Deciphering the molecular descriptors that modulate the therapeutic applications of bisphosphonates as pathological deposition inhibitors and antiresorptive bone drugs for a further rational design of new drugs based on crystal growth inhibitors

Abstract

[eng] Bisphosphonates, BPs, are a drug family that has been used as the first choice in the treatment of a broad variety of bone resorption related diseases (osteoporosis, Paget’s disease, etc.) and has been proposed for the treatment of some pathological calcifications. Their therapeutic applications are based on the bisphosphonates’ affinity for hydroxyapatite and the ability to inhibit the crystal growth. These drugs are adsorbed mainly on the bones. Therefore, these molecules mainly act in osteoclasts provoking the apoptosis of these cells. The selective apoptosis of osteoclasts lead to restore the equilibrium between the bone resorption and bone formation processes. Nitrogen-containing bisphosphonates, NBPs, are the BPs that have shown the highest antiresorptive action. Their major therapeutic action is due to their capacity to inhibit the Farnesyl Pyrophosphate Synthase (hFPPS), an enzyme located in the metabolic path of mevalonate that is responsible of producing vital metabolites for the cellular survival. In the current dissertation, it has been done a study by means of different computational techniques (3D-QSAR, molecular modelling and molecular dynamics simulations) to determine the molecular descriptors that modulate the therapeutic applications of bisphosphonates with the aim to design new BPs and to extrapolate this information to obtain new drug families. On the one hand, it has been studied the adsorption of a set of BPs, and other calcic salts, on a modelled hydroxyapatite (001) surface. On the other hand, it has studied the binding of a set of NBPs, and of the natural substrate, to the active site of the hFPPS enzyme. The molecular descriptors should provide a high affinity for the HAP surface as well as good inhibition values of the hFPPS action. These molecular requirements have been settled as the presence of a hydroxyl group in the R1 side chain of BPs, the hydrophobic character of the R2 side chain and the charge of R2, which shows contrary effects on the adsorption on the HAP surface and on the inhibition of the hFPPS enzyme. A major number of negatively charged groups at R2 enhance the affinity for the HAP surface. However, positively charged groups at R2 allow stabilize the molecule into the active site of the hFPPS. Thus, to obtain a comprehensive action it is required that functional groups at R2 could be easily protonated and/or deprotonated. Based on the obtained molecular descriptors it has been proposed new molecules capable to inhibit the crystal growth of HAP by introducing negatively charged groups at R2, and/or molecules capable to inhibit the hFPPS enzyme by introducing positively charged groups at R2. Three molecules have been proposed to meet these requirements: the RA-1compound, a drug used in the treatment of the Chagas’ disease, shows an inhibition potency of the hFPPS similar to the most powerful NBPs; and two citrate analogues, the PHCA compound, which shows a better adsorption energy on the HAP surface than the clinically used BPs, and CIT-A, which is able to bind to the active site and to stabilize the inhibited conformation of the hFPPS enzyme.

[spa] Los bifosfonatos, BPs, son una familia de fármacos que se utilizan como primera opción en el tratamiento de diversas enfermedades relacionadas con la resorción ósea (osteoporosis, enfermedad de Paget, etc.) y han sido propuestos para el tratamiento de ciertas calcificaciones patológicas. Sus aplicaciones terapéuticas se basan, por un lado, en la alta afinidad de estos fármacos por la hidroxiapatita y en su capacidad de inhibir el crecimiento del cristal. Estos fármacos son adsorbidos principalmente en los huesos, actuando específicamente en los osteoclastos, provocando la apoptosis de dichas células. La apoptosis selectiva de los osteoclastos permite reajustar el desequilibrio entre los procesos de formación y resorción ósea. Los nitrógeno-bifosfonatos, NBPs, son los BPs que han mostrado un mayor poder antiresorptivo. Su mayor acción terapéutica se debe a su capacidad de inhibir la enzima Farnesil Pirofosfato Sintasa (hFPPS), una enzima que se localiza en la ruta metabólica del mevalonato y que es responsable de la producción de metabolitos vitales para la supervivencia celular.

