Nome do Projeto
Planejamento in silico, síntese, caracterização e avaliação in vitro de novos compostos de coordenação de interesse farmacológico ou medicinal
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
15/09/2021 - 15/09/2025
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Ciências Exatas e da Terra
Resumo
No presente projeto de pesquisa pretende-se realizar um estudo in silico e sintetizar diferentes classes de complexos empregando metais bioessenciais, tais como Cu, Co, Zn e Mn com diferentes classes de ligantes ligantes, especialmente do tipo imínico e carbolinas. Os compostos sintetizados e isolados serão caracterizados por diversas técnicas, incluindo espectroscópicas (ultravioleta-visível e infravermelho), além de análise elementar, espectrometria de massas de alta resolução, análises termogravimétricas, difração de raios X, estudos eletroquímicos e teóricos. Os compostos serão investigados em diferentes processos de importância biológica, tais como antitumoral, antioxidante e antibacteriana. Investigações dos mecanismos moleculares para os compostos bioativos são previstos.

Objetivo Geral

O objetivo principal do presente projeto de pesquisa é o planejamento estrutural, a síntese, caracterização e avaliação das propriedades biológicas, químicas e estruturais de novos compostos de coordenação contendo metais bioessenciais.

Justificativa

A química se mantém em constante expansão no que envolve objetos de pesquisa, interagindo com diversas outras áreas da ciência, que desta forma, adquirem cada vez mais caráter interdisciplinar, levando a respostas mais amplas aos problemas a serem resolvidos. Desta forma, a química inorgânica medicinal oferece oportunidades adicionais para o design de agentes terapêuticos não acessíveis aos compostos orgânicos [1-3]. A ampla variedade de números de coordenação e geometrias, estados redox disponíveis, termodinâmica e cinética, além de propriedades intrínsecas do íon metálico catiônico e o próprio ligante oferece ao químico inorgânico medicinal uma grande variedade de reatividades a serem exploradas [4].
Atualmente, é evidente o rápido avanço no desenvolvimento de novos fármacos inorgânicos ou metalo-orgânicos, ilustrado pelo crescente número de publicações na área, patentes, encontros científicos, bem como novos compostos aprovados ou em estágio avançado, podendo citar o Tiresenox (óxido de arsênio(II)) com uso clínico no tratamento do câncer; o Auranofin (artrite); Fosrenol (Carbonato de Lantânio) em Hiperfosfatemia em doentes renais; Camcolit (Carbonato de Lítio) no tratamento da depressão; Na₂[Fe(CN)₅NO]·2H₂O, um potente vaso dilatador, fonte de óxido nítrico (hipertensão) [5]. Outros exemplos importantes são os complexos de gadolínio(III) [6] utilizados como agentes de contraste em ressonância magnética e os de tecnécio-99, usados na obtenção de imagens cardiovasculares [7]. Nas últimas duas décadas, vários outros complexos de metais à base de titânio, ferro, rutênio, gálio, paládio, prata, ouro, bismuto e cobre chegaram a ensaios clínicos como tratamentos para câncer, malária e doenças neurodegenerativas [8-10]. Um agente de terapia fotodinâmica à base de paládio foi aprovado em 2019 para o tratamento de câncer de próstata pela Agência Europeia de Medicamentos (EMA) [11]. Muitos outros elementos estão sendo ativamente investigados para uma variedade de aplicações médicas.
O potencial terapêutico dos complexos metálicos na terapia do câncer tem atraído muito interesse, principalmente porque os metais exibem características únicas, como atividade redox, modos de coordenação variáveis e reatividade em relação ao substrato orgânico. A descoberta do composto inorgânico, cisplatina, foi ao acaso, mas graças a perspicácia e habilidades científicas de Barnett Rosenberg foi desenvolvido um dos mais eficientes agentes anticâncer da história [12]. O Platinol®, uma marca da cisplatina, foi aprovado em 1978 como uma terapia combinada no tratamento de câncer metastático testicular, ovariano e da bexiga. O câncer de testículo, que matava cerca de 80% dos pacientes, passou a ser curável em 95% dos casos, quando diagnosticados na fase inicial [13]. Também é eficaz em tratamentos de câncer de cabeça e pescoço, cânceres pulmonares de células pequenas. No entanto, essa eficácia foi considerada limitada contra outros tipos de cânceres, causada por mecanismos de resistência intrínseca ou adquirida. Além disso, a natureza de ligação não específica da cisplatina resulta em toxicidades sistêmicas graves, o que reduz a dosagem do fármaco e, consequentemente, sua potência [14]. Inspirados na melhoria da eficácia dos medicamentos à base de platina(II), nas décadas seguintes, diversas propostas de novas metalodrogas surgiram, entretanto, em sua maioria, não se originaram de uma concepção racional, ainda um reflexo da descoberta fortuita da cisplatina. Destes, apenas alguns foram aprovados para uso clínico, incluem a carboplatina e oxaliplatina, que obtiveram aprovação para uso mundial, enquanto nedaplatina, lobaplatina e heptaplatina obtiveram aprovação na Ásia. Coletivamente, esses medicamentos de platina(II) são responsáveis por aproximadamente 50 – 70% do tratamento quimioterápico [15].
