Фрагмент-орієнтований дизайн лікарських засобів

Fragment-based drug design (FBDD) is one of the modern techniques used for developing new drugs, and an alternative to the widely used high throughput screening. The main methodological approaches of FBDD, as well as the methods of optimization for the identified “fragments“ when transferring them to the drug-like molecules have been described. The basic principles of the biophysical methods for analysis of the fragment – bio-target complexes and their application have been shown. Advantages and disadvantages of such methods as fluorescence-based thermal shift, NMR-spectroscopy, mass spectrometry, surface plasmon resonance are discussed. The most informative and efficient tool for the complex screening is X-ray crystallography. The main approaches to development of the pharmacologically active molecules based on the identified fragments, namely the methods of “fragment merging”, “fragment linking” and “fragment growing”, are given. The prospects and importance of the given method has been confirmed by the specific examples of drug candidates and the antitumor drug Vemurafenib approved and developed using FBDD.Фрагмент-ориентированный дизайн лекарственных средств является одним из современных методов разработки новых лекарственных средств и является альтернативой широко используемому методу высокоэффективного биологического скрининга. В работе представлены основные методологические подходы ФОД, а также методы оптимизации идентифицированных «фрагментов» в малые «druglike» молекулы. Описаны основные принципы биофизических методов анализа комплексов фрагмент – био-мишень, лежащие в основе ФОД, их преимущества и недостатки. К последним принадлежат метод термического сдвига, основанный на флуоресценции; методы ПМР-спектроскопии, масс-спектрометрии, поверхностного плазмонного резонанса. Наиболее информативным и эффективным методом скрининга комплексов является рентгеноструктурный анализ. Приведены основные подходы к созданию фармакологически активных молекул на основе фрагментов, а именно методы «слияния фрагментов», «соединения фрагментов» и «наращивания фрагментов». Перспективность и важность метода фрагмент-ориентированного дизайна лекарственных средств подтверждена конкретными примерами – кандидатами в лекарственные средства и введенным в клиническую практику препаратом Вемурафенибом, которые разработаны с использованием метода ФОД ЛС.Фрагмент-орієнтований дизайн лікарських засобів є одним із сучасних методів розробки нових лікарських засобів (ЛЗ), що розглядається як альтернатива до широко-використовуваного методу високоефективного біологічного скринінгу. В роботі охарактеризовані суть та принципи фрагмент-орієнтованого дизайну (ФОД), представлено методологічні підходи, а також наступні методи оптимізації ідентифікованих «фрагментів» при побудові малих «лікоподібних» молекул. Описані основні принципи біофізичних методів аналізу комплексів фрагмент – біо-мішень, що лежать в основі ФОД, їх переваги та недоліки. До останніх належать метод термічного зсуву, що базується на флуоресценції; методи спектроскопії ПМР, мас-спектрометрії та метод поверхневого плазмонного резонансу. Найбільш інформативним та ефективним інструментом скринінгу комплексів залишається рентгеноструктурний аналіз. Охарактеризовані основні підходи до створення фармакологічно активних молекул на основі ідентифікованих фрагментів, а саме, методи «злиття фрагментів», «з’єднання фрагментів» та «нарощування фрагментів». Перспективність та важливість фрагмент-орієнтованого дизайну ЛЗ підтверджена конкретними прикладами – кандидатами у ЛЗ та введеним у клінічну практику препаратом Вемурафенібом, які розроблені з використанням методу ФОД ЛЗ

