German Title: Computergestütztes Wirkstoffdesign gegen den Folat- & Biopterinstoffwechselweg von Parasiten, die vernachlässigte Tropenkrankheiten verursachen

Preview

PDF, English - main document Download (284MB) | Terms of use

Abstract

The neglected tropical diseases leishmaniasis, Chagas disease and African trypanosomiasis, are inflicted by different trypanosomatid parasites and continue to spread. The limited number of available treatment options suffer from side effects and resistance issues, creating a need for novel anti-parasitic medicines. A target pathway of interest for developing anti-trypanosomatidic agents is the folate and biopterin metabolism. Trypanosomatids are auxotrophs for these metabolites and depend on their reductive activation by dihydrofolate reductase (DHFR) and pteridine reductase 1 (PTR1). However, inhibition of the anti-cancer and anti-bacterial target DHFR failed in trypanosomatids, since PTR1 provides a metabolic bypass of the DHFR activity. Thus, targeting of more than a single protein is required to interfere with the trypanosomatidic folate and biopterin pathway function. PTR1 is unique to the parasites, whereas DHFR has a human homolog representing an important off-target for compound development. Comparative studies of the sequences, structural data and physicochemical properties of the binding pockets were carried out for PTR1 and DHFR. The computational mapping revealed similarities between the different trypanosomatidic targets and important differences to human off-targets, which were translated into guidelines for the optimization of specific inhibitors of the parasitic target enzymes. Comparative modeling of ten further Leishmania major folate and biopterin pathway proteins expanded the comparison to a near-complete folate pathway pocketome and three biopterin-binding enzyme pockets. From this analysis, further potential off-targets for PTR1-specific inhibitors and additional side targets, for example the methylene tetrahydrofolate reductase or the folylpolyglutamate synthase, were suggested. Structure-based design and optimization were then carried out based on the target mapping. Building on previously developed thiadiazole-based Leishmania major PTR1 inhibitors, computational docking supported the determination of a structure-activity relationship (SAR) and the design of more effective thiadiazole-based and benzothiazole-based Trypanosoma brucei PTR1 inhibitors. Docking approaches further revealed the SAR for flavonoid inhibitors of different PTR1 variants and allowed for the proposal of core-hopping strategies. Novel pteridine-based inhibitors permitted the combined selective targeting of PTR1, with picomolar binding affinity, and parasite DHFR. Their design and SAR evaluation was informed by the computational docking predictions and additional efforts to improve the in vitro on-parasite effect on the basis of computationally predicted physicochemical compound descriptors supported the development of compounds with low micromolar in vitro activity against T. brucei bloodstream forms. Computational docking-derived SARs and their use in the design of improved inhibitors were thus successfully coupled with comparative mapping of protein binding pockets and computation-based optimization routines beyond the target level. This computational framework is applicable to the future development of anti-trypanosomatidic agents with different chemical scaffolds.

Translation of abstract (German)

Von Parasiten der Gruppe Trypanosomatida verursachte vernachlässigte Tropenkrankheiten, wie Leishmaniose, Chagas-Krankheit und Afrikanische Trypanosomiasis, breiten sich zunehmend aus. Wenige vorhandene Medikamente, Resistenzen und Nebenwirkungen machen die Entwicklung neuer anti-parasitärer Wirkstoffe notwendig. Ein hierfür interessanter Stoffwechselweg ist der Folat- und Biopterinmetabolismus, da Trypanosomatida für diese Stoffwechselprodukte auxotroph und abhängig von ihrer Aktivierung durch Reduktion mittels Dihydrofolatreduktase (DHFR) und Pteridinreduktase 1 (PTR1) sind. Die Inhibition von DHFR wird im Kontext von Krebsmedikation und anti-bakteriellen Wirkstoffen genutzt, schlug jedoch in Trypanosomatida fehl, da PTR1 die Möglichkeit zur Überbrückung der blockierten DHFR-Aktivität bietet. Die Beeinflussung der Funktion des Folat- und Biopterinstoffwechsels von Trypanosomatida muss daher mehr als ein einzelnes Zielprotein berücksichtigen. PTR1 kommt ausschließlich im Parasiten vor, während DHFR ein homologes Enzym im Menschen besitzt, dessen unerwünschte Manipulation in der Wirkstoffentwicklung vermieden werden muss. Unter Berücksichtigung von Sequenzen, Strukturdaten und physikochemischen Eigenschaften der Bindetaschen, wurden für PTR1 und DHFR vergleichende Studien durchgeführt. Diese computergestützte Kartierung enthüllte Gemeinsamkeiten zwischen unterschiedlichen Zielproteinen in Trypanosomatida sowie Unterschiede zu den unerwünschten menschlichen Homologen, die zur Erstellung von Richtlinien für die Optimierung spezifischer Inhibitoren parasitärer Zielproteine verwendet wurden. Homologiemodellierung von zehn weiteren Enzymen des Folat- und Biopterinstoffwechsels von Leishmania major erweiterte die vergleichende Analyse um den nahezu vollständigen Satz an Bindetaschen im Folatstoffwechsel und drei zusätzliche Biopterin-bindende Proteine. Dabei wurden Proteine identifiziert, deren unerwünschte Beeinflussung von PTR1-spezifischen Inhibitoren verursacht werden könnte. Auch konnten zusätzliche potentielle Zielproteine, wie die Methylentetrahydrofolatreduktase oder die Folylpolyglutamat-Synthase gefunden werden. Auf Basis der Kartierung dieser Zielproteine wurden anschließend strukturbasiertes Wirkstoffdesign und weitere Optimierung von Wirkstoffen durchgeführt. Auf bereits bekannte Thiadiazol-basierte Inhibitoren von Leishmania major PTR1 aufbauend, wurde die Ermittlung einer Struktur-Aktivitätsbeziehung (SAR, von engl. structure-activity relationship) und die Entwicklung verbesserter Thiadiazol- und Benzothiazol-basierter Trypanosoma brucei PTR1 Inhibitoren mittels computergestützten Dockingsimulationen ermöglicht. Dockingsimulationen zeigten weiterhin die SAR von Flavonoid-basierten Inhibitoren verschiedener PTR1-Varianten und regten somit Strategien zum Austausch der Wirkstoff-Grundstruktur an. Neue Pteridin-basierte Inhibitoren erlaubten die Kombination einer Wirkung auf PTR1 mit picomolaren Bindeaffinitäten mit selektiver Wirkung auf parasitäres DHFR. Ihr Design und die Ermittlung einer SAR wurden durch computergestützte Dockingvorhersagen geprägt. Weitere Anstrengungen, den in vitro-Effekt auf den Parasiten mittels vorhergesagter physikochemischer Deskriptoren der untersuchten Stoffe zu verbessern, unterstützten die Entwicklung von Wirkstoffen mit geringer mikromolarer in vitro-Aktivität gegen die im Blut eines Wirtes zu findende Form von T. brucei. Die so entwickelten SAR-Modelle und ihre Anwendung in der Entwicklung verbesserter Inhibitoren wurden daher erfolgreich mit der vergleichenden Kartierung von Proteinbindetaschen und rechnergestützten Optimierungsroutinen jenseits des Zielprotein-Levels gekoppelt. Dieses computergestützte Rahmenwerk lässt sich für zukünftige Entwicklungen neuer Wirkstoffe gegen Trypanosomatida mit unterschiedlichen chemischen Strukturen anwenden.