Searching for triazine ligands of 5-HT6 serotonin receptor using pharmacophore modelling and retrosynthetic analysis

This thesis represents the continuation of the research in the Department of Technology and Biotechnology of Drugs, JU MC on 1,3,5-triazine ligands of 5-HT6 receptor, which aims to search for novel therapeutics in the symptomatic treatment of Alzheimer’s disease. Among the properties, which characterise ligands suitable for in vivo assays, there are high affinity for the molecular target, adequate physicochemical parameters and feasibility of chemical synthesis. All the parameters mentioned above were analysed utilizing in silico tools in order to perform cost-effective, rational and high-speed design of druglike molecules. As an introduction, a short history of 5-HT6 receptor from the moment of its discovery up to clinical trials of selective 5-HT6 receptor antagonists in Alzheimer’s disease, has been described. Explanation, why computer-assisted drug design methods, including pharmacophore modelling, are of high importance in current drug discovery projects, was given, and retrosynthetic analysis was explored as a promising approach of predicting possible synthetic routes of original structures. The main aim of the research was to design new triazine derivatives, on the basis of structural requirements of reference pharmacophore model proposed by Lopez-Rodriguez, in line with which previously synthesised triazine compounds lack one out of four pharmacophore features. Since the missing feature is hydrogen bond acceptor group, it could be introduced as polar chemical groups and, besides intention of achieving additional protein-ligand interactions, that implementation should decrease the lipophilicity, a probable reason of low metabolic stability of the compounds. In the experimental part, physicochemical descriptors for the library of triazine derivatives were calculated, after that pharmacophore model for the most active structures was generated taking into account molecular docking results. Matching of ligands to reference pharmacophore model revealed the appropriated position for introducing the missing pharmacophore feature, i.e. the hydrogen bond acceptor group. New library of 16 derivatives was designed, physicochemical descriptors for them were calculated noting a decrease of lipophilicity as expected. In order to select the most promising compounds, ranking system was proposed based on 3 criteria: (i) matching to the reference pharmacophore model; (ii) ligand-protein interactions in silico; (iii) results of retrosynthetic analysis. The highest score in this ranking was obtained by 2 compounds, named HB05 and HB19 that seem to possess the highest potential in terms of future in vitro assays.

Niniejsza praca stanowi kontynuację badań prowadzonych w Katedrze Technologii i Biotechnologii Środków Leczniczych UJ CM nad ligandami 1,3,5-triazynowymi receptora 5-HT6, mając na celu poszukiwanie nowych związków o zastosowaniu w terapii objawowej choroby Alzheimera. Wśród właściwości, które powinny charakteryzować cząsteczki właściwe do badań in vivo, wyróżnia się wysokie powinowactwo do celu białkowego, korzystne parametry fizykochemiczne oraz dostępność syntetyczną. Powyższe parametry przeanalizowano za pomocą metod in silico, chcąc przeprowadzić opłacalne, racjonalne i szybkie projektowanie cząsteczek lekopodobnych. Część teoretyczna tej pracy opisuje krótką historię receptora 5-HT6 od momentu jego odkrycia do badań klinicznych selektywnych antagonistów receptora 5-HT6 w chorobie Alzheimera. Dodatkowo przedstawiono korzyści płynące z zastosowania technik komputerowych w poszukiwaniu nowych leków, a także analizę retrosyntetyczną jako obiecujące podejście w przewidywaniu możliwych ścieżek syntetycznych związków oryginalnych.Głównym celem pracy było zaprojektowanie nowych pochodnych w oparciu o referencyjny model farmakoforowy Lopez-Rodriguez, zgodnie z którym wcześniej syntezowane ligandy triazynowe charakteryzują się brakiem jednej z czterech cech farmakoforowych. Cechą tą jest akceptor wiązania wodorowego, który wprowadzony jako grupa o właściwościach polarnych jednocześnie powinien zmniejszyć lipofilowość związków i przyczynić się do zwiększenia stabilności metabolicznej ligandów. W części eksperymentalnej obliczono deskryptory fizykochemiczne dla biblioteki pochodnych triazynowych, następnie wygenerowano model farmakoforowy dla najbardziej aktywnych pochodnych biorąc pod uwagę wyniki dokowania molekularnego. Nałożenie związków z biblioteki na referencyjny model farmakoforowy opracowany przez Lopez-Rodriguez, ujawniło korzystną pozycję, którą powinna zajmować brakująca cecha farmakoforowa akceptora wiązania wodorowego. Zaprojektowano bibliotekę 16 ligandów i obliczono dla nich deskryptory fizykochemiczne, potwierdzając tym samym obniżenie lipofilowości. W celu wyselekcjonowania najbardziej odpowiednich związków opracowano system rankingowy oparty o trzy kryteria: (i) dopasowanie wobec referencyjnego modelu farmakoforowego; (ii) oddziaływania białko-ligand in silico; (iii) wyniki analizy retrosyntetycznej. Najwyższą ocenę w tym rankingu uzyskały dwa związki pod nazwą HB05 i HB19, które wydają się być najbardziej obiecujące dla przyszłych badań in vitro.