СИНТЕЗ ТА ВИВЧЕННЯ БІОЛОГІЧНОЇ АКТИВНОСТІ ПОЛІЦИКЛІЧНИХ 1-ТІОКСО-9,10a-ДИГІДРОПІРОЛО[3,4-b]КАРБАЗОЛ-3,10-ДІОНІВ

The aim of the work. Design and synthesis of novel fused compounds based on indole and thiohydantoin (2-thioxoimidazolin-4-one) cycles as potential drug-like molecules. Study of their antitumor activity. Materials and Methods. Organic synthesis, NMR spectroscopy, pharmacological screening. Results and Discussion. Condensed tetracyclic 1-thioxo-9,10a-dihydropyrrolo[3,4-b]carbazole-3,10-diones were synthesized in the reaction of 3-(4-oxo-2-thioxothiazolidin-5-ylidenemethylene)-1H-indole-carboxylic acids with thiohydantoin in acetic acid under reflux. The reaction of 3-formylindoline-2-carboxylate with 2-thiohydantoin yielded 5-fluoro-3-(4-oxo-2-thioxoimidazolidin-5-ylidenemethyl)-1H-indole-2-carboxylate methyl ester. The antiproliferative activity of the synthesized compounds was studied at a concentration of 10-5 M on a panel of cancer cells. Conclusions. An effective method for the synthesis of 1-thioxo-9,10a-dihydropyrrolo[3,4-b]carbazole-3,10-diones has been developed. A moderate effect of the synthesized compounds on the UO-31 renal cancer line has been established.Мета роботи. Дизайн та синтез нових конденсованих молекул на основі індольного та тіогідантоїнового (2-тіоксоімідазолідин-4-онового) циклів як потенційних «лікоподібних сполук». Дослідження їхньої протипухлинної активності. Матеріали і методи. Органічний синтез, спектроскопія ЯМР, фармакологічний скринінг. Результати й обговорення. Взаємодією 3-(4-оксо-2-тіоксотіазолідин-5-іліденметилен)-1H-індол-карбонових кислот із тіогідантоїном у середовищі ацетатної кислоти при нагріванні одержано конденсовані тетрациклічні 1-тіоксо-9,10a-дигідропіроло[3,4-b]карбазол-3,10-діони. У реакції метил-3-форміліндолін-2-карбоксилату із 2-тіогідантоїном утворюється метиловий естер 5-флюоро-3-(4-оксо-2-тіоксоімідазолідин-5-іліденметил)-1H-індол-2-карбонової кислоти. Антипроліферативну активність синтезованих сполук вивчали у концентрації 10-5 М на панелі ракових клітин. Висновки. Опрацьовано ефективний метод синтезу 1-тіоксо-9,10a-дигідропіроло[3,4-b]карбазол-3,10-діонів. Встановлено помірний ефект синтезованих сполук щодо лінії раку нирок UO-31

QSAR-АНАЛІЗ БІБЛІОТЕК 4-ТІАЗОЛІДИНОН-СПОРІДНЕНИХ ГЕТЕРОЦИКЛІВ ДЛЯ ПРОГНОЗУВАННЯ ПРОТИТРИПАНОСОМНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ НОВИХ ПОХІДНИХ

