Diseño, síntesis, evaluación farmacológica y relación estructura-actividad de compuestos pirimidoisoquinolinquinónicos como antibacterianos frente a bacterias Gram positivo

Abstract

La resistencia a agentes antibacterianos es un problema creciente de salud pública mundial, que afecta al tratamiento de las enfermedades infecciosas, reduciendo la eficacia de los antibacterianos disponibles, provocando un aumento de la mortalidad y morbilidad de los pacientes. De no generarse iniciativas innovadoras que busquen resolver este problema, se proyecta que, a nivel mundial, en el año 2050 habrá alrededor de 10 millones de muertes causadas por microorganismos resistentes, con costos estimados en 100 trillones de dólares. Lamentablemente, la industria farmacéutica ha ido dejando de lado la investigación en esta área lo que se refleja en la aprobación de solo 10 fármacos por la FDA, durante los últimos 10 años, ninguno de ellos con nuevos mecanismos de acción. Es por esto que se debe promover e incentivar el desarrollo de una mayor cantidad de compuestos antibacterianos, distintos a los ya conocidos. Dentro de las familias de compuestos interesantes a investigar se encuentran los compuestos que poseen núcleos quinónicos, los cuales han demostrado tener un efecto antimicrobiano de amplio espectro. En esta línea, nuestro grupo de investigación ha publicado recientemente la síntesis y evaluación antibacteriana de una serie de compuestos arilmercapto-pirimidoisoquinolinquinónicos, que demostraron ser activos frente a bacterias prototipo Gram positivo y aislamientos clínicos multirresistentes, mostrando ser hasta 128 veces más potente que vancomicina frente a aislamientos de Enterococcus faecium y sin actividad sobre bacterias Gram negativas. Además, no redujeron la viabilidad celular en células humanas ni animales. Estos resultados hacían necesario abordar el diseño desde una perspectiva racional para optimizar su actividad. En este trabajo se utilizaron diversas estrategias de diseño de fármacos que permitieron orientar la síntesis de nuevos compuestos y obtener información precisa de la relación estructura-actividad de esta familia. Se diseñaron y sintetizaron 55 nuevos compuestos quinónicos que presentaron actividad antibacteriana con CIM entre 64 y 0,5 μg/mL, en bacterias Gram positivo, donde los compuestos 28 y 29 mostraron ser los más activos. Destacable fue el resultado de los compuestos 17 y 33, que presentaron actividad sobre Klepsiella pneumoniae con CIM de 64 μg/mL, una bacteria Gram negativa. Además, los compuestos 28 y 29, no mostraron reducción en la viabilidad celular de manera significativa a concentraciones CIM en las líneas celulares N2a y SH-SY5Y. Los modelos 3D-QSAR desarrollados demostraron robustez estadística y fueron validados tanto interna como externamente. El modelo CoMFA indicó que los parámetros electrónicos y estéricos modulan en un 52,3% y 47,7% la actividad antibacteriana, respectivamente. Por su parte, los mapas de contorno mostraron que las sustituciones voluminosas en posiciones 3’ y 4’ del anillo tiofenólico favorecen la actividad antibacteriana. Por otra parte, el modelo CoMSIA señaló que los parámetros electrónicos e hidrofóbicos son los principales moduladores de la actividad con contribuciones de un 42,7% y 32,9%, respectivamente. Los mapas de contorno CoMSIA, muestran que la actividad se ve favorecida con sustituciones hidrofóbicas y electrodonoras en la posición 4’ del anillo tiofenólico, en cambio, para la posición 2’ deben utilizarse sustituyentes electroatractores e hidrofílicos. Finalmente, se sintetizaron 13 péptidos catiónicos dentro de los cuales, el PEP8 presentó valores de actividad antibacteriana entre 64 y 256 ug/mL en un screening con bacterias prototipo Gram positivo y negativo. Estableciéndose en los estudios de sinergia entre los complementos Pep8/Compuesto 28 y Pep8/Compuesto 29, características de indiferencia. Estos resultados mostraron que los compuestos 28 y 29 tienen una clara proyección como compuestos líderes de esta familia, y la relación estructura-actividad cuali y cuantitativa, permitirán el posterior desarrollo de nuevos compuestos con mayor actividad antibacteriana.

Resistance to antibacterial agents is a growing problem of global public health, which affects the treatment of infectious diseases, reducing the effectiveness of available antibacterials, causing an increase in mortality and morbidity of patients. If innovative initiatives that seek to solve this problem are not generated, it is projected that, worldwide, in the year 2050 there will be around 10 million deaths caused by resistant microorganisms, with costs estimated at 100 trillion dollars. Unfortunately, the pharmaceutical industry has been leaving research in this area which is reflected in the approval of only ten drugs by the FDA, during the last ten years, none of them with new mechanisms of action. Due to this is why it is necessary to promote and encourage the development of a greater quantity of antibacterial compounds, different from those already known. Among the families of interesting compounds to investigate are the compounds that possess quinonic core, which have been shown to have a broad spectrum antimicrobial effect. In this line, our research group has recently published the synthesis and antibacterial evaluation of a series of arylmercapto-pirimidoisoquinolinquinónicos compounds, which proved to be active against Gram-positive prototype bacteria and multiresistant clinical isolates, showing to be 128 times more potent than vancomycin versus isolates of Enterococcus faecium and without activity on Gram-negative bacteria. Besides, they did not reduce cell viability in human or animal cells. These results made it necessary to approach the design from a rational perspective to optimize its activity. In this work, various drug design strategies were used to guide the synthesis of new compounds and obtain accurate information on the structure-activity relationship of this family. We designed and synthesized 55 new quinonic compounds that showed antibacterial activity with MIC between 64 and 0.5 μg/mL, in Gram-positive bacteria, where compounds 28 and 29 were the most active. Remarkable was the result of compounds 17 and 33, which showed activity on Klebsiella pneumoniae with MIC of 64 μg/mL, a Gram-negative bacterium. Besides, compounds 28 and 29 showed no reduction in cell viability significantly at MIC concentrations in the N2a and SH-SY5Y cell lines. The developed 3D-QSAR models demonstrated statistical robustness and were validated both internally and externally. The CoMFA model indicated that the electronic and steric parameters modulate the antibacterial activity in 52.3% and 47.7%, respectively. On the other hand, the contour maps showed that voluminous substitutions in positions 3' and 4' of the thiophenolic ring are favoring the antibacterial activity. On the other hand, the CoMSIA model indicated that the electronic and hydrophobic parameters are the main modular of the activity with contributions of 42.7% and 32.9%, respectively. The CoMSIA contour maps show that the activity is favored with hydrophobic and electrodonal substitutions in the 4' position of the thiophenolic ring, however, for the 2' position, electroatractable and hydrophilic substituents must be used. Finally, 13 cationic peptides were synthesized within which, Pep8 presented values of antibacterial activity between 64 and 256 μg/mL in a screening with prototype Gram-positive and Gram-negative bacteria. Establishing itself in the studies of synergy that between the complements (peptide/compound) Pep8/28 and Pep8/29, characteristics of indifference. These results showed that compounds 28 and 29 have a clear projection as leading compounds in this family, and the qualitative and quantitative structure-activity relationship will allow the subsequent development of new compounds with better antibacterial activity.