1. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Palestra Científica
Antibióticos – Uma luta sem fim
Prof. Gustavo Pozza Silveira
gustavo.silveira@iq.ufrgs.br
www.iq.ufrgs.br/biolab
1
2. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
PNs como candidatos a Drogas
Produtos naturais (PNs) são entidades
químicas produzidas por organismos vivos.
Metabólitos secundários, ou seja,
metabólitos que não são diretamente
essencias para a sobrevivência do
hospedeiro, são de especial interesse para
o desenvolvimento de drogas
São tipicamente produzidos por organismos
vivos como bactérias, plantas ou
invertebrados marinhos sendo geralmente
utilizados como “defensores químicos”
para defender organismos de predadores,
ou, utilizados como arsenal de ataque.
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2
3. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
PNs como Drogas
2000 a 2006: 26 PNs derivados de plantas estavam em algum estágio de
desenvolvimento de drogas.
2005: drogas derivadas de PNs registraram U$ 18 bilhões em vendas.
A diversidade de PNs está expandindo continuamente sendo recentemente
incluida moléculas originadas em águas profundas e oceanos congelados.
PNs apresentam grande impacto na descoberta e desenvolvimento de drogas
anti-bacterianas (antibióticos) e drogas para o tratamento de cancer.
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3
4. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Protótipos a Partir da Natureza
Extrato de Plantas
Morfina
Flor da papola
Algafan (propoxifeno)
Efeito analgésico
Grande dependência química
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4
5. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Protótipos a Partir da Natureza
Extrato de Plantas
• COCA - Cocaina
• CINCHONA - Quinina
• Teixo - Taxol
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5
6. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Protótipos a Partir da Natureza
Extrato de Plantas – Semi síntese e síntese
SALGUEIRO - ácido salicílico
O
O
OH
OH
OH
Acetic
anhydride
O
CH3
O
Aspirina
COCA - COCAINE
Me
N
CH3
CO2Me
N
H
O
O
CH3
C
H
O
C
NH2
O
Procaina
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6
7. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Protótipos a Partir da Natureza
PLANTAS E MEDICINA MILENAR
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7
8. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Protótipos a Partir da Natureza
PLANTS AND ANCIENT RECORDS
CH3
H
O
H3 C
O
O
H
H
O
CH3
H
O
ARTEMISININA
(Malária)
Medicina Chinesa
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8
9. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Protótipos a Partir da Natureza
Florestas – fonte inimaginável de PNs interessantes
Será que nós brasileiros conseguiremos explorá-la?
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9
10. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Protótipos a Partir da Natureza
QUÍMICA MEDICINAL MARINHA DE CORAIS
CH3
OMe
S
N
CH3
H
H
CURACINA
Interage com tubolinas
Baixa solubilidade oral
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10
11. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Protótipos a Partir da Natureza
MICRO-ORGANISMS
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11
12. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Protótipos a Partir da Natureza
MICRO-ORGANISMS
R
•
•
•
•
•
PENICILINA
CEFALOSPORINAS
TETRACICLINAS
ESTREPTOMICINA
CLORANFENICOL
www.iq.ufrgs.br/biolab
H H H
NH
O N
S
CH3
HN
H
H HN C NH2
R OC N H H S
H2N C NH
N
CH3
H
O
H
OH
OH O H OH 2H
O
N CO O OAc
HO
OH
O H
OH
NH2
CO2H
H
O
H
O
OH
CHO
H
Me
H
Me HO
Cl
NMe2
OH
HO H
H
O
O2N O
HO
CH2OH
CH2OH
H MeHN
HN H
H
H
C
OH H
CHCl2
O
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13. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Protótipos a Partir da Natureza
O
VENONOS E TOXINAS
C OH
O
Teprotide
(inibidor ACE)
C
C
O
O
H2N CH C
N CH C
H
CH2
CH2
CH2
C O
OH
N
O
N CH C
H
CH2
O
C
O
O
N CH C
H
CH2
N
O
H
N CH C
N
CH CH3
CH2
CH2
C O
CH2
N
CH3
NH2
O
CH2
C OH
NH
HN
O
C NH
C
NH2
HS
N
CH3
Captopril
