Productos naturales como plataformas de compuestos bioactivos : aumento de la complejidad y diversidad estructural

Abstract

El presente trabajo de tesis doctoral se enfoca en el importante rol de los productos naturales y sus derivados semisintéticos como fuentes de nuevos agentes terapéuticos para tratar enfermedades tales como Alzheimer y Chagas-Mazza. Por ello, se realizó una búsqueda de metabolitos especializados en especies vegetales y la derivatización de los mismos empleando diferentes estrategias. Se trabajó con especies de dos grandes familias botánicas, Asteraceae y Amaryllidaceae, que son reconocidas por la diversidad de metabolitos y actividad biológica reportada. El estudio fitoquímico de Clinanthus microstephium (Amaryllidaceae), fue el primer análisis de este tipo sobre el género Clinanthus. Se identificaron siete alcaloides derivados de la norbelladina, de los cuales uno fue aislado para la evaluación de la actividad anticolinérgica. Sobre este compuesto se probó su capacidad inhibitoria sobre las enzimas colinesterasas y demostró tener mayor actividad sobre la butirilcolinesterasa que el alcaloide bioactivo de referencia, galantamina, pero menor actividad sobre la acetilcolinesterasa. Con el objetivo de mejorar los resultados en términos de inhibición, se realizó un estudio de docking molecular sobre compuestos estructuralmente relacionados en el sitio activo de la acetilcolinesterasa. Se observaron interacciones claves entre los aminoácidos de la enzima y los ligandos analizados, lo que permitió establecer relaciones estructura-actividad útiles para el diseño de mejores inhibidores. Por otro lado, el estudio fitoquímico de Ambrosia tenuifolia (Asteraceae) permitió el aislamiento y caracterización de seis lactonas sesquiterpénicas. Se seleccionaron las psilostachinas A, B y C como sustratos para la derivatización por su abundancia y se exploraron sus reactividades mediante diversos enfoques sintéticos con el fin de obtener mayor diversidad y complejidad estructural, modificando tanto el patrón de sustitución como la arquitectura del esqueleto carbonado. Esta estrategia permitió producir derivados por oxidación, adición de Michael, distorsión anular en medio ácido y formación de híbridos moleculares, resultando en 24 estructuras novedosas. Además, mediante una reacción eficiente de oxidación, se realizó la derivatización del extracto de A. tenuifolia, la cual se complementó con ensayos bioguiados que permitieron acompañar la purificación de la mezcla, consiguiendo así fracciones con elevada actividad tripanocida frente a los parásitos de Trypanosoma cruzi. Con este procedimiento, se obtuvo una serie de derivados epoxidados con propiedades tripanocidas desde moderadas a muy buenas, algunos, incluso, más activos que el fármaco de referencia, benznidazol. Estas observaciones sumadas a los ensayos realizados para todas las lactonas sesquiterpénicas contenidas en el extracto vegetal original, permitieron identificar motivos estructurales claves para la bioactividad. En una etapa posterior del estudio, se utilizaron distintas herramientas bioinformáticas para explorar el mecanismo de acción de las lactonas sesquiterpénicas bioactivas. Para ello, se llevó a cabo primero una metodología basada en ligandos, que incluyó un análisis de descriptores moleculares relacionados con la bioactividad; éstos permitieron visualizar un espacio químico biológicamente relevante y situar tanto a las moléculas tripanocidas como a aquellos derivados sintetizados sin reportes de actividad. De esta forma, se creó una herramienta para el análisis de ligandos capaz de determinar qué parámetros son los adecuados para encontrar una posible molécula líder tripanocida. Además, este espacio químico pudo ser utilizado para analizar la diversidad estructural generada por las diferentes reacciones sobre psilostachinas, destacando entre ellas la exploración generada por la distorsión anular y la formación de híbridos moleculares. Por otra parte, se exploró el mecanismo de acción de estos compuestos, utilizando inicialmente una metodología bioinformática para identificar y proponer posibles proteínas dianas involucradas en la actividad tripanocida. Entre las herramientas empleadas se destacaron el mapeo reverso de los farmacóforos, el Docking molecular y las dinámicas moleculares. Este abordaje permitió sugerir cuatro biomoléculas diferentes de interacción, todas involucradas en el metabolismo rédox de los parásitos. Dentro de ellas se destacó la tripanotión reductasa por su potencial inhibición selectiva y ser un eslabón clave en la defensa redox de los Trypanosoma. Finalmente, en línea con los resultados obtenidos en el análisis teórico, se llevaron a cabo estudios bioquímicos en una línea reportera de Trypanosoma brucei, confirmando la incidencia de algunas lactonas sesquiterpénicas tripanocidas ensayadas en el desequilibrio redox intracelular. Este trabajo de tesis cobra relevancia, dado que extiende los resultados a investigaciones de diversas áreas como la fitoquímica, síntesis orgánica, química biológica, bioquímica y bioinformática, generando así una participación interdisciplinaria e integrada de todas las partes involucradas.

