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Publicação
Development and evaluation of rivastigmine derivatives as potential multitarget anti-Alzheimer's disease drugs
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Autores
Resumo(s)
A doença de Alzheimer (AD), cujo nome deriva do Dr. Alois Alzheimer, é a causa mais comum de demência, representando 60-70% do total de casos e foi identificada inicialmente em 1906. Esta doença caracteriza-se por uma deterioração progressiva da memória, linguagem e capacidade de resolução de problemas, mais do que seria considerado normal devido ao processo biológico natural do envelhecimento. O envelhecimento da população tem vindo a aumentar a sua prevalência, criando uma crise de saúde pública no século XXI. Esta doença, para a qual não existe cura, tem impacto grave na vida quotidiana. Infelizmente ainda não existe nenhuma forma de prevenção, apesar de alguns fatores de risco terem sido já identificados. Devido ao elevado número de doentes afetados a nível mundial, bem como ao impacto significativo que tem nos indivíduos, nas famílias, nas comunidades e nos sistemas de saúde, os centros de investigação de todo o mundo estão a dar prioridade ao desenvolvimento de estratégias para prevenir, retardar, gerir melhor e, em última análise, curar esta doença.
Esta é uma doença multifatorial, de etiologia complexa e ainda não totalmente compreendida, embora várias hipóteses tenham sido propostas para explicá-la, sendo as atualmente mais aceites a acumulação de placas de β-amilóide e de proteína tau. No entanto, outras hipóteses como a hipótese colinérgica, relacionada com a diminuição do neurotransmissor acetilcolina no cérebro, o aumento do stress oxidativo e a dishomeostase de biometais outras hipóteses foram também avançadas para explicar a patofisiologia da doença e a desregulação do influxo de cálcio para dentro do neurónio.
A maioria dos fármacos aprovados pela Food and Drug Administration (FDA), atualmente disponíveis para o “tratamento” desta doença, tem como base a hipótese colinérgica, através do uso de inibidores dos enzimas (donepezil, rivastigmina e galantamina) que degradam a acetilcolina (acetilcolinesterase e butirilcolinesterase), permitindo assim o aumento dos níveis deste neurotransmissor no cérebro. Existe ainda a memantina, um inibidor dos recetores NMDA, que regula o fluxo de cálcio para o interior dos neurónios. No entanto, estas terapias permitem apenas um alívio sintomático da doença, não eliminando os mecanismos subjacentes à mesma. Mais recentemente, foram aprovados pela FDA alguns anticorpos monoclonais (aducanumab, lecanemab, donanemab), com o objetivo de eliminar os agregados de β-amilóide que se acumulam no cérebro. No entanto, estes tratamentos apresentam alguns problemas no que diz respeito à sua eficácia e efeitos secundários adversos, permanecendo assim a doença de Alzheimer incurável até à data.
Nos últimos anos, devido à complexidade dos fatores envolvidos na progressão da doença, compostos dirigidos a múltiplos alvos surgiram como uma via promissora. Esta abordagem centra-se em compostos químicos que visam intercetar múltiplos processos biológicos, oferecendo potencialmente uma maior eficácia ao modelar simultaneamente vários dos factores envolvidos no desenvolvimento da doença.
Deste modo, o propósito desta tese foi a criação de novos compostos multifuncionais, com potencial para serem utilizados como agentes terapêuticos no tratamento da AD. Especificamente, utilizando como estrutura base a rivastigmina (RIV), um fármaco inibidor de acetilcolinesterase (AChE) e butirilcolinesterase (BChE), fez-se a sua conjugação com compostos antioxidantes, de modo a obter híbridos com prováveis capacidades antioxidante e inibitória da atividade das duas colinesterases (4AY1, 4AY2, 4AY5, 4AY6, 4BY1, 4BY2 e 4CY1). Foram também sintetizados 3 híbridos, 4AY3, 4AY4 e 4BY3, para avaliar o efeito de uma alteração na unidade antioxidante do composto sobre as propriedades biológicas dos mesmos. No desenvolvimento dos compostos estudados teve-se ainda em conta a avaliação do efeito do tamanho da cadeia carbonada que liga as duas porções do híbrido, e o efeito de uma pequena alteração na unidade rivastigmina (composto 4CY1). Foram sintetizados 10 compostos hibridos que, para além da sua caracterização por espetroscopia de ressonância magnética e espetrometria de massa de alta resolução, foram também avaliados relativamente às suas propriedades biológicas (inibição de agregação de β amilóide, inibição de ChEs (AChE e BChE) e actividade anti-oxidante). Os estudos de modelação molecular foram realizados com o objetivo de racionalizar os resultados obtidos para a inibição enzimática. Os compostos foram ainda avaliados quanto às suas propriedades farmacocinéticas, previstas in silico, para analisar se possuem características fármaco-similares. Dos dez compostos sintetizados neste estudo, dois deles são quirais (4AY2 e 4BY2), e foram as propriedades da sua mistura racémica que foram avaliadas in vitro, menos no caso das previsão das propriedades farmacocinéticas e nos estudos de modelação molecular, onde cada um dos isómeros do par foi analisado individualmente.