Um dos problemas comuns com muitos medicamentos aplicados no tratamento de quimioterapia anticâncer, incluindo derivados de platina, é que atuam de forma não específica, lesando tanto células malignas quanto benignas. Os fármacos agem interferindo com outras funções bioquímicas celulares vitais, por atuarem indistintamente no tumor e tecidos normais de proliferação rápida, como o sistema hematopoiético e as mucosas, o que obriga a interrupção periódica do tratamento para a recuperação do paciente. Os medicamentos à base de platina, incluem fortes efeitos colaterais. As respostas geralmente são dose-dependentes. Além disso, cânceres de vários tipos, incluindo pulmão, colorretal e ovário, são intrinsecamente resistentes a agentes à base de platina [16].
Complexos contendo metais bioessenciais são uma opção atraente como metalofármacos anticâncer, com base no fato de que metais endógenos podem ser menos tóxicos para as células normais e, portanto, podem originar efeitos colaterais menos tóxicos. Esses compostos podem ter um mecanismo de ação diferente dos medicamentos clássicos de Pt e, como tal, também podem potencialmente evitar a quimiorresistência adquirida aos medicamentos atualmente disponíveis [17].
Os compostos organometálicos com atividades antioxidantes têm recebido atenção especial, considerando sua capacidade de proteger sistemas vivos e células de danos causados por estresse oxidativo e/ou radical livre. Os radicais livres causam danos oxidativos a lipídios, proteínas e ácido desoxirribonucleico (DNA), eventualmente levando a doenças como câncer, diabetes, envelhecimento e outras doenças degenerativas em humanos. Complexos com atividades antioxidantes são geralmente doadores de hidrogênio ou doadores de elétrons para o sítio reativo na neutralização dos radicais livres [18]. Esses derivados de complexos metálicos que apresentam atividade antioxidante significativa podem representar uma abordagem interessante para o desenvolvimento de novos medicamentos quimioterápicos [19].
A resistência antimicrobiana tornou-se uma preocupação global. Uma das causas para o surgimento do problema é o uso excessivo e incorreto dos antibióticos existentes, o que levou a evolução de patógenos resistentes à atual biblioteca de agentes antimicrobianos [20]. Bactérias multirresistentes, como Enterococcusfaecium, Staphylococcusaureus, Klebsiella pneumoniae, Acetinobacter baumanii, Pseudomonas aeruginosa e espécies Enterobacteriaceae causam um grande número de vítimas em todo o mundo [21].
O desenvolvimento comercial de novos antibióticos vem diminuindo a cada ano, devido ao retorno desfavorável de investimentos das empresas farmacêuticas no campo. Em julho de 2019, haviam 42 candidatos a antibióticos em ensaios clínicos [22]. Como um comparativo, em 2018 mais de 1100 medicamentos e vacinas entraram em ensaios clínicos como tratamentos de câncer. Além disso, quase 75% dos antimicrobianos em desenvolvimento clínico são simplesmente derivados de antibióticos já conhecidos e usados, o que significa que provavelmente estarão sujeitos aos mecanismos de resistência existentes [22]. Fica, portanto, evidente a necessidade urgente de desenvolvimento de novos antimicrobianos com mecanismos de ação mais eficazes.
Os complexos de metais de transição estão atualmente em desenvolvimento clínico para o tratamento de câncer, malária e doenças neurodegenerativas. No entanto, pouca atenção tem sido dada à sua aplicação como potenciais compostos antimicrobianos. Apesar desses poucos tratamentos à base de metal, o espaço da química inorgânica ainda é amplamente ignorado para aplicações antimicrobianas. Isso é lamentável devido a ampla variedade de estruturas tridimensionais disponíveis através da química de coordenação, o qual é um ponto de partida ideal para a exploração de um novo espaço químico para novos compostos antibióticos [23]. Os compostos antibacterianos à base de metal têm novos modos de ação que fornecem uma vantagem para o tratamento de infecções bacterianas com resistência aos antibióticos convencionais [24].
Considerando os pontos elencados e os resultados preliminares obtidos pelo nosso grupo de pesquisa, o presente projeto de pesquisa tem como objetivo geral o planejamento in silico de novos compostos de coordenação contendo ligantes monodentados, bidentados e tridentados derivados de compostos beta-carbolinas e bases de Schiff, com alvos moleculares proteínas envolvidas no mecanismo de câncer. Os compostos classificados na avaliação in silico serão sintetizados, caracterizados e avaliados quanto a citotoxicidade, genotoxicidade e atividade antitumoral em linhagens celulares tumorais e normais imortalizadas de mamíferos. Estudos buscando elucidar o mecanismo de ação dos novos compostos no ciclo celular e na capacidade de modular o sistema de reparação celular e os processos de replicação do DNA ou inativação do agente mutagênico são previstos. Espera-se que, através da variação de alguns parâmetros estruturais e esteroeletrônicos das moléculas, complexos metálicos com melhores propriedades farmacológicas possam ser descobertos para aplicação em quimioterapia, seja de forma isolada ou combinada com medicamentos em uso clínico. A aprovação desta proposta irá consolidar o desenvolvimento de trabalhos interdisciplinares entre as diferentes áreas envolvidas no projeto. Ainda os compostos serão estudados quanto as suas atividades antioxidantes e antimicrobianas. Prevê-se a ampliação deste trabalho com outras classes de ligantes e alvos biológicos.