(anti-hipertensivo)
Jararaca
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14. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Protótipos a Partir da Natureza
VENONOS E TOXINAS
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14
15. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Protótipos a Partir da Natureza
VENONOS E TOXINAS
MeO
N
HO
O
H3 C
H3 C
H
CH 3
CH 3
H
O
N
OH
OMe
Tubocurarine
(curare)
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16. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Protótipos a Partir da Natureza
MeO
VENOMS AND TOXINS
HO
O
H3 C
H3 C
H
CH 3
N
CH 3
H
O
N
OH
OMe
Tubocurarine
(from curare)
MeO
MeO
N
CH 3
O
O
C
C
O
OMe
OMe
(CH 2)5
O
OMe
H
N
OMe
MeO
OMe
Atracurium
(Neuromuscular blocker)
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16
17. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Protótipos a Partir da Natureza
ENDOGENOUS COMPOUNDS
NATURAL LIGANDS FOR RECEPTORS
OH
HO
OH
H
N
Me
HO
H
N
Agonist
HO
HO
ADRENALINE
SALBUTAMOL
NH2
HO
NMe2
MeHN
N
H
5-HYDROXYTRYPTAMINE
O
Agonist
S
O
N
H
SUMATRIPTAN
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17
18. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Protótipos a Partir da Natureza
ENDOGENOUS COMPOUNDS
NATURAL LIGANDS FOR RECEPTORS
OH
HO
H
N
O
OH
Antagonist
N
H
Me
HO
ADRENALINE
PROPRANOLOL
Me
NH2
HN
N
HISTAMINE
S
HN
N
H
N
NHMe
CN
Antagonist
CIMETIDINE
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18
19. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
PNs como Drogas
Apresentam atividade frente a múltiplos alvos proteicos…Portanto, são
consideradas “Estruturas previlegiadas” que evoluiram na natureza
produzindo essas propriedades. Assim, são scaffolds pré-validados (evolução
natural) que podem ser utilizados como ponto de partida para o planejamento
de bibliotecas de compostos.
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19
25. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Problemas PNs
(Química Medicinal)
- NPs often are too complex to
pursue and synthesize.
- Sructures are large for
medicinal chemistry research.
- Often are not available in
sufficient amounts from
natural sources for further
development.
To overcome these limitations and provide naturalproduct-like and naturalproduct-inspired biologically relevant compound collections, diversity oriented
synthesis (DOS) and biology oriented synthesis (BIOS) have been introduced
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26. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Espaço Químico
Espaço Químico (azul claro) e
espaços discretos ocupados por
compostos com afinidade específica
com biomoléculas: major gene
families (brown); specific gene
families: proteases (purple), lipophilic
GPCRs (blue) and kinases (red)).
Verde: espaço ocupado por moléculas
contendo propriedades ADME
previlegiadas.
Drug-likeness
Richard Lipinsky
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26
27. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Espaço Químico PNs vs
Compostos Bioativos
Preto: Espaço Químico de
compostos bioativos em
Química Medicinal (WOMBAT)
Verde: Espaço Químico de PN
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28. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Como Achar a Agulha no
Palheiro?
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28
29. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Árvore de Scaffolds - PNs
Classificação hierárquica baseada em Scaffolds de PNs (SCONP).
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30. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Coleções Derivadas de PNs
Scaffold idêntico ao scaffold do
produto natural.
Scaffold é basicamente obtido pela
desmonte do produto (natural
síntese também possível).
O padrão de substituição é
determinado pela reatividade do
scaffold presente na estrutura do
PN.
Sem variação na estereoquímica.
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31. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Morfina
Classificação baseada em SCONP revela furos na deconvolução de PNs.
