In silico physico-chemical, pharmacokinetic and toxicologic parameters determination and in vitro antiproliferative activity evaluation of newly synthesized succinimide derivatives

Abstract

<p>Sukcinimidi su jedinjenja koja pokazuju vi&scaron;estruke farmakolo&scaron;ke efekte uključujući i antiproliferativnu aktivnost, zahvaljujući prisustvu farmakofore sa dva hidrofobna regiona i dva regiona bogata elektronima. Savremeni dizajn lekova ima za cilj da se modifikacijama u strukturi (promena vrste, položaja i orijentacije supstituenata) i in silico računarskim metodama predvide i optimizuju farmakokinetske osobine i bezbednosni profil kandidata za lek. U ranoj fazi razvoja lekova se koriste postojeće baze podataka o molekulskim, farmakokinetskim i toksikolo&scaron;kim parametrima već ispitanih jedinjenja i pomoću matematičkih modela i algoritama predviđaju se osobine novih molekula, elimini&scaron;u se neodgovarajući kandidati i postiže se u&scaron;teda u vremenu i materijalnim sredstvima. Da se ispitaju fizičko-hemijske karakteristike 11 novosintetisanih metil-etil-N-aril-sukcinimida na osnovu strukture, primenom različitih softverskih paketa; da se na osnovu strukture odrede farmakokinetski i toksikolo&scaron;ki parametri, primenom različitih softverskih paketa; da se ispita retenciono pona&scaron;anje, odnosno odrede retencione konstante za svako jedinjenje primenom visokoefikasne hromatografije na tankom sloju (HP-TLC) i ispita mogućnost primene retencionih konstanti kao mere lipofilnosti ispitivanih jedinjenja; da se ispita antiproliferativna aktivnost na odabranim kulturama ćelija karcinoma i na zdravim ćelijama fibroblasta pluća; da se analizom molekulskog dokinga ustanovi vezivanje za estrogene receptore. Ispitano je retenciono pona&scaron;anje 11 novosintetisanih derivata sukcinimida primenom visokoefikasne hromatografije na tankom sloju (HP-TLC) obrnute faze uz primenu dvokomponentne sme&scaron;e vode i organskog rastvarača (metanola, acetonitrila ili acetona), sa odgovarajućim zapreminskim udelom organskog rastvarača kao mobilne faze. Iz razvijenih hromatograma su izračunate retencione konstante RM0 i S. Logaritam podeonog koeficijenta (logP) određen je in silico, kori&scaron;ćenjem različitih računarskih programa. In silico su određene fizičko-hemijske karakteristike, farmakokinetski parametri, toksikolo&scaron;ki parametri, akvatična toksičnosti i afinitet vezivanja za estrogene receptore. Izračunate su vrednosti afiniteta za 4 vrste receptora (G-protein spregnuti receptori, jonski kanali, inhibitori kinaza, nuklearni receptori). Antiproliferativna aktivnost ispitivanih derivata sukcinimida određena je primenom kolorimetrijskog testa sa tetrazolijum solima (MTT testa) na komercijalnim kulturama ćelija (MRC-5, A549, HeLa, MDA-MB-231, MCF-7, HT-29) i izračunate su IC50 vrednosti. Urađena je i doking analiza sukcinimida prema ERA (estrogen receptor alfa) i ERB (estrogen receptor beta) i dobijene su vrednosti energije formiranja kompleksa sa posmatranim receptorima (MolDock Score). Statistički najznačajnije linearne korelacije dobijene su između eksperimentalno određenih hromatografskih parametara (RM0 i S) i in silico parametara lipofilnosti MlogP i ClogP. Ispitivanjem uticaja promene RM0 i S na farmakokinetske karakteristike dobijeni su rezultati koji pokazuju paraboličnu zavisnost konstante apsorpcije (Ka) i procenta vezivanja za proteine plazme (PPB) od posmatranih retencionih konstanti, dok je zavisnost sa volumenom distribucije (Vd) i sposobno&scaron;ću prolaska kroz krvno-moždanu barijeru (logBBB) bila linearnog tipa. Toksičnost ispitivanih jedinjenja, procenjena na osnovu in silico dobijenih LD50 vrednosti, nije bila vi&scaron;a od toksičnosti već registrovanih lekova sa strukturom sukcinimida, i dala je parabolične zavisnosti u odnosu na RM0 i S vrednosti. Eksperimentalno nijedno od ispitivanih jedinjenja nije pokazalo aktivnost u odnosu na zdrave fibroblaste pluća. Najznačajniju antiproliferativnu aktivnost (najniže IC50) su pokazala jedinjenja 6 i 7 u odnosu na ćelije linije MCF-7 i jedinjenje 11 u odnosu na A549 ćelijsku liniju. Doking analiza je pokazala niže energije formiranja kompleksa sa ERA, u odnosu na ERB. Eksperimentalno određeni parametri RM0 i S se mogu koristiti kao alternativne i pouzdane mere lipofilnosti analiziranih sukcinimida. Ispitivana jedinjenja pokazuju povoljne fizičko-hemijske karakteristike, predviđene in silico metodama i povoljne farmakokinetske karakteristike: male vrednosti konstante apsorpcije, umeren volumen distribucije, povoljan afinitet vezivanja za proteine plazme, favorizovan prolazak kroz krvno-moždanu barijeru za lipofilnija jedinjenja. Procenjuje se da sva ispitivana jedinjenja, izuzev derivata sa &ndash;CN supstituentom, imaju zahtevani nizak stepen toksičnosti. Po antiproliferativnoj aktivnosti u odnosu na ćelije ER-zavisnog karcinoma dojke (MCF-7) izdvajaju se jedinjenja sa metil i nitro supstituentom u para položaju. Na osnovu malih energija formiranja kompleksa sa ERA, koji su eksprimirani na ćelijama MCF-7 linije, pretpostavlja se da bi mehanizam njihovog delovanja delimično mogao biti obja&scaron;njen uticajem na ERA, ali su potrebna dodatna istraživanja na tom polju.</p>