Metodologia

1. Estudos In Silico: Serão realizados estudos teóricos para otimizar o processo de síntese de complexos com atividade anticancerígena. Para isso, será implementada uma metodologia ampla para análise de novos compostos de coordenação contendo ligantes monodentados, bidentados e tridentados derivados de beta-carbolinas e bases de Schiff. As simulações de docking molecular serão realizadas com os compostos em alvos inibitórios como a Mcl-1, topoisomerases e DNA com o software AutoDock Vina [25].
Inicialmente, as estruturas tridimensionais das referidas proteínas serão obtidas do banco de dados Protein Data Bank (PDB - https://www.rcsb.org/). A seguir, as estruturas serão selecionadas quanto a presença de ligantes cristalográficos na região do sítio de ligação e em relação aos parâmetros de resolução e qualidade da estrutura. Para avaliar o potencial das estruturas tridimensionais selecionadas como alvos moleculares será determinado o valor de Druggability, que é definido como habilidade em que sítios de ligação do alvo se ligam à compostos com propriedades físico-químicas semelhantes à fármacos. Desse modo, as estruturas selecionadas serão submetidas ao cálculo do Druggability utilizando servidores online como o PockDrug (Pock Druggability Prediction - http://pockdrug.rpbs.univ-paris-diderot.fr/) [26]. O complexo ligante-receptor cristalográfico será refinado por minimização de energia através dos algoritmos steepest descent e gradiente conjugado, com 100 e 10 passos, respectivamente, através do programa Chimera [27]. Em seguida, para validar os alvos moleculares serão utilizadas as estratégias de reancoragem molecular, curva ROC (ROC) e área sob a curva (AUC) [28]. Na validação por reancoragem molecular, os ligantes cristalográficos serão removidos do sítio de ligação com os seus respectivos alvos moleculares e em seguida serão reancorados. As conformações resultantes da reancoragem serão sobrepostos para avaliar a fidelidade conformacional pelo cálculo do desvio quadrático médio (RMSD, do inglês, “Root-mean square deviation”) utilizando o programa Discovery Studio Visualizer. Desse modo, o valor de RMSD resultante da sobreposição dos átomos pesados do ligante reancorado com os do ligante cristalográfico deve ser menor que 2.0Å [29]. A curva ROC (ROC) e área sob a curva (AUC) serão determinadas para cada alvo molecular com o objetivo de avaliar a especificidade e sensibilidade da metodologia em diferenciar moléculas ativas de falsos-positivos. As estruturas dos compostos serão preparadas e ancoradas aos sítios de ligação de seus respectivos alvos moleculares nas coordenadas dos ligantes cristalográficos utilizando o programa MolAr [30], gerando as curvas ROC correspondente para cada alvo. Simulações serão otimizadas com técnicas de deep learning, buscando um escaneamento racional entre os compostos analisados. [31]
2. Síntese dos Compostos Orgânicos Derivados de beta-carbolinas: A síntese dos precursores será feita de maneira semelhante àquela descrita por Lu et al.[32], em que a triptamina precursora será condensada com um aldeído aromático para a formação de uma imina. Feito isso, in situ haverá uma reação do tipo Pictet-Spengler catalisada por um ácido de Lewis para a formação do triciclo; espera-se que o produto desta transformação sofra aromatização também in situ para a obtenção da espécie desejada.
3. Síntese dos compostos orgânicos derivados de Bases de Schiff: A classe de ligantes derivados de bases de Schiff será desenvolvida empregando métodos descritos na literatura.
4. Síntese de Complexos Metálicos [MX2(L)2], onde M trata-se do centro metálico (Cu, Zn, Co, Mn), X um ligante espectador (ex. NO3, Cl, OAC) e L o ligante sob investigação: Os procedimentos de síntese dos complexos serão seguidos através de rotas convencionais descritas na literatura, com os necessários ajustes de acordo com a natureza do ligante (solubilidade, estado físico, estabilidade termodinâmica, pKa, etc). Partiremos de diferentes sais e adutos para complexação com os ligantes, os quais permitirão diferentes esferas de coordenação e reatividade.
5. Caracterização dos pré-ligantes e catalisadores: Os ligantes tridentados bem como os catalisadores serão caracterizados por espectroscopia na região do IV, UV-Vis, RMN (1H, 13C), análise elementar (CHN) e espectrometria de massa de alta resolução (HRMS) utilizando os equipamentos disponíveis na Universidade Federal de Pelotas. Estudos estruturais por difração de raios X de monocristal serão realizados na Universidade Federal de Santa Maria. A obtenção de estruturas de mínimo de energia e simulação dos espectros de UV-Vis serão realizados através de cálculos utilizando a teoria do funcional da densidade (DFT) através do pacote ORCA.
6. Estudos in vitro das atividades biológicas: Ensaios da atividade antioxidante e atividade catalítica SOD e CAT serão investigadas pelo Laboratório de Pesquisa em Farmacologia Bioquímica em colaboração com a professora Ethel Antunes Wilhelm; clivagem de nucleosídeos e interações dos compostos com ct-DNA serão investigadas pelo nosso grupo de pesquisa. Estudos de citotoxicidade, genotoxicidade e mecanismos moleculares serão realizados pelo Laboratório de Genética Molecular da UFCSPA em colaboração com a professora Jenifer Saffi e pelo Laboratório de Pesquisa em Farmacologia Bioquímica. Estudos da atividade antimicrobiana em colaboração com o Prof. Michael Nunes (IFSC). Prevemos ampliar a rede de colaboradores na UFPel para realização dos estudos biológicos.








































































