Nenhum PN tetracíclico derivado da morfina é conhecido e apenas 1
derivado tricíclico foi encontrado na natureza.
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32. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Derivados Sintéticos - Morfina
Derivados tetracíclicos da morfina transformaram-se em drogas comerciais!
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33. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Agrupamento de estruturas
proteicas por similaridade (PSSC)
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34. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
PSSC (Exemplo)
3 enzimas possuem < 10% de similaridade e não possuem
relação mecanistica.
Sítios catalíticos superpostos para Cdc25A (fosfatase- vermelho), 11bHSD1
(metabismo glicólise - verde) e AChE (azul). Principais residos catalíticos
mostrando na representação de espaço preenchido Cys-430 (Cdc25A), Tyr183 (11bHSD1) e Ser-200 (AChE).
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34
37. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
PNs com massa molecular < 1000 g/mol e respectivo número de aneis em
suas estruturas
Foco em construção de bibliotecas contendo de 2 a 4 aneis parece ser
interessante.
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38. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Coleções Inspiradas em PNs
Scaffold relaciona-se a estrutura básica do
PN.
Scaffold geralmente contruido por síntese
de novo.
Substituintes são introduzidos durante as
etapas sintéticas.
Padrão de substituição pode se diferenciar
do padrão presente no PN.
Estereoquímica pode variar.
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39. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Regras para obtenção de
scaffolds
•
•
•
•
•
•
•
•
1. Remover Heterociclos de 3 mesmbros.
2. Não remover aneis acima de 12 átmomos se ainda existirem aneis
menores para serem removidos.
3. Escolher o scaffold pai que possua o menor número de ligantes
acíclicos.
4. Preferencialmente mater aneis em ponte, spiro e padrões não lineares
de aneis.
5. Aneis em ponte são mantidos preferencialmente em relação a espiro.
6. Remover anéis de 3, 5 e 6 membros.
7. Um sistema aromárico não pode ser quebrado de uma forma que resulte
em um sistema não aromático.
8. Remover primeiro aneis com o menor número de heteroátomos.
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40. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Regras para obtenção de
scaffolds
•
•
•
•
9. Se o número de heteroátomos é igual, a prioridade é manter aneis com
heteroátomos na seguinte ordem: N > O > S.
10. Menor anel é removido.
11. Em sistemas mistos Aromático/não aromático, manter aneis não
aromáticos como prioridade.
12. Remover primeiro o anel que esteja ligado a um “linker” que por sua vez
esteja ligado a um anel heteroaromático em ambos os lados do “linker”.
Tiebreaking Rule.
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41. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Obtendo o Scaffold
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42. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Síntese Biologicamente Orientada (BIOS)
Perceba que todos os produtos são derivados de um mesmo scaffold
através da deconvolução
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43. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Síntese Biologicamente Orientada (BIOS)
BIOS utiliza a estratégia
de síntese baseada em
fragmentos
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44. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Exemplo BIOS
Inibidor
11bHSD1
Biblioteca 483 decalinas baseadas em
VI (scaffold alternativo de GA) gerou
71.
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45. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Exemplo BIOS
A yohimbine e ajmalicine (alcaloides complexos) identificados como inbidores de
fosfatase Cdc25A. Simplifacação estrutural dayohimbine (1) utilizando-se BIOS
Levou a identificação de scaffolds com 4, 3, 2(indol) aneis.
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46. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Lead Oriented Synthesis (LOS)
Fail B: grupos indesejados
presentes na molécula.
The overall number of newly approved ‘‘new chemical entities’’ has decreased
in the past 10 years and does not reflect the increase in compound collection
size, research effort or financial investments.
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47. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
>50% dos PNs possuem scaffolds contem de 2 a 4 aneis.
Tamanho certo para serem utilizados como scaffolds na diversificação
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48. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Como procurar por produtos naturais que
sejam interessantes de serem utilizados
como Scaffold?
Bases de dados da Industria!!!!
