Design, synthesis and biological evaluation of new carboxylic acid derivatives as trans-sialidase inhibitors of trypanosoma cruzi

Abstract

RESUMEN: La enfermedad de Chagas es una enfermedad crónica mortal que actualmente afecta de 8 a 10 millones de personas en todo el mundo, principalmente en centro y Sudamérica. La Transialidasa de Trypanosoma cruzi (TcTS) es un enzima de vital importancia para la supervivencia del párasito debido a que juega un papel clave en la transferencia de ácido siálico del hospedero a la superficie del parásito. Basado en estudios de docking molecular, dinámica molecular y de relación estructura actividad, se ha descubierto que en la transialidasa los residuos de aminoácidos Arg35, Arg245, Arg314, Tyr119, Trp312, Tyr342, Glu230 y Asp59 son de vital importancia para en mecanismo de transferencia. Las moléculas con grupos –NH, –OH y –COOH en anillos aromáticos podrían ser usadas como andamio para el desarrollo de nuevos y potentes inhibidores de la transialidasa debido a su interacción clave con el sitio activo de la enzima. Particularmente los derivados de ácido carboxílico tienen importancia sobre el resto de la fracción del azúcar debido a su facilidad de síntesis y relación única de estructura actividad. En este trabajo se diseñaron un total de 175 derivados de ácido benzoico/ácido carboxílico. derivados de ácido para-amino benzoico (10); derivados de ácido 3-amino-3-arilpropionico (15), (serie A); derivados de ácido ftaloil 3-amino-3-arilpropionico (15), (serie B); derivados de ácido 4-carboxil ftaloil 3-amino-3-aril propiónico (15), (serie C); derivados de ácido 4-metil ftaloil 3-amino-3-arilpropiónico (15), (serie D); derivados de ácido 3-nitrofenil carbamoil benzoico (25), (serie E); derivados de ácido 4-carboxifenil carbamoil benzoico (25), (serie F); derivados de ácido 4-metilfenil carbamoil benzoico (30), (serie G); y derivados de ácido 4-metil ciclohexanecarbamoil benzoico (30), (serie H) el docking molecular fue elaborado con AutoDock Vina 5.6. El ácido 2,3-dehidro-3-desoxi-N-acetilneuramínico (DANA) un ligando natural de la TcTS fue usado como referencia con la afinidad de unión predicha de -7.8 kcal/mol. La mayor afinidad de unión predicha fue demostrada por los compuestos C-11 y D-11 (-11.1 kcal/mol). Interacciones en dos (2D) y tres (3D) dimensiones de estos compuestos en la hendidura catalítica de la TcTS mostraron que estos compuestos tienen la mejor orientación en el sitio catalítico y mostraron enlaces de hidrogeno, π-π apilados, π-catión, π-alquil e interacciones hidrofóbicas con los residuos de aminoácidos activos de la TcTS. La interacción más destacada se encontró entre los aminoácidos Tyr119 y Trp312 montados sobre la boca del sitio catalítico y responsable del control del sustrato en la hendidura catalítica. Todos los compuestos nuevos diseñados se sintetizaron mediante procedimientos previamente informados. Análisis espectroscópicos de FTIR, 1H NMR y 13C NMR fueron usados para confirmar la síntesis de los compuestos. Los picos en FTIR de –NH (3400-3600 cm–1), -OH (3300-2800 cm–1), -C2O2N (ftalimida) (1770 asimétrico, 1690 simétrico cm-1) y carbonilo C=O en el rango de (1700-1610 cm-1) confirmaron la presencia del grupo funcional en todas las series. En la 1H NMR el desplazamiento de protón del grupo -OH (10-13 ppm), el protón de grupo –NH (7-9 ppm) y el protón CH-N del grupo ftalimida en un rango de 5.80-5.30 ppm fueron datos que reiteran los resultados de la síntesis. La actividad biológica in vitro fue evaluada a 10 μg/mL para obtener el porcentaje de lisis en tripomastigotes de las cepas NINOA e INC-5, y también se determinó el valor de LC50 de los compuestos seleccionados. En las series de ácido para-amino benzoico, tres compuestos (5, 9 y 10) compartieron una fracción para-amino benzoico mostraron actividad tripanocida más potente que que los fármacos comerciales disponibles Nifurtimox y Benznidazol en ambas cepas: la LC50 fue < 0.15 μM en la cepa NINOA, y < 0.22 μM en la cepa INC-5. En los derivados ftaloil del ácido 3-amino-3-aril propiónico (A-D) la mayoría de los compuestos mostraron actividad tripanocida por encima del 80%. El compuesto (D-11) presentó un valor de lisis igual a (63 ± 8 y 65 ± 6 at 10 μg/mL) y un valor de LC50 de (18.94 ± 2.70 μg/mL y 16.60 ± 2.36 μg/mL) para las cepas NINOA e INC-5 respectivamente, los cuales son mejores que los fármacos de referencia. En las series (E-H) ningún compuesto mostró actividad tripanocida destacada para NINOA ni para la cepa INC-5. La inhibición de la enzima TcTS con los compuestos seleccionados fue determinada por Cromatografía de intercambio iónico de alto rendimiento con detector amperométrico de pulso (HPAEC-PAD). El compuesto F-7 (ácido (2-(2-(4-carboxifenil) hidrazino-1-carbonil) tereftálico) mostró 97% de inhibición de la TcTS, y compuestos como el D-11 (ácido (3-(5-metil-1,3-dioxoisoindolin-2-il)-3-(naftalen-2-il) propanoico) y el D-4 (ácido (3-(4-hidroxifenil)-3-(5-metil-1,3-dioxoisoindolin-2-il) propanoico) de las series D mostraron la mayor inhibición de la TcTS en un 86.9% y 82.5 % respectivamente. Los otros compuestos mostraron valores moderados de inhibición de TcTS. ABSTRACT: Chagas is a chronic disease that currently affects 8–10 million people worldwide, primarily in South and Central America. Trypanosoma cruzi trans-sialidase (TcTS) is an enzyme that is of vital importance for the survival of the parasite due to its key role in the transfer of sialic acid from the host to the parasite surface. Based on molecular docking, molecular dynamics and structure-activity relationship studies, it has been discovered that the trans-sialidase amino acid residues Arg35, Arg245, Arg314, Tyr119, Trp312, Tyr342, Glu230 and Asp59 have the vital importance for the transfer mechanism. The molecules with –NH,–OH and –COOH groups on an aromatic ring could be used as a scaffold for the development of new and potent trans-sialidase inhibitors due to their key interaction with active enzyme sites. In particular, carboxylic acid derivatives have importance over the sugar moiety due to their ease of synthesis and unique structure-activity relationship. In this work we designed one hundred seventy five (175) benzoic acid/carboxylic acid derivatives, para-aminobenzoic acid derivatives (10), 3-amino-3-aryl propionic acids (series A) (15), phthaloyl derivatives of 3-amino-3-aryl propionic acids (series B) (15), 4-carboxyl phthaloyl derivatives of 3-amino-3-aryl propionic acids ( series C) (15), 4-methyl phthaloyl derivatives of 3-amino-3-aryl propionic acids (series D) (15), 3-Nitrophenylcarbamoyl benzoic acid (series E) (25), 4-carboxyphenylcarbamoyl benzoic acid (series F) (25), 4-methylphenylcarbamoyl benzoic acid (series G) (30) and 4-methylcyclohexanecarbamoyl benzoic acid (series H) (30) and their molecular docking studies were performed by AutoDock Vina 5.6 . The 2,3-dehydro-3-deoxy-N-acetylneuraminic acid (DANA), the natural ligand of TcTS was used as a reference with predicted binding affinity -7.8 kcal/mol. Highest predicted binding affinity was shown by compounds C-11 and D-11 (-11.0 kcal/mol). The two dimensional (2D) and three dimensional (3D) interaction of these compounds in catalytic a pocket of TcTS showed these compounds have the best orientation in the catalytic pocket and showed the hydrogen bond, π-π stacking, π-cation, π-alkyl and hydrophobic interaction with active amino acid residues of TcTS. The most prominent interaction was found between Tyr119 and Trp312 amino acid mounted at the mouth of the catalytic pocket and responsible for the control of substrate into the pocket. All designed, novel compound was synthesised by reported procedures. The FTIR, 1H NMR and 13C NMR spectroscopy were used to confirm the synthesis of compounds. The –NH, (3400-3600 cm–1), -OH broad (3300-2800 cm–1), -C2O2N (phthalimido) (1770 asymmetric, 1690 symmetric cm-1) and carbonyl (C=O) peak in the range of (1700-1610 cm-1) in FTIR confirmed the presence of the functional group in all series. In the 1H NMR –OH proton shift (10-13 ppm), the –NH proton (7-9 ppm) and proton CH-N of phthalimide in range of 5.80-5.30 ppm also strengthen the synthesis. In vitro biological activity was evaluated at 10 μg/mL to obtain lysis percentage on trypomastigotes of NINOA and INC-5 strains and LC50 value of selected compounds were also determined. In para-aminobenzoic acid series, three compounds (5, 9, and 10) sharing a para-aminobenzoic acid moiety showed more potent trypanocidal activity than the commercially available drugs nifurtimox and benznidazole in both strains: LC50 was < 0.15 μM on the NINOA strain, and < 0.22 μM on the INC-5 strain. In the phthaloyl derivatives of 3-amino-3-aryl propionic acids (A-D), most of the compounds showed greater than 80% trypanocidal activity. The compound ( D-11) showed an equal % lysis (63 ± 8 and 65 ± 6 at 10 μg/mL) and LC50 value (18.94 ± 2.70 μg/mL and 16.60 ± 2.36 μg/mL) for NINOA and INC-5 strains, respectively, which is better than reference drugs. In series (E-H), no one compound showed the most prominent trypanocidal activity for NINOA and INC-5 strain TcTS enzyme inhibition of selected compounds were determined by High-Performance Ion Exchange Chromatography with Pulse Amperometric detector (HPAEC-PAD). The compound F-7, ((2-(2-(4-carboxyphenyl) hydrazine-1-carbonyl) terephthalic acid) showed the 97%, TcTS enzyme inhibition and compounds D-11, (3-(5-methyl-1,3-dioxoisoindolin-2-yl)-3-(naphthalene-2-yl)propanoic acid) and D-4 (3-(4-hydroxyphenyl)-3-(5-methyl-1,3-dioxoisoindolin-2-yl)propanoic acid) of series D showed the highest 86.9% and 82.5 % TcTS enzyme inhibition, respectively. The other compounds showed the moderate TcTS inhibition values.