Introduction. Derivatives of thiazolidinone and related heterocycles are a source of new antiparasitic agents, including molecules with antitrypanosomal properties. A number of studies of the quantitative structure – antitrypanosomal activity relationship based on different approaches of computer chemistry have been found in the relevant scientific sources. Although most studies belong to the so-called – multitarget, when the studied set include the results of other types of antiparasitic activities. Development of new QSAR-models of thiazolidinone derivatives with antitrypanosomal properties will allow to outline the directions of directed design of new antiparasitic agents based on thiazole and thiazolidinone cycles. The aim of the study – to establish quantitative relationships between structure-antitrypanosomal activity within libraries of thizolidinones and related heterocycles. Research Methods. The development of mathematical models based on QSAR-analysis was performed using the online platform Online Chemical Database. Results and Discussion. Analysis of the quantitative structure-activity relationship was performed using a mathematical model of associative neural networks (ASNN: Associative Neural Networks) and the Random Forest regression method (RFR: Random Forest regression) based on set of compounds including isothiocoumarin-3-carboxylic acid derivatives, thiopyranothiazoles and 4-thiazolidinone-imidazothiadiazoles with the established trypanocidal activity against Trypanosoma brucei brucei and Trypanosoma brucei gambiense. The best predictive capacity for the group of isothiocoumarin-3-carboxylic acids and thiopyrano[2,3-d][1,3]thiazol-2-ones was calculated using the Random Forest algorithm. The model calculated on the basis of the Random Forest algorithm for the group of imidazothiadiazoles has the highest predictive power with a value of R2 = 0.96. Conclusions. Based on the methods of associative neural networks and Random Forest regression, a series of prognostic models have been developed for the predicting of antiparasitic activity of different 4-thiazolidinone derivatives and further development of the optimization directions for novel biologically active molecules with trypanocidal properties.Вступление. Производные тиазолидинона и родственных гетероциклов являются источником новых противопаразитарных агентов, в том числе молекул с противотрипаносомными свойствами. В актуальных научных источниках найден ряд исследований о количественной взаимосвязи структура – антитрипаносомная активность, что включают различные подходы компьютерной химии. Большинство исследований относится к так называемым мультитаргетным, когда в выборку включают результаты других видов противопаразитарных активностей. Разработка новых QSAR-моделей производных тиазолидинона с противотрипаносомными свойствами позволит определить направления направленного дизайна новых противопаразитарных агентов на основе циклов тиазола и тиазолидинона. Цель исследования – установить количественную взаимосвязь структура – противотрипаносомная активность в пределах библиотек тиазолидинонов и родственных гетероциклов. Методы исследования. Построение математических моделей на основе QSAR-анализа осуществляли с помощью онлайн-платформы Online Chemical Database. Результаты и обсуждение. Анализ количественной взаимосвязи структура – противотрипаносомная активность проводили с применением математической модели ассоциативных нейронных сетей (ASNN: Associative Neural Networks) и метода регрессии Random Forest (RFR: Random Forest regression) на основе выборок, включавших производные изотиокумарин-3-карбоновых кислот, тиопиранотиазолов и 4-тиазолидинон-имидазотиадиазолов с установленной трипаноцидной активностью в отношении Trypanosoma brucei brucei и Trypanosoma brucei gambiense. Лучшую прогнозирующую способность для группы изотиокумарин-3-карбоновых кислот и тиопирано[2,3-d][1,3]тиазол-2-онов вычислено с помощью алгоритма Random Forest. Модель, вычисленная на основе алгоритма Random Forest для группы имидазотиадиазолов, обладает наиболее высокой прогнозирующей способностью со значением R2=0,96. Вывод. На основе методов ассоциативных нейронных сетей и регрессии Random Forest разработаны прогностические модели для прогнозирования противопаразитарной активности диверсифицированных производных 4-тиазолидинонов и последующей фокусировки направлений оптимизации новых биологически активных молекул с трипаноцидными свойствами.Вступ. Похідні тіазолідинону та споріднених гетероциклів є джерелом нових протипаразитарних агентів, у тому числі молекул із протитрипаносомними властивостями. В актуальних наукових джерелах знайдено ряд досліджень про кількісний взаємозв’язок структура – протитрипаносомна активність, що включає різні підходи комп’ютерної хімії. Більшість досліджень належить до так званих мультитаргетних, коли до вибірки включають результати інших видів протипаразитарних активностей. Розробка нових QSAR-моделей похідних тіазолідинону з протитрипаносомними властивостями дозволить окреслити напрямки спрямованого дизайну нових протипаразитарних агентів на основі циклів тіазолу та тіазолідинону. Мета дослідження – встановити кількісний взаємозв’язок структура – протитрипаносомна активність у межах бібліотек тіазолідинонів та споріднених гетероциклів. Методи дослідження. Побудову математичних моделей на основі QSAR-аналізу здійснювали за допомогою онлайн-платформи Online Chemical Database. Результати й обговорення. Аналіз кількісного взаємозв’язку структура – протитрипаносомна активність проводили із застосуванням математичної моделі асоціативних нейронних мереж (ASNN: Associative Neural Networks) та методу регресії Random Forest (RFR: Random Forest regression) на основі вибірок, що включали похідні ізотіокумарин-3-карбонових кислот, тіопіранотіазолів і 4-тіазолідинон-імідазотіадіазолів із встановленою трипаноцидною активністю щодо Trypanosoma brucei brucei та Trypanosoma brucei gambiense. Кращу прогнозувальну здатність для групи ізотіокумарин-3-карбонових кислот і тіопірано[2,3-d][1,3]тіазол-2-онів обчислено за допомогою алгоритму Random Forest. Модель, обчислена на основі алгоритму Random Forest для групи імідазотіадіазолів, володіє найвищою прогнозувальною здатністю зі значенням R2=0,96. Висновок. На основі методів асоціативних нейронних мереж та регресії Random Forest розроблено прогностичні моделі для прогнозування протипаразитарної активності диверсифікованих похідних ­4-тіазолідинонів і подальшого фокусування напрямків оптимізації нових біологічно активних молекул із трипаноцидними властивостями

