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Authors
Abstract(s)
Carbohydrates are natural aliphatic polyhydroxy aldehydes and ketones with an empirical formula of Cn(H2O)n that are distributed throughout our planet. This class of compounds have a central role in numerous physiological events, such as in cellular communication, and are part of the basic structure of some endogenous biomolecules. It also presents several chiral carbons that confers them stereogenic centres, which is an advantage for the selective interaction with the biological targets. In fact, carbohydrates are considered privileged scaffolds and can be linked to several pharmacophores, such as heterocycles, forming pseudo-C-nucleosides, which are composed by a heterocyclic ring attached to the carbon 4 of the furanose ring by a carbon-carbon bond. Therefore, they are largely used at the therapeutic level in the treatment of several illnesses. As an important example the association between carbohydrates and the treatment of bipolar disorder occurred through the discovery of an anticonvulsive compound, topiramate.
Bipolar Disorder (BD), also known as manic-depressive illness, affects between 1 to 4% of the world's population and is characterised by recurrent mood changes, named manic or depressive episodes. In a manic episode, the patient is extremely euphoric, while in depressive episodes the patient feels depressed and may present suicidal tendencies. Currently, the most effective drug on the market for the treatment of this disorder is Lithium Carbonate. However, this inorganic compound has very significant adverse effects. Despite a large group of studies that have been developed in this context, it has not yet been possible to clearly identify the pathological basis of this disease as well as the mechanism of action of Lithium Carbonate.
Thus, as presently there is a clear lack of available pharmacological alternatives for the treatment of this disease, the objective of this dissertation was to synthesise pseudo-C-nucleosides with potential interest for the treatment of BD and subsequent evaluation of cytotoxicity.
For this purpose, three different techniques to synthesise the pseudo-C-nucleosides were performed, the Click Chemistry, the cyclization to form pyrazolidin-3-ones and the cyclization to form 5-hydroxypyrazoles. From these three strategies seven different compounds, six of which are pyrazolidin-3-one derivatives and one 5-hydroxypyrazole, have been obtained.
Finally, MTT [3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-Diphenyltetrazolium Bromide] assays were performed to evaluate the cytotoxicity of the final compounds synthesised in two different cell lines, NHDF (Normal Human Dermal Fibroblasts) and N27 (Rat Mesencephalic Dopaminergic Neural Cells). In both cell lines, the compounds under study did not show relevant cytotoxicity. Thus, even if it was not possible to infer their potential for the treatment of BD, the results obtained for cytotoxicity are positive indicators to continue to develop tests to evaluate the activity of this compound for the treatment of this disorder.
Os açúcares são compostos naturais que se encontram disponíveis no nosso planeta. Estes compostos são constituídos por uma cadeia carbonada alifática com um grupo carbonilo, na forma de cetona ou de aldeído, e com um grupo hidroxilo ligado a cada um dos restantes carbonos. Acrescem ainda os compostos obtidos por reações de oxidação e de redução. São considerados derivados de glúcidos os compostos obtidos por substituição de um grupo hidroxilo por um halogéneo, um hidrogénio, uma cadeia carbonada, entre outras modificações. Esta classe de compostos começou a ser estudada no século XVIII, mas a maior parte dos avanços de elucidação estrutural e funcional só aconteceram no século XIX, com os estudos desenvolvidos por Emil Fischer. No entanto, só a partir do século XX, e com os avanços da ciência e da tecnologia é que se conseguiu estudar esta classe de compostos no seu expoente máximo. Consequentemente, foram descobertos inúmeros processos fisiológicos nos quais os açúcares ou os seus derivados participavam e, por isso, começou a tentar-se desenvolver compostos derivados de glúcidos com propriedades farmacológicas. Este interesse surgiu, naturalmente, não só pela função dos glúcidos no organismo mas também devido à sua estrutura, que evidencia um elevado número de carbonos quirais e que, consequentemente, tem um elevado número de centros estereogénicos que permitem a interação seletiva com alvos biológicos. Contudo, devido à quantidade de grupos hidroxilo livres, os açúcares, por si só, não são moléculas adequadas para serem utilizados como fármacos, por se revelarem demasiado polares, e, portanto, as suas propriedades farmacocinéticas não são as mais apropriadas, tendo, por isso, de ser objeto de modificações estruturais. Por todos estes motivos, os açúcares são considerados scaffolds privilegiados e podem ser ligados a diferentes farmacóforos, como por exemplo anéis heterocíclicos, formando nucleósidos e seus derivados. Dentro dos derivados dos nucleósidos, estão incluídos os pseudo-C-nucleósidos, que são constituídos por um anel heterocíclico que se encontra ligado ao carbono 4 do anel de furanose através de uma ligação carbono-carbono. Atualmente, já se encontram disponíveis vários fármacos com propriedades farmacológicas completamente distintas que têm na sua base estrutural um derivado de açúcar. Dentro das classes de fármacos representadas por, pelo menos, um composto glucídico estão os anticancerígenos, os antivirais, os agentes anti-Alzheimer e os anticonvulsivantes. Um composto importante que pertence à classe dos anticonvulsivantes é o topiramato. Este é constituído por um anel de piranose, com dois grupos isopropilideno, um ligado na posição 2 e 3 e outro na posição 4 e 5, e um grupo sulfamida ligado ao carbono 1. O topiramato bloqueia canais de sódio, potencia a ação do neurotransmissor inibitório GABA (ácido ?