Indicadores, Metas e Resultados

Este trabalho gerará conhecimento em pesquisa básica e compreende uma equipe multidisciplinar na investigação, desenvolvimento de novos compostos, assim como de potenciais alvos moléculas. As propostas, aqui apresentadas, poderão gerar fármacos para estudos in vivo e investigações clínicas.
Espera-se que as rotas sintéticas propostas gerem os compostos desejados, tendo-se em vista precedente na literatura dando conta de síntese semelhante. A partir dos novos pré-ligantes serão observadas as variações nos pontos de coordenação e os efeitos farmacológicos associados.
Busca-se também implementar uma metodologia racional para o desenvolvimento e reposição de novos fármacos, que poderá otimizar o uso de medicamentos já existentes no sistema de saúde e auxiliar na descoberta de novos tratamentos. A base de dados desenvolvida no estudo da atividade de compostos será disponibilizada online para a comunidade acadêmica, juntamente com os softwares de análise possivelmente desenvolvidos durante o trabalho.
Espera-se que no longo prazo novos fármacos à base de cobre possam ser desenvolvidos, e que o presente trabalho dê uma contribuição de impacto nesse sentido.
A formação de recursos humanos especializados como alunos de iniciação científica e de pós-graduação (voluntários e/ou bolsistas) é uma parte extremamente importante do projeto, bem como oferecer disciplinas específicas sobre os assuntos aqui abordados. Esperamos contribuir cientificamente em conjunto com os alunos de pós-graduação e graduação envolvidos no projeto, divulgando o material científico (resumos em congressos nacionais e internacionais). Contribuição ao desenvolvimento científico, tecnológico e econômico regional, visando à difusão do conhecimento, através de novas pesquisas sobre a descoberta de novos medicamentos potenciais para a terapia do câncer e antimicrobianos. Integração acadêmica entre a UFPel, UFCSPA, UFSM, UFRGS e IFSC.

Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
ADRIANA CASTRO PINHEIRO22
ANDRE FRANCISCO PIVATO BIAJOLI1
DANIELA HARTWIG DE OLIVEIRA1
ETHEL ANTUNES WILHELM1
IANKA JACONDINO NUNES
Jenifer Saffi
KARINE MACIEL DEMARCO
Lucielle Codeim Dresch
MÁRCIO SANTOS DA SILVA1
OSVALDO DE LÁZARO CASAGRANDE JUNIOR
ROBSON DA SILVA OLIBONI1
TAMARA DOS SANTOS MACHADO
WILSON JOAO CUNICO FILHO1
Wesley Vieira Ferreira

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