Cтворення інноваційних лікарських засобів (підходи та методологія drug design) – одне з ключових питань сучасної фармацевтичної освіти

 The article is devoted to modern approaches to the creation of innovative drugs based on the so-called small molecules combined into the research system – drug design. The most common concepts and phasing of the processes of the innovative drug creation based on the concept “from idea – to a drug” are presented. The importance and role of the computer (in silico) methods in creating drugs reflected in CADD (computer assisted drug design) methods, for instance: QSAR-analysis, docking studies, molecular modeling, assessment of similarity and druglikeness, etc.) are discussed. Currently, being the permanent subject of interest of the scientific community, the approaches described are dominant in creating innovative drugs. Most of the major issues are integrated in training of pharmacy students (PharmD and MS levels in Western countries) within the discipline “Medicinal Chemistry” and are described in authoritative textbooks. At the same time, practically no attention is paid to these issues in Ukraine, and they are beyond the curricula for pharmacy students. There is the necessity of coverage of the current state of drug creation when training pharmacy students taking into account the principle of integrity of the pharmacy branch and based on the “from idea – to a drug” holistic concept mentioned. It allows to fill in the gaps between “western” and post-Soviet education systems (and/or their harmonization), especially in the context of teaching Pharmaceutical/Medicinal Chemistry. One of the possible solutions is our course “Computer Technology in Pharmacy” (for the 4th year students) covering the main milestones of drug design.В работе представлены современные подходы к созданию инновационных лекарственных средств на основе так называемых малых молекул (small molecules), которые объединены в систему исследований drug design (конструирование лекарств). Представлены самые распространенные концепции и этапность процессов создания инновационных лекарственных средств (ЛС) с использованием концепции «от идеи – к препарату». Показана значимость и роль компьютерных (in silico) методов в создании лекарственных средств, что отражено в приемах CADD (computer assisted drug design), например: QSAR- анализ, докинговые исследования, молекулярное моделирование, оценка сходства, druglikeness и т. д.). Рассмотренные подходы на современном этапе являются доминантными в создании инновационных ЛС и являются предметом постоянного интереса научного сообщества. Большинство основных моментов интегрированы в учебные курсы студентов-фармацевтов (на уровне PharmD и MS в западных странах) в рамках дисциплины Медицинская химия (Medicinal Chemistry) и представлены в авторитетных учебниках. В Украине же эти вопросы практически оставлены без внимания и за рамками учебных программ подготовки провизоров. Показана необходимость освещения современного состояния проблематики создания лекарственных средств при подготовке студентов-фармацевтов, учитывая принцип целостности фармацевтической отрасли и опираясь на упомянутую холистическую концепцию «от идеи – к препарату». Это позволит ликвидировать разногласия (и/или гармонизировать их) между «западной» и постсоветской системами образования, в том числе и в контексте преподавания медицинской/фармацевтической химии. Один из возможных вариантов решения такой ситуации является введенный нами курс «Компьютерные технологии в фармации» (для студентов 4-го курса), который дает возможность изучения общих подходов современного drug design.Представлені сучасні підходи до створення інноваційних лікарських засобів на основі малих молекул (small molecules), об’єднаних у систему досліджень – drug design (конструювання ліків). Представлені найпоширеніші концепції та етапність процесів створення інноваційних лікарських засобів з використанням концепції «від ідеї – до препарату». Показано важливість та роль комп’ютерних (in silico) методів у створенні лікарських засобів, що відображено у прийомах CADD (computer assisted drug design), наприклад: QSAR-аналіз, докінгові дослідження, молекулярне моделювання, оцінка подібності, лікоподібність тощо). Висвітлені підходи на сучасному етапі є домінантними у створенні інноваційних ЛЗ та є предметом постійного інтересу наукової спільноти. Більшість основних моментів є інтегрованою в навчальні курси студентів-фармацевтів (на рівні PharmD та MS у західних країнах) в рамках дисципліни Медична хімія (Medicinal Chemistry) та представлена в авторитетних підручниках. Натомість в Україні ці питання практично залишені поза увагою та начальною програмою підготовки провізорів. Показана необхідність висвітлення сучасного стану проблематики створення лікарських засобів при підготовці студентів-фармацевтів, враховуючи принцип цілісності фармацевтичної галузі та опираючись на згадану холістичну концепцію «від ідеї – до препарату». Це дозволить ліквідувати розбіжності (і/або гармонізувати їх) між «західною» та пострадянською системами освіти, зокрема і в контексті викладання медичної/фармацевтичної хімії. Один з можливих варіантів вирішення такої ситуації є запроваджений нами курс «Комп’ютерні технології у фармації» (для студентів 4-го курсу), який дає можливість вивчення загальних підходів сучасного drug design

