Antagonisti estrogen receptora α: Racionalni dizajn novih supresanata raka dojke baziran na 3-D QSAR, COMBINEr i 3-D farmakofornim studijama

Abstract

Estrogen receptor α (ERα) predstavlja transkripcioni regulator čija je fiziološka aktivnost indukovana 17β-estradiolom i koji inicira transkripcionu mašineriju zavisnu od RNA polimeraze II, nakon čega može doći do razvoja kancera dojke direktnim ili indirektnim genomskim putem. Da bi se dizajnirali i sintetisali inovativni ligandi ERα kao supresanti raka dojke, trodimenzionalne studije zavisnosti strukture od aktivnosti (3-D QSAR) bazirane na strukturi molekulske mete (SB), izvedene pomoću 3-D QSAutogrid/R, Py-CoMFA ili PHASE softvera, zatim studije upoređivanja vezivnih energija (COMBINEr), izvedene pomoću Py-ComBinE softvera, kao i 3-D farmakoforne studije, izvedene pomoću PHASE softvera, sprovedene su na osnovu eksperimentalno određenih bioaktivnih konformacija parcijalnih agonista, mešovitih agonista/antagonista (SERMs) i potpunih antagonista (SERDs), ko-kristalizovanih u kompleksu sa prirodnim ili mutiranim receptorima. Takođe, procene sposobnosti reprodukcije bioaktivnih konformacija na osnovu struktura molekulskih meta (SB) kao i bioaktivnih konformacija samih liganada (LB), sprovedene pomoću softvera besplatnih za akdemsku zajednicu ili komercijalnih rešenja, dale su upute kako da se izvrši SB/LB poravnanje netestiranih jedinjenja. 3-D QSAR, COMBINEr i 3-D farmakoforni modeli za ligande ERα, upareni sa pravilima za SB/LB poravnanja, obznanjeni su kao korisni za definisanje molekularnih determinanti za antikancerogenu aktivnost baziranu na antagonizmu ERα kao i za predviđanje aktivnosti odgovarajućih liganada. Ovde razvijeni protokoli verifikovani su kroz dizajn i predviđanje aktivnosti 12 novih SERMs kumarinskog tipa, proisteklih iz 3-D QSAutogrid/R metodologije, nazvanih 3DQ-1a do 3DQ-1e, zatim 6 novih kumarinskih SERMs proisteklih iz Py-CoMFA i PyComBinE metodologija, označenih kao CBE-1 do CBE-6, kao i 12 novih derivata brefeldina A (BFA), kao rezultat aplikacije PHASE 3-D farmakofornih i 3-D QSAR studija, označenih kao 3DPQ-1 do 3DPQ-12, koji su razvijeni nakon virtuelnog skeniranja datasetova iz National Cancer Institute i optimizacije BFA. Svi novi in silico-dizajnirani ERα antagonisti sintetisani su i potvrđeni kao selektivni antagonisti ERα, pokazujući aktivnost u rM do nM opsegu. Jedinjenja su potvrđena kao modulatori ERα i validirana kao antiproliferativni agensi na nivou MCF-7 ćelijskih linija kancera dojke, takođe ispoljavajući rM do nM aktivnost, u isto vreme ne pokazujući agonizam prema endometrijalnim ćelijskim linijama, čime su ispoljili farmakološki profil superiorniji u odnosu na SERMs. Mehanizam delovanja proučavan je na nivou inhibicije Raf-1/MAPK/ERK i p53 puteva signalne transdukcije, sprečavajući hormonski-posredovanu ekspresiju gena na nivou direktnog i indirektnog puta i stopirajući proliferaciju MCF-7 ćelijskih linija u G0/G1 fazi. In vivo eksperimenti u smislu per os administracije na ženkama pacova iz Wistar soja sa indukovanim kancerom dojke, izdvojili su derivate 3DQ-4a, 3DQ-2a, 3DQ-1a, 3DQ1b, 3DQ-2b, 3DQ-3b, CBE-4, CBE-5, CBE-3, 3DPQ-12, 3DPQ-3, 3DPQ-9, 3DPQ-4, 3DPQ2 i 3DPQ-1 kao one sa izvanrednim potencijalom supresije tumora uz ispoljavanje optimalnog farmakokinetičkog profila i bez značajnih histopatoloških posledica. Priloženi podaci ukazuju da navedena jedinjenja trebaju biti podvrgnuta kliničkim studijama u lečenju kancera dojke.

The estrogen receptor α (ERα) represents a 17β-estradiol inducible transcriptional regulator that initiates the RNA polymerase II-dependent transcriptional machinery, pointed for breast cancer (BC) development via either genomic direct or genomic indirect (i.e. tethered) pathway. To design and synthesize innovative ligands against ERα, structure-based (SB) three-dimensional quantitative structure-activity relationships (3-D QSAR) studies, conducted either employing 3-D QSAutogrid/R, Py-CoMFA, or PHASE software, SB Comparative Binding Energy (COMBINEr) studies, performed with the aid of Py-ComBinE software, as well as SB 3-D Pharmacophore studies, developed using PHASE software, have been undertaken using experimentally determined bioactive conformations of partial agonists, mixed agonists/antagonists (SERMs), and full antagonists (SERDs) co-crystallized within either wild-type or mutated ERα receptors. SB and ligand-based (LB) alignments assessments, performed with the aid of free-for academia or commercial software, ruled out the guidelines for SB/LB alignment of untested compounds. 3-D QSAR, COMBINEr, and 3-D Pharmacophore models for ERα ligands, coupled with SB/LB alignment, were revealed to be useful tools to dissect the chemical determinants for ERα-based anticancer activity as well as to predict their potency. The herein-developed protocols were verified through the design and potency prediction of new 12 coumarin-based SERMs originating from the 3-D QSAutogrid/R methodology, namely 3DQ-1a to 3DQ-1е, new 6 coumarin-based SERMs originating from the Py-CoMFA and PyComBinE methodologies, namely CBE-1 to CBE-6, as well as 12 new Brefeldin A (BFA)- derivatives, originating from the PHASE 3-D Pharmacophore studies and 3-D QSAR studies, 3DPQ-1 to 3DPQ-12, emerging after the virtual screening of National Cancer Institute datasets and lead optimization of BFA. All new in silico-designed ERα antagonists were synthesized and confirmed as selective ERα antagonists, showing potencies ranging from single-digit nanomolar to picomolar. The hits were confirmed as selective estrogen receptor modulators and validated as antiproliferative agents using MCF-7 breast cancer cell lines exerting picomolar to low nanomolar potency, at the same time showing no agonistic activity within endometrial cell lines thus exerting a superior profile than SERMs. Their mechanism of action was inspected and revealed to be through the inhibition of the Raf-1/MAPK/ERK and p53 signal transduction pathways, preventing hormone-mediated gene expression on either genomic direct or genomic indirect level, and stopping the MCF-7 cells proliferation at G0/G1 phase. In vivo experiments, by means of the per os administration to female Wistar rats with preinduced breast cancer, distinguished the following derivatives, 3DQ-4a, 3DQ-2a, 3DQ-1a, 3DQ1b, 3DQ-2b, 3DQ-3b, CBE-4, CBE-5, CBE-3, 3DPQ-12, 3DPQ-3, 3DPQ-9, 3DPQ-4, 3DPQ2, and 3DPQ-1, showing remarkable potency as tumor suppressors endowing with optimal pharmacokinetic profiles and no significant histopathological profiles. The presented data indicate the new compounds as potential candidates to be submitted to clinical trials for breast cancer therapy.