<p>Succinimides have exhibited various pharmaceutical effects including antiproliferative activity due to an important structural fragment (a pharmacophore) presented in form of two hydrophobic regions and two electron-rich centers. Current development of new drugs involves modifications in structure (type, position and orientation of substituents) and usage of in silico computational programs to predict and optimize pharmacokinetic and safety profile of drug candidates. In early phase of drug development, databases regarding the molecular, pharmacokinetic and toxicological parameters of already tested compounds are used, mathematical models and algorithms are applied for predicting the properties of new molecules and inadequate candidates are eliminated saving time and resources. Determination of physico-chemical properties of the analyzed methyl-ethyl-N-phenilsuccinimide derivatives by software packages; virtual pharmacokinetic and toxicology screening; investigation of retention behavior of the compounds by the reversed-phase HPTLC analysis and calculation of retention constants and their correlation with lipophilicity; in vitro evaluation of antiproliferative activity toward five carcinoma cell lines and normal fetal lung cell line; molecular behavior study on target estrogen receptors by molecular docking and correlation of antiproliferative activity toward ER+ breast carcinoma cell lines and in silico estrogen receptor affinity binding. Retention behavior of 11 newly synthesized succinimide derivatives was determined by reversed phase high performance thin layer chromatography (RP HPTLC) with the application of two-component mixtures water - organic solvent (methanol, acetonitrile or acetone) with adequate volume fractions of the organic modifier. After chromatographic development RM0 and S parameters were calculated. The logarithm of partition coefficient, logP for the analyzed compounds were calculated by different softwares. Physico-chemical properties, pharmacokinetic and toxicological parameters, aquatic toxicity and relative affinity to estrogen receptors were predicted in silico. The affinity toward 4 types of receptors (G-proteine coupled receptors, ion channels, kinase inhibitors, nuclear receptors) were calculated as well. Standard MTT assay was applied to evaluate cytotoxic activities of the analyzed succinimides after cells were exposed. Antiproliferative activity were investigated toward commercial MRC-5, A549, HeLa, MDA-MB-231, MCF-7, HT-29 cell lines and IC50 values were calculated for each compound. MolDock Score that represents energy of binding to estrogen alfa and estrogen beta receptors was determined by molecular docking. Statistically significant linear correlations were determined between the chromatographic retention constants (RM0 and S) and calculated logP, and the best two were obtained in correlation of retention constants with MlogP and ClogP. The examination of RM0 and S influence on pharmacokinetics indicated parabolic dependence of the absorption constant (Ka) and plasma protein binding predictor (PPB) from the observed constants while the volume of distribution (Vd) and the ability to cross the brain blood barrier (logBBB) had linear association with the retention parameters. The toxicity of the analysed compounds evaluated in silico as LD50 on rodents was lower in comparison with the drugs with succinimide structure that are on the market and had parabolic correlation with the RM0 and S values. The experiments indicated that none of the compounds examined had cytotoxic activity toward the healthy lung fibroblast cells. The results of the in vitro assay shown that none of the investigated compounds demonstrated antiproliferative activity toward fetal lung cells. The most potent antiproliferative agents were compounds 6 and 7 toward MCF-7 cell line, and compound 11 toward A549 cell line. Molecular docking shown lower energy for binding to ERA in comparison to ERB.</p>