This doctoral thesis focuses on the important role of natural products and their semi-synthetic derivatives as sources of new therapeutic agents to treat diseases such as Alzheimer's and Chagas-Mazza. Therefore, a search for specialized metabolites in plant species and their derivatization using different strategies was carried out. This work was carried out with species from two large botanical families, Asteraceae and Amaryllidaceae, which are recognised for the diversity of metabolites and biological activity reported. The phytochemical study of Clinanthus microstephium (Amaryllidaceae) was the first of its kind in the genus Clinanthus. Seven norbelladine-derived alkaloids were identified, of which one was isolated for evaluation of anticholinergic activity. This compound was tested for its inhibitory capacity on cholinesterase enzymes and showed higher activity on butyrylcholinesterase than the reference bioactive alkaloid, galantamine, but lower activity on acetylcholinesterase. To improve the results in terms of inhibition, a molecular docking study was performed on structurally related compounds in the active site of acetylcholinesterase. It was observed crucial interactions between the amino acids of the enzyme and the ligands analysed, which allowed the establishment of structure-activity relationships useful for the design of improved inhibitors. Meanwhile, the phytochemical study of Ambrosia tenuifolia (Asteraceae) allowed the isolation and characterisation of six sesquiterpene lactones. Psilostachins A, B and C were selected as substrates for derivatization due to their abundance and their reactivities were explored by different synthetic approaches to obtain increased diversity and structural complexity, modifying both the substitution pattern and the architecture of the carbon skeleton. This strategy allowed the production of derivatives by oxidation, Michael addition, ring distortion in acidic conditions and formation of molecular hybrids, which resulted in 24 novel structures. In addition, by using an efficient oxidation reaction, the derivatization of the A. tenuifolia extract was carried out, which was complemented with bioguided assays that allowed subsequent purification of the mixture, thus obtaining fractions with high trypanocidal activity against Trypanosoma cruzi parasites. This procedure yielded a series of epoxidised derivatives with moderate to very good trypanocidal properties, some even more active than the reference drug, benznidazole. These observations, together with the assays performed for all sesquiterpene lactones contained in the original plant extract, allowed the identification of key structural motifs for bioactivity. As a subsequent step in the study, different bioinformatics tools were used to explore the mechanism of action of the bioactive sesquiterpene lactones. For this, a ligand-based methodology was first carried out, which included an analysis of molecular descriptors related to bioactivity; these allowed the visualisation of a biologically relevant chemical space and the location of both trypanocidal molecules and synthesised derivatives without reported activity. In this way, a tool for ligand analysis was created to determine which parameters are suitable for finding a possible trypanocidal lead molecule. Furthermore, this chemical space was used to analyse the structural diversity generated by the different reactions on psilostachins, including the exploration of ring distortion and the formation of molecular hybrids. On the other hand, the mechanism of action of these compounds was explored, initially using a bioinformatics methodology to identify and propose possible protein targets involved in trypanocidal activity. The tools used included reverse pharmacophore mapping, molecular docking, and molecular dynamics. This approach suggested four different interacting biomolecules, all involved in the redox metabolism of the parasites. Triphanothione reductase was highlighted for its potential selective inhibition and for being a key link in the redox defence of Trypanosoma. Finally, consistent with the results obtained in the theoretical analysis, biochemical studies were carried out on a Trypanosoma brucei reporter line, confirming the incidence of some trypanocidal sesquiterpene lactones tested on intracellular redox stress. This thesis work has become relevant, since it extends the results to research in different areas such as phytochemistry, organic synthesis, biological chemistry, biochemistry and bioinformatics, thus generating an interdisciplinary and integrated participation of all the parties involved.