Design, synthesis and optimization of bioactive compounds: a medicinal chemistry approach

The extensive process of drug discovery encompasses multiple stages and requires a convergence of diverse scientific disciplines and methodologies. Medicinal chemistry, which includes sciences like analytical, organic, and computational chemistry, plays a significant role in the preliminary stage of drug discovery and is pivotal in developing potentially bioactive molecules and unravelling disease mechanisms or macromolecular target structures. My PhD has been characterized and essential in enhancing the understanding and development of the use of various techniques, including analytical chemistry, chromatography, spectroscopy, X-ray diffraction, microscopy, among others. Furthermore, I have dedicated myself to optimizing organic synthesis to achieve better yields through greener and more cost-effective reactions. Throughout these years, I have focused with greater emphasis on the following techniques: mass spectrometry (MS), nuclear magnetic resonance (NMR), computational techniques, and circular dichroism (CD). My thesis, after an introduction to the theory and possible applications of these techniques, illustrates how they have been synergistically employed in various research paths. In the primary project (Section 2), their collective use in studying small molecules' interactions with G-quadruplex (G4) highlighted their potential in anti-cancer, anti-inflammatory, anti-viral, and neuroprotective applications. Essential methodologies include ESI-MS for rapid screening and understanding interaction efficiency, NMR for 3D structure resolution and binding insights, CD spectroscopy to validate findings and assess G4 topology, and computational tools for predicting interactions and refining structures. Different scaffolds were investigated, revealing their potential in targeting DNA arrangements, particularly G4 structures, suggesting their anti-proliferative effects by inhibiting telomerase activity through G4 stabilization. Two ancillary projects (Section 3) showcased, respectively, one the development of seleno-containing compounds for neurodegeneration mitigation and the other the identification of inhibitors of phosphodiesterase (PDE) for neurodegenerative disorders; these projects demonstrated the efficiency of integrating computational techniques with experimental assays to streamline drug discovery. The first project presented focused on the preparation of selenofluoxetine derivatives, emphasizing their capacity to mitigate oxidative stress and offer neuroprotective effects. The investigation delved into understanding the compounds' reactions with reactive oxygen species (ROS), both in experimental and computational settings, providing crucial insights into their mechanisms. The second project showed the use of computational tools for designing novel PDE inhibitors through molecular docking, and MD simulations. After a meticulous validation of the docking method, the compounds generated through combinatorial chemistry and the molecules of an internal database underwent a screening, leading to the identification of potential hits displaying significant interactions with crucial amino acids for PDE binding. These findings allowed a preliminary structure-activity relationship (SAR) study and identified crucial design features for potential PDE inhibitors. Eventually, MD simulations further validated the stability of the formed complexes, consolidating the findings and in vitro testing demonstrated high inhibitory activity against PDE9, comparable to a known inhibitor. The synthesis and optimization of potential drug candidates, when coupled with a comprehensive understanding of target:ligand interactions through diverse techniques, form the crux of successful drug discovery. The seamless integration of these methodologies continues to be paramount in creating novel pharmacological agents, driving the need for further research to refine and expedite the drug discovery process.

Il lungo processo di scoperta di un nuovo farmaco coinvolge diverse fasi e richiede l'integrazione di diverse discipline scientifiche e metodologie. La chimica farmaceutica, che comprende discipline come la chimica analitica, organica e computazionale, gioca un ruolo cruciale nella fase iniziale del processo di drug discovery ed è essenziale nello sviluppo di molecole con potenziale attività biologica nonché nella comprensione dei meccanismi delle malattie o delle strutture dei bersagli macromolecolari. Il mio percorso di dottorato è stato caratterizzato e fondamentale per accrescere la comprensione e sviluppare l'utilizzo di diverse tecniche, tra cui: chimica analitica, cromatografia, spettroscopia, diffrazione a raggi X, microscopia ed altre ancora; mi sono inoltre dedicata all'ottimizzazione della sintesi organica per ottenere migliori rese con reazioni più green ed economiche. In questi anni ho trattato con maggiore enfasi le seguenti tecniche: spettrometria di massa (MS), risonanza magnetica nucleare (NMR), tecniche computazionali e dicroismo circolare (CD); la mia tesi, dopo un'introduzione alla teoria e alle possibili applicazioni delle suddette, illustra come siano state utilizzate sinergicamente in diversi percorsi di ricerca. Nel progetto principale (Sezione 2), l'uso congiunto di queste tecniche nello studio delle interazioni di piccole molecole con il G-quadruplex (G4), ha evidenziato il loro potenziale nelle applicazioni antitumorali, antinfiammatorie, antivirali e neuroprotettive. Le metodologie fondamentali includono l'ESI-MS per uno screening rapido e per una prima valutazione dell’efficienza dell'interazione, l'NMR per la risoluzione tridimensionale della struttura e per approfondire la natura del legame ligando:target, il CD per convalidare i risultati e valutare la topologia del G4 e le tecniche computazionali per prevedere le interazioni presenti e per perfezionare le strutture predette. Sono stati esaminati scaffold diversi dimostrando il loro potenziale nell’interazione con diversi folding degli acidi nucleici e, in particolare con le strutture G4, suggerendo i loro possibili effetti antiproliferativi grazie all'inibizione dell'attività telomerasica mediante la stabilizzazione del G4. I due progetti secondari presentati nella Sezione 3 mostrano, rispettivamente, uno lo sviluppo di composti contenenti selenio per la mitigazione della neurodegenerazione e l'altro l'identificazione di inibitori di fosfodiesterasi (PDE) per le malattie neurodegenerative; questi progetti hanno dimostrato l'efficacia dell'integrazione delle tecniche computazionali con saggi sperimentali nella scoperta di nuovi farmaci. Il primo progetto illustra la preparazione di derivati della selenofluoxetina, enfatizzandone la capacità di mitigare lo stress ossidativo e offrire benefici neuroprotettivi. L'indagine ha coinvolto lo studio delle reazioni di questi composti con le specie reattive dell'ossigeno (ROS), sia con metodi sperimentali che computazionali, fornendo informazioni cruciali sui loro meccanismi. Il secondo progetto coinvolge l'uso di tecniche computazionali per la progettazione di nuovi inibitori di PDE utilizzando il docking molecolare e le simulazioni di dinamica molecolare (MD). I composti sono stati sottoposti ad uno screening, individuando potenziali candidati farmaci in grado di formare le interazioni significative con gli amminoacidi cruciali per il legame con le PDE. Infine le simulazioni di MD hanno ulteriormente convalidato l’effettiva stabilità dei complessi formati consolidando i risultati e i test in vitro hanno dimostrato un'elevata attività inibitoria contro la PDE9, paragonabile a quella di un noto inibitore. La sintesi e l'ottimizzazione di potenziali candidati farmaci, insieme ad una comprensione esaustiva delle interazioni bersaglio:ligando mediante l’uso di diverse tecniche strumentali, costituiscono la chiave del successo nella scoperta di nuovi farmaci.