Progettazione di acidi boronici quali potenziali inibitori delle β-lattamasi: studi di covalent docking

Thanks to the discovery of penicillin, antibiotics have changed our lives. Diseases, that were once lethal, have now become common illnesses that require short treatment. Today, however, due to incorrect and excessive use of these drugs, antibiotic-resistant bacteria are rapidly spreading. Antibiotic resistance represents an important challenge both in the EU and in the USA and this is aggravated by the lack of new antibiotics on the market. β-lactamase inhibitors have been discovered, still successfully used in therapy, as clavulanic acid. However, some bacterial strains produce β-lactamases that do not represent inhibited by current inhibitors in the clinic and for this reason pharmaceutical research is oriented towards the design of new inhibitors. Starting from this premise, the aim of this project is to design new β-lactamases inhibitors endowed with boronic acids as warhead. To reach this goal, molecular modeling methods have been applied to design new compounds. Thus, in this thesis we aim to elaborate a computational protocol capable to predict the theoretical affinity of a boronic acid set whose affinity for β-lactamase AmpC and the crystallographic structure of the complex are known. Boronic acids have been chosen because a new boronic acid against β-lactamases has recently been introduced into therapy. Once the protocol has been identified and validated, this can be used to design new AmpC β-lactamases inhibitors. This approach could be potentially useful to design new inhibitors β-lactamases belonging to other classes, such as the class D β-lactamase OXA, against which there are not any inhibitors on the market. The computational protocol developed in this study is based on covalent docking calculations and MM-GBSA studies, capable to estimate with a good approximation the binding affinity of the boronic acids considered in the training set and the AmpC isoform of β-lactamase. The identified and optimized computational procedure allows, with a correlation coefficient (R2) of 0.6, to predict the binding affinity of the boronic acids co-crystallized within the E. Coli AmpC. Therefore, the protocol has been applied to predict the binding mode and the binding affinity of a small set of molecules recently synthesized by Dr. A. Silvani at the Department of Chemistry of the University of Milan. The theoretical affinity of these compounds was estimated on OXA-24/40 β-lactamase, on which they will be experimentally tested soon. The analysis of the attained results will be used to validate the procedure here developed so to design new boronates with an improved affinity towards β-lactamases.

Grazie alla scoperta della penicillina, gli antibiotici hanno rivoluzionato la nostra società, malattie che una volta erano letali, ora sono diventati comuni malanni che richiedono una breve cura. Oggi, però a causa di un utilizzo errato ed eccessivo di tali farmaci, si stanno diffondendo rapidamente dei batteri resistenti agli antibiotici. La resistenza agli antibiotici rappresenta una sfida importante sia nell’UE che a livello globale e tutto ciò è aggravato dalla mancanza di nuovi antibiotici in commercio o in fase di sperimentazione. Per eliminare la resistenza batterica causata dalle β-lattamasi sono stati studiati degli inibitori delle β-lattamasi tuttora in uso oggi in clinica, come l’acido clavulanico. Tuttavia, alcuni ceppi batterici producono delle β-lattamasi che non risultano inibite dagli attuali farmaci in commercio e per questo motivo la ricerca farmaceutica è orientata verso la progettazione di nuovi inibitori. Di recente sono stati identificati nuovi inibitori che possiedono una funzione boronica capace di legarsi irreversibilmente alle β-lattamasi (Vaborbactam), perciò l’obiettivo di questa tesi è di progettare nuovi acidi boronici quali potenziali inibitori delle β-lattamasi. Per raggiungere tale obiettivo, sono state applicate le tecniche di molecular modeling, visto che hanno dato un enorme contributo nel design di nuove molecole. In particolare, in questa tesi, ci si pone l’obiettivo di mettere a punto un protocollo computazionale capace di prevedere l’affinità teorica di un set di acidi boronici di cui è nota l’affinità verso la β-lattamasi AmpC e la struttura cristallografica del complesso. Il protocollo, una volta identificato e validato, potrà essere utilizzato per la progettazione di nuovi inibitori delle β-lattamasi AmpC o di altre β-lattamasi appartenenti ad altre classi, come ad esempio le OXA di classe D, verso le quali non esistono inibitori in commercio. Il protocollo computazionale messo a punto in questo studio si è basato su calcoli di covalent docking e studi di MM-GBSA, in grado di stimare con buona approssimazione l’affinità di legame degli acidi boronici considerati nel training set e l’isoforma AmpC delle β-lattamasi. Il protocollo computazionale identificato permette, con un buon coefficiente di correlazione (R2), di prevedere le affinità di legame degli acidi boronici co-cristallizzati con AmpC. Successivamente, il protocollo è stato applicato per ordinare secondo l’affinità predetta una libreria di acidi boronici recentemente sintetizzati al Dipartimento di Chimica dell’Università di Milano. Tali acidi boronici potrebbero essere potenzialmente attivi verso la β-lattamasi OXA-24/40 e verranno testati a breve su ceppi batterici resistenti agli antibiotici. Una volta ottenuti questi dati, sarà possibile validare la procedura messa a punto nel progetto di tesi e progettare nuovi boronati dotati di una maggiore affinità nei confronti delle β-lattamasi.