemmen. Obwohl beide Enzyme ? COX und CA - unterschiedliche biologische Funktionen besitzen, weisen beide Enzyme lokale Bereiche im aktiven Zentrum mit ähnlichen physikochemischen Eigenschaften auf, so dass die Bindung von Celecoxib und Valdecoxib an beiden Enzymen ermöglicht wird. Diese Kreuzreaktivität von Celecoxib und Valdecoxib wurden durch kinetische Daten und mit der Kristallstruktur von Celecoxib im Komplex mit CA II belegt

Immune-Mediated Drug Induced Liver Injury: A Multidisciplinary Approach

This thesis presents an approach to expose relationships between immune mediated drug induced liver injury (IMDILI) and the three-dimensional structural features of toxic drug molecules and their metabolites. The series of analyses test the hypothesis that drugs which produce similar patterns of toxicity interact with targets within common toxicological pathways and that activation of the underlying mechanisms depends on structural similarity among toxic molecules. Spontaneous adverse drug reaction (ADR) reports were used to identify cases of IMDILI. Network map tools were used to compare the known and predicted protein interactions with each of the probe drugs to explore the interactions that are common between the drugs. The IMDILI probe set was then used to develop a pharmacophore model which became the starting point for identifying potential toxicity targets for IMDILI. Pharmacophore screening results demonstrated similarities between the probe IMDILI set of drugs and Toll-Like Receptor 7 (TLR7) agonists, suggesting TLR7 as a potential toxicity target. This thesis highlights the potential for multidisciplinary approaches in the study of complex diseases. Such approaches are particularly helpful for rare diseases where little knowledge is available, and may provide key insights into mechanisms of toxicity that cannot be gleaned from a single disciplinary study

Immune-Mediated Drug Induced Liver Injury: A Multidisciplinary Approach

This thesis presents an approach to expose relationships between immune mediated drug induced liver injury (IMDILI) and the three-dimensional structural features of toxic drug molecules and their metabolites. The series of analyses test the hypothesis that drugs which produce similar patterns of toxicity interact with targets within common toxicological pathways and that activation of the underlying mechanisms depends on structural similarity among toxic molecules. Spontaneous adverse drug reaction (ADR) reports were used to identify cases of IMDILI. Network map tools were used to compare the known and predicted protein interactions with each of the probe drugs to explore the interactions that are common between the drugs. The IMDILI probe set was then used to develop a pharmacophore model which became the starting point for identifying potential toxicity targets for IMDILI. Pharmacophore screening results demonstrated similarities between the probe IMDILI set of drugs and Toll-Like Receptor 7 (TLR7) agonists, suggesting TLR7 as a potential toxicity target. This thesis highlights the potential for multidisciplinary approaches in the study of complex diseases. Such approaches are particularly helpful for rare diseases where little knowledge is available, and may provide key insights into mechanisms of toxicity that cannot be gleaned from a single disciplinary study