Relativamente à capacidade antioxidante dos compostos sintetizados, os resultados obtidos mostraram que alguns híbridos (4AY2, 4AY5, 4AY6 e 4BY2) apresentaram uma atividade antioxidante comparável à dos compostos antioxidantes originais. Houve, no entanto, uma exceção para os híbridos derivados do ácido siríngico (4AY1, 4BY1 e 4CY1), cuja atividade antioxidante poderá ter sido perdida como consequência da hibridização com rivastigmina. Os compostos 4AY3, 4AY4 e 4BY3 não apresentaram atividade antioxidante, como já era esperado.
Em geral, vários compostos apresentaram atividade inibitória para ambos os enzimas, e quase todos mantiveram a seletividade para BChE, já observada no caso do fármaco RIV. Entre os compostos estudados, o 4AY4 (IC50=14,55±0,04 μM) e o 4AY6 (IC50=5±1 μM) têm maior atividade inibitória sobre a AChE do que a RIV, enquanto o 4BY3 (IC50=0,9±0,2 μM) apresentou uma inibição da BChE comparável à do fármaco. A mistura racémica do composto 4BY2 mostrou ainda uma atividade anti-AChE comparável à da RIV. Os estudos de docking molecular foram fundamentais para a explicação das atividades inibitórias enzimáticas dos compostos estudados, tendo sido identificadas várias interações híbrido-enzima já descritas previamente noutros estudos como sendo essenciais para a atividade inibitória. Estes estudos permitiram ainda analisar separadamente os enantiómeros dos compostos quirais (4AY2 e 4BY2), sendo possível sugerir que R4BY2 deve apresentar maior atividade inibitória da BChE do que o seu isómero S4BY2.
Relativamente à inibição de agregação de β amilóide, os compostos apresentaram capacidade inibitória (19.8-82%) superior à da tacrina, um fármaco aprovado para a terapia da AD que foi retirado do mercado por hepatotoxicidade. Os principais inibidores da auto-agregação de Aβ42 incluem 4AY5 (82%) e 4AY6 (75,4%), apresentando atividade comparável à da curcumina (composto com comprovada capacidade de inibição de agregação de β amilóide). Os híbridos contendo grupos fenólicos e com possível capacidade quelante de metais foram também avaliados quanto à atividade inibitória de agregação de β amilóide induzida por Cu2+, sendo que apenas os compostos 4AY5 (76%) e 4AY6 (75.4%) apresentaram boa capacidade.
Por último, a avaliação in silico das propriedades farmacocinéticas dos compostos permitiu perceber que estes compostos, na sua generalidade, apresentam propriedades farmaco- similares para administração oral, apesar dos híbridos 4AY5 e 4AY6 terem percentagens de absorção oral e permeabilidade nas células Caco-2 e MDCK não ideais. Quanto aos compostos 4AY2 e 4BY2, as propriedades farmacocinéticas dos dois enantiómeros foram analisadas individualmente, tendo sido observadas maiores diferenças entre os dois isómeros no caso de 4BY2.
Em linhas gerais, os compostos sintetizados no âmbito deste estudo corresponderam aos objetivos propostos. De facto, à exceção dos híbridos com ácido siríngico (4AY1, 4BY1 e 4CY1, com baixa atividade antioxidante e de inibição de ChEs), os outros compostos corresponderam às expectativas, tendo sido obtidos híbridos que apresentam atividade antioxidante comparável à dos seus ácidos carboxílicos originais e com atividade anti-ChE, alguns tendo mesmo atividade comparável ou superior à do fármaco original (RIV). Adicionalmente, estes híbridos revelam ainda alguma atividade relativamente à inibição da agregação de β amilóide, sendo que dois compostos, 4AY5 e 4AY6, se destacam neste contexto por apresentarem uma percentagem de inibição elevada tanto na presença como na ausência de Cu2+. Relativamente aos compostos quirais, 4AY2 e 4BY2, estes demonstraram, na forma de mistura racémica, boa atividade antioxidante, alguma atividade inibitória para as colinesterases e ainda alguma capacidade de inibição de agregação de β amilóide.