Донори Н2S у створенні інноваційних лікарських засобів

Fundamental studies have identified a new group of gaseous signaling molecules – the so-called gasotransmitters – NO, CO, and H2S, which are involved in the regulation of a large number of metabolic processes. The results of these studies allowed determining a new direction in medicinal/pharmaceutical chemistry – creation of hydrogen sulfide donor compounds as potential drugs. The article presents the main achievements in the search for new H2S donors: the main stages of H2S metabolism and its biological effects; the classes of compounds that can release hydrogen sulfide based on the nature of sulfur-containing functional groups as well as the mechanism of H2S releasing. Additionally, the characteristic of the most successful direction – creation of the so-called hybrid molecules is given. The latter are compounds bearing fragments of the well known drugs covalently bounded with groups being capable to release H2S.Фундаментальные исследования выделили новую группу газообразных веществ, так называемых «газотрансмиттеров» NO, CO, H2S, которые вовлечены в процеcсы регуляции большого количества метаболических процесов. Результаты таких исследований позволили выделить новое направление в медицинской/фармацевтической химии – создание соединений доноров сероводорода как потенциальных лекарственных средств. В работе представлены главные достижения в области поиска новых потенциальных доноров H2S: основные этапы метаболизма H2S и его биологические эффекты; классы соединений способных освобождать сероводород, соответственно природы функциональных серосодержащих групп и механизма выделения H2S. Отдельно охарактеризовано наиболее успешное направление – создание так называемых «гибридных молекул», которые содержат фрагменты известных лекарственных средств, ковалентно связанных с группами, которые так или иначе способны к выделению сероводородаФундаментальні дослідження виокремили нову групу газоподібних речовин, так званих «газотрансміттерів» NO, CO, H2S, залучених до процесів регуляції великої кількості метаболічних процесів. Результати таких досліджень дозволили окреслити новий напрямок у медичній/фармацевтичній хімії – створенні сполук донорів сірководню як потенційних лікарських засобів. У роботі представлені основні досягення в галузі пошуку потенційних донорів H2S: основні етапи метаболізму H2S та його біологічні ефекти; класи сполук, здатні вивільняти сірководень відповідно до природи функціональних сульфуровмісних груп та механізму виділення H2S. Окремо охарактеризовано найбільш успішний напрямок – створення так званих «гібридних молекул», що вміщуюють фрагменти відомих лікарських засобів, ковалентно зв’язаних з групами, що в той чи інший спосіб здатні вивільняти сірководень

