Novas espiro-β-lactamas com potente dupla atividade antimicrobiana

Palavras-chave: Agentes anti-HIV,Agentes antiplasmodiais,Espiro-penicilanatos,Mecanismo de ação,Anti-HIV agents,Antiplasmodial agents,Spiro-penicillanates,Mechanism of action

O trabalho apresentado nesta tese de Doutoramento teve como principal objetivo a descoberta de novos espiropenicilanatos quirais com atividade antimicrobiana contra o vírus do HIV e Plasmodium, o parasita da malária. Este propósito foi alcançado através de uma estratégia com uma forte componente de modelação estrutural racional de um conjunto de espiro-β-lactamas previamente identificados como tendo uma potente bioatividade contra ambos os agentes patógenos. Este trabalho foi desenvolvido no seguimento de um estudo prévio de bioatividade de uma biblioteca de espiro-β-lactamas que permitiu a identificação de uma espiro-3H-pirazole-β-lactama BSS-593 e duas espirociclopentenil-β-lactamas análogas BSS-730A e BSS-722A, com uma promissora dupla atividade contra HIV e Plasmodium. A molécula BSS-730A revelou-se como a mais promissora da série, demonstrando uma notável atividade submicromolar contra várias estirpes do vírus HIV-1 e HIV-2, incluindo estirpes multirresistentes, e contra as fases hepática e sanguínea da infeção por Plasmodium. A identificação destas espiro-β-lactamas constituiu o ponto de partida para o presente projeto de Doutoramento, servindo estas como moléculas lead no design de novos espiropenicilanatos quirais potencialmente bioativos. A estes resultados altamente promissores sucederam-se um conjunto de estudos visando a descrição e interpretação do mecanismo de ação da molécula BSS-730A. Apesar de não ter sido possível identificar o alvo molecular da espirociclopentenil-β-lactama BSS-730A, os resultados obtidos indicam que esta exerce a sua atividade antiviral por um mecanismo complexo e diferente do mecanismo associado aos fármacos anti-HIV atualmente disponíveis no mercado. As modelações estruturais em torno da espiro-3H-pirazole-β-lactama identificada como tendo atividade contra HIV e Plasmodium, focaram-se no seu anel β-lactama, nos grupos substituintes do anel 3H-pirazole e no grupo ácido carboxílico do núcleo penicilanato. Neste contexto, foram utilizadas abordagens sintéticas variadas, nomeadamente a cicloadição 1,3-dipolar entre diazo-lactamas e alquinos deficientes em eletrões, desproteção seletiva de ésteres benzidrilos e conversão de ácidos carboxílicos a ésteres e ácidos hidroxâmicos. No caso específico da modelação do anel β-lactama, foi desenvolvida uma nova via sintética que resultou na síntese de novo de um núcleo estrutural γ-lactâmico bicíclico análogo da penicilina, a partir do aminóacido natural D-penicilamina. Esta estratégia sintética permitiu a síntese de um conjunto de derivados γ-lactâmicos, análogos da espiro-3H-pirazole-β-lactama bioativa. As novas moléculas sintetizadas pela modelação estrutural da espiro-β-lactama BSS-593 foram testadas para a sua atividade in vitro contra o vírus do HIV-1, permitindo a recolha de informações valiosas acerca da relação estrutura-atividade desta classe de espiro-β-lactamas, assim como sobre o seu potencial mecanismo de ação. Relativamente à classe das espirociclopentenil-β-lactamas, adotou-se uma estratégia de modelação estrutural preliminar em volta de diversos grupos substituintes da espirociclopentenil-β-lactama BSS-730A, assente em estratégias como a desproteção seletiva de ésteres benzidrilos e a cicloadição [3+2] formal entre 6-alquilidenopenicilanatos e 2-butinoatos ou alenoatos. Esta abordagem permitiu a identificação do éster benzilo da posição 2’ do anel ciclopenteno da espirociclopentenil-β-lactama BSS-730A como sendo suscetível a modelações estruturais, sem que estas comprometam significativamente a atividade antiviral e anti-Plasmodium dos derivados. A modelação de tal posição pela substituição do respetivo éster benzilo por pequenos ésteres alquílicos, nomeadamente um éster metílico e etílico, resultou na síntese de dois compostos com atividade nanomolar contra o HIV-1, e atividade micromolar contra Plasmodium berghei e Plasmodium falciparum. Adicionalmente, foi ainda possível identificar algumas características estruturais críticas para a atividade da classe das espirociclopentenil-β-lactamas. A identificação de dois novos compostos bioativos, obtidos através da modelação da posição 2’ do anel espirociclopenteno da espiro-β-lactama lead, serviu de base racional e impulsionadora a uma nova ronda de modelações estruturais focadas exclusivamente naquela posição, visando dotá-la com outros grupos éster variados, como são exemplo ésteres arílicos, ésteres alquílicos de cadeia longa ou ésteres benzílicos substituídos. Com este objetivo foi utilizada uma estratégia sintética exclusivamente baseada na cicloadição [3+2] formal entre um 6-alquilidenopenicilanato e diferentes alenoatos monossubstituídos. As novas espirociclopentenil-β-lactamas tiveram a sua atividade in vitro anti-HIV-1 determinada, o que resultou na identificação de seis moléculas adicionais com uma atividade antiviral nanomolar, de entre as quais duas demonstraram um notável valor de IC50 inferior a 20 nM. Por fim, foram estabelecidos dois protocolos computacionais diferentes, baseados em pesquisas de similaridade contra compostos bioativos de alvo molecular conhecido, com o intuito de recolher informações acerca do alvo molecular putativo da classe das espirociclopentenil-β-lactamas bioativas desenvolvidas ao longo deste trabalho. Este procedimento implicou a construção de uma base de dados interna contendo a estrutura e dados de bioatividade de cerca de 283 mil compostos com alvo molecular conhecido. Em suma, os estudos desenvolvidos no decurso desta tese de Doutoramento conduziram à síntese de uma biblioteca extensa de novas espiro-β-lactamas quirais, de entre as quais foi possível identificar um conjunto relevante de moléculas com uma notável atividade nanomolar contra o vírus do HIV-1. De entre as moléculas com atividade antiviral, todas aquelas cuja atividade anti-Plasmodium foi avaliada demonstraram também atividade contra o parasita. Este comportamento é concordante com o anteriormente observado para as moléculas lead, e é indicativo de que esta atividade antimicrobiana dupla possa ser transversal a todos os restantes espiropenicilanatos identificados como bioativos contra o vírus do HIV. Esta abordagem resultou ainda na recolha de uma elevada quantidade de informação que permitiu uma interpretação qualitativa extensa e compreensiva da relação de estrutura-atividade das classes de espiro-β-lactamas exploradas ao longo deste trabalho. Em termos de resultados relativos ao mecanismo de ação antiviral, focados na molécula lead ativa representativa da classe das espirociclopentenil-β-lactamas, associados à dupla atividade antimicrobiana observada, constituem uma indicação de que estas moléculas possam atuar ao nível do hospedeiro e, consequentemente, poderão demonstrar atividade contra outros agentes patógenos para além dos já explorados. No cômputo geral, os notáveis resultados de bioatividade e mecanismo de ação apresentados ao longo desta tese de Doutoramento, traduzem-se numa afirmação inequívoca do potencial farmacoterapêutico da classe das espiro-β-lactamas no panorama da saúde pública atual, justificando a aposta no seu desenvolvimento como uma possível alternativa às terapias antivirais e anti-malária atualmente disponíveis.

Área científica: Ciências Exactas e Naturais