In silico and in vitro assessment of novel purine derivatives as anticancer agents

Abstract

As purinas desempenham um papel importante na maioria dos processos biológicos. Por esta razão, pesquisas sobre o potencial dos derivados de purina para serem aplicados como agentes terapêuticos levaram ao desenvolvimento de vários fármacos. Assim, a síntese de novos análogos de purina é uma abordagem valiosa para examinar o efeito dos substituintes na atividade biológica. O cancro é uma das principais causas de morte e uma importante barreira para o aumento da esperança de vida em todos os países do mundo. A acumulação de adenosina extracelular e de outros análogos de purina tem sido reportada em contexto tumoral e tem-se mostrado crucial para o seu desenvolvimento. Além disso, outras purinas biológicas como o ATP, também desempenham um papel mediador nas vias de sinalização intracelular através da fosforilação de uma variedade de substratos que medeiam a divisão celular. Posto isto, novas famílias de análogos de purina foram desenhadas e sintetizadas para aplicações no tratamento do cancro. O mecanismo de ação das purinas já conhecidas como anticancerígenos foi inicialmente relacionado com a sua integração no DNA mas, presentemente, estudos mostram que estas moléculas poderão na verdade comportar-se como agentes polifarmacológicos (agentes que atuam em múltiplos alvos). Embora a polifarmacologia costumasse ter uma conotação negativa, já que ter efeito sobre mais do que um alvo possa levar a efeitos colaterais inesperados, agora a química medicinal tende a desenhar agentes menos seletivos para a terapia. Atualmente, os cientistas têm motivos para acreditar que a combinação da terapia polifarmacológica com sistemas de drug delivery possa ser a resposta para o tratamento de doenças complexas como o cancro. Recentemente, o rápido crescimento de recursos de dados tornou-se um fator determinante para capturar aspetos da eficácia de fármacos anticancerígenos. Neste trabalho, ferramentas computacionais como inteligência artificial e simulações moleculares foram usadas para avaliar a atividade e o mecanismo de ação de novos derivados de purina. O efeito das moléculas na viabilidade celular também foi avaliado em duas linhas de células cancerígenas e uma saudável. Foram também realizados testes enzimáticos e a capacidade de encapsular as moléculas em nanopartículas lipídicas sólidas. Em termos gerais, os resultados mostraram que estas moléculas recém-desenhadas têm potencial para serem aplicadas não apenas como agentes anticancerígenos, mas também como agentes terapêuticos para outras doenças complexas. Dado o seu perfil polifarmacológico, mais estudos devem ser feitos para avaliar plenamente o potencial oculto destes compostos como agentes terapêuticos.

Purines play an important role in most biological processes as components of ATP, cAMP, etc. For this reason, research on purine derivative’s potential to be applied as therapeutic agents resulted on the continuous development of multiple drugs still used today. Thus, modification of substituents on the purine ring is a valuable approach to examine the corresponding effect on biological activity. Cancer is a leading cause of death and an important barrier to increasing life expectancy in every country in the world. Accumulation of extracellular adenosine and other compounds containing purines have been reported in the tumor microenvironment and it has been proven to be crucial to its development. Additionally, these types of compounds also mediate intracellular signaling pathways through phosphorylation of a range of downstream substrates that mediate cell division. Knowing this, novel families of purine analogues have been designed and synthesized for applications in cancer treatment. The mechanism of action of known purines as anticancer agents was first thought to be related to their integration in DNA, but today, studies have shown that these molecules could actually behave as polypharmacological agents. Although polypharmacology has been linked to a negative connotation, as having an effect on more than one target could lead to unexpected side effects, now medicinal chemistry tends to design less selective agents for therapy. At present, scientists have a reason to believe that combining polypharmacological therapy with drug delivery systems might be the answer to treat complex diseases such as cancer. Recently, the rapid growth of data resources resulted from the application of omics technologies, which have become a very determinant factor to capture different aspects of anticancer drug efficacy. In the present work, computational tools such as artificial intelligence and molecular simulations have been used to assess the activity and mechanism of action of newly designed purine derivatives. The molecules’ effect on cell viability was also assessed in two different cancer cell lines and a healthy cell line. In addition to the viability assays, enzymatic tests were performed and ability to encapsulate the molecules in solid lipid nanoparticles was also assessed. Overall, results have shown that these newly designed molecules have the potential to be applied not only as anticancer agents, but also as therapeutic agents for other complex diseases. Given their polypharmacological profile, further studies should be done to fully assess their lurking potential as therapeutic agents.