Descoberta do análogo do hit andrographolide como uma potente ciclooxigenase
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Descoberta do análogo do hit andrographolide como uma potente ciclooxigenase

Apr 14, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8147 (2023) Citar este artigo

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A ciclooxigenase-2 (COX-2) é a principal enzima responsável pela conversão do ácido araquidônico em prostaglandinas que exibem propriedades pró-inflamatórias e, portanto, é uma proteína alvo potencial para o desenvolvimento de drogas anti-inflamatórias. Neste estudo, abordagens químicas e bioinformáticas foram empregadas para encontrar um novo e potente análogo de andrographolide (AGP) como um inibidor de COX-2 com melhores propriedades farmacológicas do que a aspirina e o rofecoxib (controles). A proteína COX-2 (604AA) humana com sequência completa de aminoácidos alfa (AF) foi selecionada e validada por sua precisão em relação às estruturas de proteína COX-2 relatadas (PDB ID: 5F19, 5KIR, 5F1A, 5IKQ e 1V0X), seguidas por múltiplas análise de alinhamento de sequência para estabelecer a conservação da sequência. A triagem virtual sistemática de 237 análogos de AGP contra a proteína AF-COX-2 rendeu 22 compostos principais com base no escore de energia de ligação (< − 8,0 kcal/mol). Estes foram ainda selecionados para 7 análogos por análise de docking molecular e investigados ainda mais para previsão de ADMET, cálculos de métricas de eficiência de ligantes, análise de mecânica quântica, simulação de MD, simulação de docking de energia potencial eletrostática (EPE) e MM/GBSA. A análise aprofundada revelou que o análogo de AGP A3 (3-[2-[(1R,4aR,5R,6R,8aR)-6-hidroxi-5,6,8a-trimetil-2-metilideno-3,4,4a, 5,7,8-hexahidro-1H-naftalen-1-il]etilideno]-4-hidroxioxolan-2-ona) forma o complexo mais estável com o AF-COX-2 mostrando o menor valor de RMSD (0,37 ± 0,03 nm) , um bom número de ligações de hidrogênio (proteína-ligante H-bond = 11 e proteína H-bond = 525), pontuação EPE mínima (- 53,81 kcal/mol) e menor MM-GBSA antes e depois da simulação (- 55,37 e − 56,25 kcal/mol, respectivamente) em comparação com outros análogos e controles. Assim, sugerimos que o análogo A3 AGP identificado pode ser desenvolvido como um promissor fármaco antiinflamatório à base de plantas, inibindo a COX-2.

A ciclooxigenase (COX ou prostaglandina G/H sintase) desempenha um papel vital na geração de mediadores biológicos, como prostaglandinas (PGs), tromboxane e prostacilinas a partir do ácido araquidônico. A enzima COX existe como duas isoformas: (i) a isoenzima COX-1 é constitutivamente ativa e envolvida principalmente em funções homeostáticas como a regulação da agregação plaquetária e acidez gástrica; (ii) em contraste, a forma isomérica da COX-2 induz durante condições patológicas como inflamação, dor e febre1,2,3. Para desenvolver drogas anti-inflamatórias e analgésicas, a COX-2 é um alvo viável e específico e várias drogas inibidoras da COX-2 foram desenvolvidas nas últimas décadas4. A COX-2 compreende 604 comprimentos de sequência de aminoácidos com três domínios principais: (i) o domínio do fator de crescimento epidérmico (EGF) (34-72 aminoácidos), (ii) o domínio de ligação à membrana (73-116 aminoácidos) e (iii) o domínio catalítico que contém os sítios ativos da COX e da peroxidase [UniProt-P35354]. Os sítios ativos da COX e da peroxidase são espacialmente distintos, mas funcionalmente ligados5. A proximidade com Tyr371 e Ser516 são os aminoácidos catalíticos críticos para o sítio ativo da COX-26. O resíduo de valina na posição 509 na COX-2 forma uma bolsa hidrofóbica (HYD) em seu sítio ativo e desempenha um papel fundamental na indução seletiva da enzima e, portanto, na resposta inflamatória7,8.

A COX-2 catalisa a reação em duas etapas: (i) a primeira etapa é a reação COX na qual o araquidonato é convertido em PG-G2 que ocorre no canal HYD do núcleo da proteína e (ii) a segunda etapa é a reação da peroxidase em que o PG-G2 é reduzido a PG-H2 (um importante precursor da prostaciclina e expresso durante a inflamação) que ocorre no sítio ativo contendo heme localizado próximo à superfície da proteína9. Os anti-inflamatórios não esteroidais (AINEs), especialmente os coxibes e a aspirina, reduzem a inflamação ao inibir a síntese de PG via interação covalente com o resíduo Ser-516 no sítio ativo da COX-210,11. Embora esses medicamentos sejam seguros e eficazes, eles podem causar toxicidade gastrointestinal, o que limita seu uso em pacientes altamente sensíveis. Projeto de inibidores seletivos de COX-2, incluindo celecoxib e rofecoxib (coxibs), inibem COX-2 em vez de COX-1 para proporcionar alívio da dor e propriedades anti-inflamatórias e prevenir desconfortos gástricos experimentados com AINEs não seletivos12,13,14 . O rofecoxibe é um AINE altamente seletivo devido à ausência de ácido carboxílico (portanto, menos irritante GI) e à presença de dois grandes ciclos aromáticos ligados a um anel heterocíclico central15. Além da seletividade e eficácia, do alto custo da droga, dos potenciais efeitos adversos cardiovasculares e do aumento do risco de acidente vascular cerebral isquêmico, o uso de inibidores da COX-2 é controverso16,17,18. Assim, há uma demanda urgente por uma droga terapêutica contra a COX-2 com efeitos colaterais mínimos ou inexistentes, preferencialmente de origem natural19.

