Određivanje strukture farmakofore, dizajn i in vitro ispitivanje liganada sa višestrukim dejstvom kao potencijalno efikasnijih terapeutika složenih neuroloških i mentalnih oboljenja

Abstract

Disfunkcija serotoninske i dopaminske neurotransmisije u mozgu je u osnovi patofiziologijebrojnih neuroloških i mentalnih oboljenja. Definisanje protokola koji integriše in silico i in vitrometode, u cilju prouĉavanja farmakofore multi-potentnih jedinjenja koja deluju na nivou centralnognervnog sistema (CNS), predstavlja vaţan korak u racionalizaciji procesa otkrivanja novih lekova.Primenom simulacija molekulske dinamike i molekulskog dokinga, kao i analize kvantitativnogodnosa strukture i aktivnosti (eng. 3D-Quantitative Structure Activity Relationship, 3D-QSAR)definisane su kljuĉne strukturne karakteristike dualnih antagonista 5-HT2A i D2 receptora, sasmanjenim afinitetom za H1 receptor. Na osnovu dobijenih rezultata izvršeno je pretraţivanje bazafragmenata primenom metode virtuelnog skrininga (eng. Virtual Screening, VS) u cilju dizajniranjapotencijalno bezbednijih i efikasnijih liganada sa višestrukim delovanjem (eng. multi-target),pruţajući smernice za razvoj novih lekova u terapiji sloţenih CNS oboljenja. 3D-QSAR analizombicikliĉnih α-iminofosfonata definisana je struktura farmakofore selektivnih liganadaimidazolinskih I2 receptora, kao potencijalno novih lekova za leĉenje kognitivnih poremećaja. Invitro paralelni test permeabilnosti na veštaĉkim membranama (eng. Parallel Artificial MembranePermeability Assay, PAMPA) je korišćen za odreĊivanje efektivne permeabilnosti (logPe) krozkrvno-moţdanu barijeru (KMB) jedinjenja koja utiĉu na modulaciju aktivnosti serotoninskog idopaminskog sistema u mozgu. Dobijeni rezultati su korišćeni u analizi kvantitativnog odnosastrukture i osobina (eng. Quantitative Structure-Property Relationship, QSPR) u cilju razumevanjastrukturnih karakteristika koje najviše utiĉu na prolazak jedinjenja kroz KMB. Model formiranprimenom metode podrţavajućih vektora (eng. Support-Vector Machine, SVM) i validiranopseţnom statistiĉkom analizom, je korišćen za predviĊanje logPe vrednosti dizajniranih dualnihantagonista i liganada I2 receptora, svrstavajući ih u grupu visoko permeabilnih jedinjenja. Sa ciljemda se dodatno analizira i vizuelizuje proces permeabilnosti centralnodelujućih jedinjenja kroz KMBna molekulskom nivou, korišćene su simulacije usmerene molekulske dinamike (eng. SteeredMolecular Dynamics, SMD).

Disturbances in serotoninergic and dopaminergic neurotransmissions in the central nervoussystem (CNS) play a key role in the pathophysiology of various neurological and mental disorders.Developing an integrative approach through application of in silico and in vitro methods, in order toanalyse pharmacophore of multi-target neuroactive compounds, presents a promising strategy inrationalization of drug design process. Molecular dynamics simulations and molecular dockingmethods in combination with 3D-quantitative structure activity relationship analysis (3D-QSAR)were used to evaluate crucial structural features of potent dual antagonists of 5-HT2A i D2 receptors,with lower antagonistic activity on H1 receptors. The virtual screening of the available fragmentlibraries was performed with the aim to design novel multi-target compounds with a more effectiveand safer profile, laying a good foundation for the therapy of complex brain diseases. Moreover,3D-QSAR analysis of bicyclic α-iminophosphonates was used to reveal the pharmacophorestructure of selective imidazoline I2 receptor (I2-IR) ligands, as potentially new drugs for thetreatment of cognitive disorders. In vitro parallel artificial membrane permeability assay (PAMPA)was further employed to examine the effective permeability (logPe) through blood brain barrier(BBB) of compounds that affect serotonin and dopamine levels in the CNS. Based on the obtainedresults, quantitative structure-property relationship (QSPR) analysis was performed with the aim todefine structural features that mostly affect the permeability of compounds through BBB. Support-vector machine (SVM) method was used to create predictable and reliable QSPR model that wasfurther employed to predict logPe values of new designed dual antagonists of 5-HT2A/D2 receptorsand I2-IR ligands, classifying them into a group of highly permeable compounds. Steered moleculardynamics (SMD) simulations have been carried out to additionally explain and visualize the entireBBB permeation pathway at the molecular level.