Diseño de inhibidores de la cruzipaína del Trypanosoma cruzi

Abstract

La enfermedad de Chagas, causada por el protozoo parásito T. cruzi, es la enfermedad tropical transmisible de mayor prevalencia en América Latina. Fue catalogada por la Organización Mundial de la Salud (OMS), como una de las tantas “enfermedades olvidadas” o desatendidas. A pesar de ser una enfermedad de alta prevalencia, identificada hace más de 100 años y que afecta a millones de personas en todo el mundo, al día de hoy no existen tratamientos eficaces para la enfermedad de Chagas. Esto se debe principalmente a que las drogas actuales presentan severas limitaciones y la cura de esta enfermedad depende de la fase en la que se encuentre el paciente, así como de las condiciones fisiológicas y susceptibilidad de la cepa de T. cruzi. A su vez, el diseño de fármacos demanda de un gran esfuerzo, tanto económico como de tiempo para las grandes industrias farmacéuticas encargadas del desarrollo de drogas. En este sentido, la enfermedad de Chagas afecta mundialmente a 7 millones de personas, de las cuales, la mayor parte cuenta con bajos recursos o vive en países subdesarrollados, lo que significa una contraposición contra la inversión hacia el desarrollo de nuevas alternativas farmacológicas. Es por ello que los esfuerzos para la búsqueda de nuevos candidatos a fármacos, al menos en las primeras etapas, recaen principalmente en entidades financiadas por el estado, tales como Universidades y Centros de Investigación. Uno de los pasos esenciales en la búsqueda o diseño de fármacos contra T. cruzi es la identificación de moléculas diana que estén involucradas en rutas metabólicas importantes en el parásito y que al inhibirlas provoquen una disminución en los niveles de parasitemia. En línea con lo anterior, la cruzípaina (Cz), también conocida como cruzaína, es la cisteíno proteasa principal de T. cruzi, encargada de la invasión celular, y se expresa en todas las formas de desarrollo de diferentes aislados de T. cruzi. A su vez, se ha documentado que los inhibidores de la proteasa bloquean la proliferación y la metaciclogénesis de amastigotes y promastigotes in-vitro. Por otro lado, el desarrollo de fármacos inicia con la identificación de compuestos que se unen a un blanco terapéutico o que muestran actividad biológica en ensayos de tamizaje. Considerando que el número de moléculas orgánicas que son sintéticamente factibles está por encima de 1060 moléculas (espacio químico), resulta imposible su análisis sin el uso de técnicas computacionales. La química computacional es una rama de la química que permite simular numéricamente estructuras, reacciones químicas, interacciones moleculares entre otros, facilitando así el estudio de los fenómenos físico-químicos, y la resolución de problemas que serían más difíciles y costosos de abordar desde el punto de vista experimental. En el diseño de fármacos se utiliza el modelado computacional para predecir cómo nuevos candidatos a fármacos aumentarán o disminuirán su afinidad al blanco molecular y de ese modo filtrar librerías de compuestos. Existen diversos filtros que se utilizan para llevar a cabo el cribado virtual los cuales pueden variar según la complejidad de la base de datos y la información experimental de la que se disponga. Si se conoce la estructura tridimensional (3D) del receptor, se sugiere un cribado basado en la estructura. Si solo se conocen los compuestos activos, pero no el receptor, entonces la búsqueda se hace basada en el ligando. En este trabajo de tesis, al contar con la estructura 3D del blanco molecular, al igual que una serie de compuestos activos, se combinaron ambos tipos de enfoques no sólo para facilitar la búsqueda de nuevos candidatos capaces de inhibir a Cz, sino también para desarrollar metodologías alternativas para el estudio de interacciones en el sitio catalítico enzimas y puesta a punto de las herramientas quimioinformáticas utilizadas.

Chagas disease, caused by the parasitic protozoan T. cruzi, is the most prevalent transmissible tropical disease in Latin America. It was classified by the World Health Organization (WHO) as one of the many "neglected" or overlooked diseases. Despite being a highly prevalent disease, identified over 100 years ago and affecting millions of people worldwide, there are currently no effective treatments for Chagas disease. This is mainly due to the severe limitations of current drugs, and the cure for this disease depends on the stage of the patient, as well as the physiological conditions and susceptibility of the T. cruzi strain. Furthermore, drug development requires significant effort, both economically and in terms of time, for the major pharmaceutical industries responsible for drug development. In this regard, Chagas disease affects 7 million people worldwide, the majority of whom have low resources or live in underdeveloped countries, which poses a counterbalance against investment in the development of new pharmacological alternatives. Therefore, efforts to search for new drug candidates, at least in the early stages, mainly rely on entities primarily funded by the state, such as universities and research centers. One essential step in the search or design of drugs against T. cruzi is the identification of target molecules involved in important metabolic pathways in the parasite, which, when inhibited, cause a decrease in parasitemia levels. In line with this, cruzipain (Cz), also known as cruzain, is the main cysteine protease of T. cruzi, responsible for cell invasion, and is expressed in all developmental forms of different T. cruzi isolates. It has been documented that protease inhibitors block the proliferation and metacyclogenesis of amastigotes and promastigotes in vitro. On the other hand, drug development begins with the identification of compounds that bind to a therapeutic target or show biological activity in screening assays. Considering that the number of organically feasible molecules is above 1060 molecules (chemical space), their analysis is impossible without the use of computational techniques. Computational chemistry is a branch of chemistry that allows the numerical simulation of structures, chemical reactions, molecular interactions, among others, facilitating the study of physicochemical phenomena and the resolution of problems that would be more difficult and costly to address experimentally. Computational modeling is used in drug design to predict how new drug candidates will increase or decrease their affinity to the molecular target, thereby filtering compound libraries. There are various filters used to conduct virtual screening, which may vary depending on the complexity of the database and the experimental information available. If the three-dimensional (3D) structure of the receptor is known, structure-based screening is suggested. If only the active compounds are known but not the receptor, then the search is ligand-based. In this thesis work, having the 3D structure of the molecular target, as well as a series of active compounds, both types of approaches were combined not only to facilitate the search for new candidates capable of inhibiting Cz but also to develop alternative methodologies for studying interactions in the enzyme catalytic site and refining the chemoinformatics tools used.