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52. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Conclusão
Inspirar-se em Produtos Natuais é uma Grande
oportunidade para Químicos Sintéticos!!!
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53. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
g-Lactonização de Marino
Marino, J. P.; Neisser, M. J. Am. Chem. SOC. 1981, 103, 7687.
Dois novos centros quirais são produzidos a partir da transferência de
quiralidade do sulfóxido.
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53
54. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Síntese Enantiosseletiva da (−)Fisostigmina - Marino
Marino et al JACS 1992, 5566
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54
55. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
g-Lactamização Enantiosseletiva
Silveira, G. P.; Marino, J. P. JOC 2013, 3379
www.iq.ufrgs.br/biolab
55
56. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Primeiras lactamas obtidas com
alta re por g-lactamização
Silveira, G. P.; Marino, J. P. JOC 2013, 3379
www.iq.ufrgs.br/biolab
56
57. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Primeiras lactamas obtidas com
alta re por g-lactamização
Silveira, G. P.; Marino, J. P. JOC 2013, 3379
www.iq.ufrgs.br/biolab
57
58. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Primeiras lactamas obtidas com alta
re
Silveira, G. P.; Marino, J. P. JOC 2013, 3379
www.iq.ufrgs.br/biolab
58
59. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Primeiras lactamas obtidas com
alta re
Silveira, G. P.; Marino, J. P. JOC 2013, 3379
www.iq.ufrgs.br/biolab
59
60. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Ceftobiprole
Ceftobiprole (Zeftera/Zevtera) antibiótico cefalosporínico de 5ª geração com
atividade frente a methicillin-resistant Staphylococcus aureus, penicillinresistant Streptococcus pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa e enterococci.
www.iq.ufrgs.br/biolab
60
61. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Baixa
solubilidade
oral em
camundongos.
Drug
4a(E)
4d(E)
4a(Z)
4b(Z)
4c(Z)
S. aureus
0.39
0.39
0.29
0.27
0.33
MIC (mg/mL)
E. faecalis
E. coli
1.69
0.195
0.57
0.143
7.3
0.097
3.6
0.167
6.8
0.23
K. pneumoniae
0.18
0.105
0.041
0.09
0.132
Yamamoto, H. et al. Bioorg. Med. Chem. 2000, 8, 43.
www.iq.ufrgs.br/biolab
61
63. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Projeto PVE – CAPES/CNPq (Prof. Shahriar Mobashery)
Estudo de mecanismos de resistência a antibióticos aminoglicosídicos e blactâmicos – processos biossintéticos e de degradação da parede celular de
bactérias.
IH = 46. > 300 artigos científicos
www.iq.ufrgs.br/biolab
63
64. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Screening rápido de pequenas
moléculas frente a patógenos
microbianos.
www.iq.ufrgs.br/biolab
64
65. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Placas são incubadas por 18 h a 36 C
Placas são lidas para
determinação de CIM
Bibliotecas de ~100 novos
compostos podem ter suas CIMs
facilmente determinadas em 24h.
www.iq.ufrgs.br/biolab
65
66. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Doação Prof. Marino
~ R$ 200.000
Material Permanente
www.iq.ufrgs.br/biolab
66
67. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
Instituto de Química - UFRGS
CNANO + central analítica = 5 RMNs
(2) 300MHz; (2) 400MHz; (1) 500 MHz
PPG em Química Nivel 7
www.iq.ufrgs.br/biolab
67
68. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
University of Notre Dame
Bolsa de Pós Doutorado
disponível para 3 anos
(R$ 4100)
Bolsa de doutorado sanduíche
disponível – Projeto PVE
(Passagens + auxílio instalação
inclusos para 12 meses)
www.iq.ufrgs.br/biolab
68
69. SBQsul - 2013
Prof. Gustavo Pozza Silveira
University of Notre Dame
Bolsa de doutorado sanduíche
disponível – Projeto PVE
(Passagens + auxílio instalação
inclusos para 12 meses)
www.iq.ufrgs.br/biolab
69