 A7 (5.51 eV) = A5 (5.51 eV) > aspirin (5.43 eV) > AGP (5.26 eV) > A4 (5.21 eV) > A2 (5.15 eV) > A3 (5.05 eV) > A1 (5.03 eV) > rofecoxib (4.24 eV). Based on the HLG value, both A1 and A3 show the most chemical reactivity, whereas A6 is the least reactive and most stable./p> AGP (48.97) > A3 (48.31) > A6 (-47.84) > A4 (− 46.65) > A2 (− 46.53) > A1(− 45.97) > A5 (− 43.98) > rofecoxib (−43.51) > aspirin (− 41.70) (Fig. 4). As the negative value of EPE favors the stronger H-bond formation76,77, the AGP and its A1–A7 hit analogs showed better potential towards stronger H-bond interaction compared to the aspirin and rofecoxib./p> green > yellow > orange > red (most -ve)./p> A5 (2.44) > A3 (2.27) > A6 (2.22) > Rofecoxib (2.21) > A7 (2.19) > A2 (2.18) > A1 (2.11) > AGP (2.06) > aspirin (2.06) > protein (2.05) which signifies that analogs A3–A6 have the better accessibility for the solvent than the other complexes as well as native protein (Supplementary Table S8)./p> 279.12 nm2) (Supplementary Table S9). Amongst all the hit analogs and AGP, A3 exhibited the highest SASA value = 284.59 nm2. Conclusively, the A3 analog forms a relatively stable complex with AF-COX-2 protein after the interaction. Further, solvent–Accessible surface volume (Vsas), the volume enclosed by the center of a solvent probe rolling around the protein, was also calculated for all the studied ligands which signifies the stability of the complex system83. Typically, it measures the effect of forces on the protein surfaces exerted by solvents followed by the protein-solvent interactions. Also, Vsas is an alternative to refine the SASA term, in order to include the influence of the solvents’ effect on the protein's interior and also define the interaction between the protein and solvent84. It is an accurate and fast application to examine geometric volumes of the proteins. In addition, it can be used to calculate the volume that changes due to the interaction of protein–ligand complex with solvent85. Vsas along with SASA provides a better acquiescence of implicit and explicit nonpolar solvent forces on the protein and its effect on the protein folding86. As shown in Fig. 6d and Supplementary Table S9, AGP, A3, A4, and A5 analog complex showed a greater value of Vsas compared to all controls, while the highest value was observed for the A3 analog complex (119.24 nm\s3\n). These results indicate that the A3 analog forms the most stable complex with AF-COX-2 protein compared to all other analogs and controls. Furthermore, the SAS density, which is inversely proportional to the SASA, was determined to calculate the neighborhood density of burial HYD amino acids within the protein core that leads to protein folding87. The neighborhood density calculates the precise molecular and atomic quantities with coordinates for protein surface area accessible for solvent. It not only measures the hydrophobic effect of the amino acids density but also captures the electrostatic effect of the solvent on the protein folding and stability88. As demonstrated in Fig. 6e and Supplementary Table S9, the A3 analog possessed the least value of SAS density indicating better protein folding compared to other hit analogs and all controls after interaction with AF-COX-2 protein. All three solvent accessible surface analysis (area, volume, and density) together provide more emphasis on the MD simulation analysis related to the analogs’ complex stability in terms of protein folding and revealed more stability of analog A3 than the other studied compounds including the reference molecules. Overall, from MD simulation analysis, it can be inferred that A3 analog exhibit better protein stability than the other hit analogs, AGP, native protein, aspirin, and rofecoxib./p> A1 > A5 > Rofecoxib > A2 > A4 > A6 > A7 > AGP > aspirin. Further, it was observed that all the hit AGP analogs along with the AGP exhibited a more negative value of free energy compared to aspirin, whereas analogs A3, A1, and A5 showed the binding affinity better than Rofecoxib, aspirin, AGP, and other analogs. Moreover, analog A3, A1 and A5 complex with protein were observed to be more stable after the simulation analysis and also implies that the analog A3 showed the better binding towards the COX-2 protein as compared to the reference compounds and other studied analogs. The MM/GBSA results also corroborated the findings of docking, MD simulation, and DFT analysis, and establish that the A3 analog would be a promising compound to inhibit the AF-COX-2 activity and can be used as a promising natural anti-inflammatory drug./p>

3.0.CO;2-U" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F%28SICI%291097-0282%2819991005%2950%3A4%3C373%3A%3AAID-BIP3%3E3.0.CO%3B2-U" aria-label="Article reference 88" data-doi="10.1002/(SICI)1097-0282(19991005)50:43.0.CO;2-U"Article CAS PubMed Google Scholar /p>