De entre todos os compostos estudados, o 4AY5 e o 4AY6 parecem destacar-se pela sua notável capacidade de inibir a agregação de β amilóide, apresentando também boa capacidade antioxidante. Relativamente à inibição enzimática, o composto 4AY5 apresenta seletividade para BChE, algo que não está presente no composto 4AY6, que, em contra partida, apresenta muito melhor atividade inibitória de AChE do que 4AY5. Os resultados obtidos neste trabalho demonstraram que estes compostos apresentam atividade biológica relevante no contexto da doença de Alzheimer, sendo desejável prosseguir estudos que permitam descobrir potenciais fármacos mais adequados à terapia da AD. De momento, estão a ser efetuados ensaios preliminares in vitro de viabilidade celular e atividade neuroprotetora em linhas celulares de neuroblastoma humano (SH-SY5Y), no âmbito de uma colaboração existente com a Universidade de Coimbra (CNC-Center for Neuroscience and Cell Biology).
Alzheimer’s disease (AD) is the most common (60-70%) form of dementia. It is characterized by progressive deterioration in memory, language, and problem-solving abilities. AD severely impacts daily life, and a cure hasn’t been found yet. As populations aged, the prevalence of AD has risen sharply, creating a significant health crisis in the XXI century. AD is multifactorial, with a complex and not fully understood etiology, although various hypotheses propose factors contributing to its development. Most current treatments primarily provide symptomatic relief, and the recent FDA-approved disease-modifying therapies aimed at slowing down disease progression show concerns about adverse effects and efficacy. Therefore, based on a multi-target approach, ten rivastigmine (RIV) hybrids were developed, and assessed for their various biological effects and ability to scavenge free radicals, with the goal of creating new potential drug candidates for AD. The hybrids' enzymatic inhibition of acetylcholinesterase (AChE) and butyrylcholinesterase (BChE) capacity was studied, and the results were rationalized using molecular docking studies. Compounds 4AY4 (IC50=14.55±0.04 μM) and 4AY6 (IC50=5±1 μM) demonstrated stronger AChE inhibition than the original RIV drug. Most compounds showed selectivity for BChE, whereas 4BY3 (IC50=0.9±0.2 μM) presented the best inhibitory activity, comparable to RIV. The impact of linker length in the compounds’ inhibition capacity was unclear. Radical scavenging tests showed that some hybrids (4AY2, 4AY5, 4AY6 and 4BY2) showed antioxidant activity (AA) comparable with that of the parent antioxidant compounds. The top inhibitors of Aβ42 self- and Cu2+-induced aggregation include 4AY5 (76-82%) and 4AY6 (ca 76%), which inhibitory capacity is comparable with that of curcumin. The virtual assessment of the pharmacokinetic properties of the hybrids also indicated that, generally, the compounds appear to have drug-like characteristics. All in all, 4AY5 and 4AY6 seem to be the most promising compounds as potential multitarget (antioxidant, cholinesterase (ChE) inhibition, Aβ aggregation inhibition) anti-AD drugs.
Alzheimer’s disease (AD) is the most common (60-70%) form of dementia. It is characterized by progressive deterioration in memory, language, and problem-solving abilities. AD severely impacts daily life, and a cure hasn’t been found yet. As populations aged, the prevalence of AD has risen sharply, creating a significant health crisis in the XXI century. AD is multifactorial, with a complex and not fully understood etiology, although various hypotheses propose factors contributing to its development. Most current treatments primarily provide symptomatic relief, and the recent FDA-approved disease-modifying therapies aimed at slowing down disease progression show concerns about adverse effects and efficacy. Therefore, based on a multi-target approach, ten rivastigmine (RIV) hybrids were developed, and assessed for their various biological effects and ability to scavenge free radicals, with the goal of creating new potential drug candidates for AD. The hybrids' enzymatic inhibition of acetylcholinesterase (AChE) and butyrylcholinesterase (BChE) capacity was studied, and the results were rationalized using molecular docking studies. Compounds 4AY4 (IC50=14.55±0.04 μM) and 4AY6 (IC50=5±1 μM) demonstrated stronger AChE inhibition than the original RIV drug. Most compounds showed selectivity for BChE, whereas 4BY3 (IC50=0.9±0.2 μM) presented the best inhibitory activity, comparable to RIV. The impact of linker length in the compounds’ inhibition capacity was unclear. Radical scavenging tests showed that some hybrids (4AY2, 4AY5, 4AY6 and 4BY2) showed antioxidant activity (AA) comparable with that of the parent antioxidant compounds. The top inhibitors of Aβ42 self- and Cu2+-induced aggregation include 4AY5 (76-82%) and 4AY6 (ca 76%), which inhibitory capacity is comparable with that of curcumin. The virtual assessment of the pharmacokinetic properties of the hybrids also indicated that, generally, the compounds appear to have drug-like characteristics. All in all, 4AY5 and 4AY6 seem to be the most promising compounds as potential multitarget (antioxidant, cholinesterase (ChE) inhibition, Aβ aggregation inhibition) anti-AD drugs.
Descrição
Tese de mestrado, Engenharia Farmacêutica, 2024, Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia.
Palavras-chave
Alzheimer’s disease Rivastigmine Multi-target drugs Teses de mestrado - 2024