En esta tesis se ha realizado un estudio con diversas técnicas computacionales (3D-QSAR, molecular modelling y simulaciones de dinámica molecular) para determinar los descriptores moleculares que modulan las aplicaciones terapéuticas de los bifosfonatos con el fin de diseñar nuevos BPs y de extrapolar esta información para obtener nuevas familias de fármacos. Por un lado, se ha estudiado la adsorción de los BPs, y otras sales cálcicas, sobre un modelo de la superficie (001) de la hidroxiapatita (HAP). Por otra parte, se ha realizado el estudio del binding de un conjunto de NBPs, así como del sustrato natural, al sitio activo de la enzima hFPPS. Los descriptores moleculares deben proporcionar una elevada afinidad del compuesto por la superficie de la HAP y también unos buenos valores de inhibición de la hFPPS. Estos requerimientos son la presencia de un grupo hidroxilo en la cadena lateral R1 de los bifosfonatos, la hidrofobicidad de la cadena lateral en R2 y la carga de la cadena en R2, la cual presenta efectos contrarios en la adsorción sobre la HAP y en la inhibición de la hFPPS. Un mayor número de grupos funcionales cargados negativamente en la cadena lateral R2 aumenta la afinidad por la superficie de la hidroxiapatita. En cambio, la presencia de grupos cargados positivamente en R2 permiten mantener el fármaco en el interior del sitio activo de la enzima hFPPS. Por tanto, para una acción completa se requieren compuestos con grupos con facilidad para ser protonados y desprotonados. A partir de los descriptores moleculares obtenidos se han propuesto nuevos compuestos orientados a inhibir el crecimiento cristalino mediante la introducción de grupos cargados negativamente en R2, y/o fármacos orientados a inhibir la acción de la enzima hFPPS con la introducción de grupos R2 cargados positivamente. Tres candidatos han sido propuestos que cumplen con los requisititos anteriormente descritos: el RA-1, fármaco utilizado en la enfermedad de Chagas, presenta valores de inhibición de la hFPPS similares a los NBPs más potentes; y dos derivados del citrato, el PHCA, que muestra valores de adsorción sobre la hidroxiapatita mejores que los BPs utilizados clínicamente, y el CIT-A, capaz de unirse al sitio activo y estabilizar la conformación inhibida de la enzima hFPPS.

[cat] Els bifosfonats, BPs, són una família de fàrmacs que s’utilitzen com a primera opció en el tractament de diverses malalties relacionades amb la resorció òssia (osteoporosis, malaltia de Paget, etc.) i han sigut proposats per al tractament de certes calcificacions patològiques. Les seves aplicacions terapèutiques es basen, per una banda, en l’alta afinitat d’aquests fàrmacs per la hidroxiapatita i en la seva capacitat d’inhibir el creixement del cristall. Per altra banda, aquestes molècules són adsorbides principalment en els ossos, actuant específicament en els osteoclasts, provocant l’apoptosi d’aquestes cèl·lules. L’apoptosi selectiva dels osteoclasts permet reajustar el desequilibri entre els processos de formació i resorció òssia. Els nitrogenbifosfonats, NBPs, són els BPs que han demostrat una major capacitat antiresorptiva. La seva major acció terapèutica es deu a la seva capacitat d’inhibir l’enzim Farnesil Pirofosfat Sintasa (hFPPS), un enzim localitzat a la ruta metabòlica del mevalonat que és responsable de la producció de metabòlits vitals per a la supervivència cel·lular. A aquesta tesis s’ha realitzat un estudi aplicant diverses tècniques computacionals (3DQSAR, molecular modelling i simulacions de dinàmica molecular) per a determinar els descriptors moleculars que modulen les aplicacions terapèutiques dels bifosfonats amb la finalitat de dissenyar nous BPs i d’extrapolar aquesta informació per a obtenir noves famílies de fàrmacs. Per una banda, s’ha estudiat l’adsorció dels BPs, i altres sals càlciques, sobre un model de la superfície (001) de la hidroxiapatita (HAP). Per altra banda, s’ha realitzat l’estudi del binding d’un conjunt de bifosfonats i del substrat natural en l’enzim hFPPS. Els descriptors moleculars obtinguts han de proporcionar una elevada afinitat per la superfície de la HAP i també uns bons valors d’inhibició de la hFPPS. Aquests requeriments són la presència d’un grup hidroxil a la cadena lateral R1 dels bifosfonats, la hidrofobicitat de la cadena a R2 i la càrrega de la cadena R2, que presenta efectes contraris en l’adsorció i en la inhibició de la hFPPS. Un major nombre de grups funcionals carregats negativament en la cadena lateral R2 augmenta l’afinitat per la superfície de la HAP. En canvi, la presència de grups carregats positivament a R2 permet mantenir el fàrmac a l’interior del centre actiu de l’enzim hFPPS. Per tant, per una acció completa es requereixen compostos amb grups amb facilitat per a ser protonats i desprotonats. A partir dels descriptors moleculars obtinguts s’han proposat nous compostos orientats a inhibir el creixement cristal·lí de la HAP mitjançant la introducció de grups funcionals carregats negativament en R2, i/o fàrmacs orientats a inhibir l’acció de l’enzim hFPPS amb la introducció de grups carregats positivament. Tres candidats han sigut proposats que compleixen amb els requisits anteriorment descrits com són: el RA-1, fàrmac utilitzat en la malaltia de Chagas que presenta valors d’inhibició de la hFPPS semblants als NBPs més potents; i dos derivats del citrat, el PHCA, que presenta valors d’adsorció sobre la hidroxiapatita millors que els BPs utilitzats clínicament, i el CIT-A, que és capaç d’unir-se al centre actiu i estabilitzar la conformació inhibida de l’enzim hFPPS.