Thiazolidinone motif in anticancer drug discovery. Experience of DH LNMU medicinal chemistry scientific group

The aim was analysis of 4-thiazolidinones and related heterocyclic systems anticancer activity data and formation of some rational design directions of potential anticancer agents. Synthetic research carried out in Danylo Halytsky Lviv National Medical University (DH LNMU) allowed us to propose a whole number of new molecular design directions of biological active 4-thiazolidinones and related heterocyclic systems, as well as obtain directed library that numbers over 5000 of novel compounds. At the present time in vitro anticancer activity screening was carried out for more than 1000 compounds (US NCI protocol (Developmental Therapeutic Program), among them 167 compounds showed high antitumor activity level. For the purpose of optimization and rational design of highly active molecules with optimal «drug-like» characteristics and discovering of possible mechanism of action SAR, QSAR analysis and molecular docking were carried out. The ultimate aim of the project is creating of innovative synthetic drug with special mechanism of action and sufficient pharmacological and toxicological features. Some aspects of structure–activity relationships were determined and structure design directions were proposed. The series of active compounds with high anticancer activity and/or selectivity levels were selected. Key words: synthesis, 4-thia(imida)zolidinones, thiopyrano[2,3-d]thiazoles, anticancer activity, (Q)SAR.Метою роботи був аналіз результатів дослідження протипухлинної активності 4-азолідонів і споріднених гетероциклічних сполук та формування деяких напрямків раціонального дизайну потенційних протипухлинних агентів. Синтетичні дослідження, проведені у ЛНМУ імені Данила Галицького, дозволили запропонувати низку нових спрямувань молекулярного дизайну біологічно активних 4-тіазолідинонів та споріднених гетероциклічних систем, а також одержати сфокусовану бібліотеку, яка нараховує понад 5000 нових сполук. На цей час здійснено in vitro скринінг протипухлинної активності понад 1000 сполук (US NCI протокол Developmental Therapeutic Program), з-поміж яких 167 ідентифіковано як такі, що мають високу протиракову активність. Для оптимізації і раціонального дизайну високоактивних молекул з оптимальними «лікоподібними» характеристиками та визначення можливого механізму біологічної дії проведено SAR- і QSAR-аналіз і молекулярний докінг. Кінцевою метою проекту є створення інноваційного синтетичного лікарського препарату з оригінальним механізмом дії та достатнім фармакологічним і токсикологічним профілем. Ключові слова: синтез, 4-тіа(іміда)золідинони, тіопірано[2, 3-d]тіазоли, протипухлинна активність, (Q)SAR.Цель работы состояла в анализе результатов исследования противоопухолевой активности 4-азолидонов и родственных гетероциклических систем и формировании некоторых направлений рационального дизайна потенциалных противоопухолевых агентов. Синтетические исследования, проведенные в ЛНМУ имени Данила Галицкого, позволили предложить ряд новых направлений молекулярного дизайна биологически активных 4-тиазолидинонов и родственных гетероциклических систем, а также получить сфокусированную библиотеку, насчитывающую более 5000 новых соединений. На данный момент осуществлен in vitro скрининг противоопухолевой активности (US NCI протокол Developmental Therapeutic Program) более 1000 соединений, позволивший идентифицировать 167 соединений с высоким противораковым эффектом. Для оптимизации и рационального дизайна высокоактивных молекул с оптимальными «drug-like» характеристиками и установления вероятного механизма биологического действия проведен SAR- и QSAR-анализ и молекулярный докинг. Конечная цель проекта – создание инновацинного синтетического лекарственного сресдтва с оригинальным механизмом действия, достаточным фармакологическим и токсикологическим профилем. Ключевые слова: синтез, 4-тиа(имида)золидиноны, тиопирано[2,3-d]тиазолы, противоопухолевая активность, (Q)SAR