-aminobutírico) e é considerado um antagonista do neurotransmissor excitatório glutamato por atuação nos recetores AMPA (ácido a-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazolepropiónico) e cainato. Neste âmbito já existem estudos que confirmam a atividade deste composto no tratamento do transtorno bipolar (BD, do inglês, Bipolar Disorder), sendo este um ponto-chave do presente trabalho de investigação. O BD, também conhecido como transtorno maníaco-depressivo, afeta entre 1 a 4% da população mundial e carateriza-se por mudanças de humor recorrentes, denominadas como crises maníacas ou crises depressivas. As crises maníacas são, normalmente, fases em que a pessoa se apresenta extremamente eufórica em que o tratamento pode ser efetuado através de fármacos antipsicóticos, enquanto que as crises depressivas são fases em que a pessoa se sente deprimida, podendo, inclusivamente, apresentar tendências suicidas, e em que o tratamento pode ser efetuado através de fármacos antidepressivos. Atualmente, o fármaco mais eficaz que se encontra disponível no mercado para o tratamento deste transtorno é o Carbonato de Lítio. Este é um composto inorgânico e origina efeitos adversos muito significativos. Quando o tratamento em monoterapia não resulta, este fármaco pode ser combinado com o ácido valpróico ou com agentes antioxidantes. Contudo, este tipo de estratégia não é a mais adequada, uma vez que cerca de 37% dos pacientes medicados têm, pelo menos, uma crise de mania ou de depressão em menos de 1 ano, elevando-se para cerca de 60% em menos de 2 anos. Efetuando uma análise objetiva dos dados disponíveis, poder-se-á concluir que os fármacos que se encontram disponíveis no mercado são inefetivos contra este transtorno. Apesar dos estudos que se têm desenvolvido, ainda não foi possível identificar claramente as bases fisiopatológicas do BD. Contudo, sabe-se que existem alterações a nível de atividade de determinadas proteínas, sendo que a mais marcada é a hiperatividade na família das GSK-3 (Glicogénio Sintase Cinase 3), particularmente da GSK3B. Esta enzima é conhecida por estar envolvida no metabolismo energético celular e no desenvolvimento neuronal e, portanto, a sua hiperatividade desencadeia uma cascata de sinalização celular que pode originar danos neuronais irreparáveis e, inclusivamente, ser causa de morte neuronal. Apesar de ser ainda parcialmente desconhecido, tem-se assumido que o mecanismo de ação do Carbonato de Lítio se baseia no desencadeamento de múltiplos sinais e cascatas intracelulares que ocorrem através da inibição ou da ativação de recetores membranares. A principal via de atuação envolve a inibição dos canais de cálcio associados aos recetores NMDA (N-metil-D-aspartato), que são recetores do neurotransmissor excitatório glutamato. A inibição destes recetores, neste caso, permite proteger, a nível neuronal, o cérebro da excitotoxicidade1 provocada pelo excesso deste neurotransmissor. Atualmente, por falta de alternativas eficazes, a indústria farmacêutica tem vindo a utilizar técnicas de HTS (do inglês, High Throughput Screening) para avaliar fármacos comercializados para outras doenças do sistema nervoso central, tais como a esquizofrenia e a epilepsia, natentativa de encontrar compostos potencialmente bioativos destinados ao tratamento do BD. Os resultados têm sido promissores, particularmente no caso dos fármacos utilizados para o tratamento da epilepsia, que têm demonstrado maior eficácia, uma vez que a maior parte deles também atua em vias igualmente relevantes no BD. Como já referido, um dos exemplos mais relevantes neste contexto é o fármaco glucosídico topiramato. Assim sendo, existe clara necessidade de alargar as alternativas farmacológicas disponíveis para o tratamento desta doença, contribuindo para a melhoria da qualidade de vida daqueles que padecem desta doença. Além disso, estruturas glicosídicas com ação anticonvulsivante, podem ser um bom ponto de partida no desenvolvimento de compostos com esta atividade farmacológica. Desta forma, o objetivo desta dissertação foi sintetizar pseudo-C-nucleósidos, com potencial atividade para o tratamento do transtorno bipolar e posterior avaliação da citotoxicidade. Assim, tendo em conta a estrutura base do topiramato, foram realizadas alterações estruturais que incluíram a passagem do anel glucídico de piranose para furanose e a ligação de anéis heterocíclicos em vez de uma cadeia carbonada. Os triazóis, as pirazolidin-3-onas e os 5-hidroxipirazóis foram os heterociclos escolhidos para serem ligados aos açúcares. A pertinência da escolha destes substituintes é justificada pela presença de átomos de azoto na sua estrutura, que está descrita na literatura como vantajosa para a atividade biológica requerida, bem como na, já existente, atividade reportada que as mesmas estruturas apresentam a nível de doenças neuropsiquiátricas. Para a ligação do anel triazol ao açúcar, a técnica utilizada foi a Click Chemistry. No entanto, apesar de todas as tentativas realizadas não foi possível sintetizar nenhum composto através desta via. Foram utilizadas diversas estratégias, incluindo a proteção do grupo hidroxilo da posição 3 do anel de açúcar por três grupos protetores diferentes, benzilo, metilo e acetilo, bem como duas modificações estruturais que consistiram na substituição do grupo hidroxilo por iodo, num caso, e por hidrogénio no outro. Para a síntese do derivado pirazolidin-3-ona, foi efetuada uma ciclização de um éster a, ß-insaturado com a hidrazina monohidratada. Com este anel foram sintetizados dois conjuntos de três compostos, um par de isómeros, o S e o R, e um tautómero hidratado do heterociclo. [...]
Os açúcares são compostos naturais que se encontram disponíveis no nosso planeta. Estes compostos são constituídos por uma cadeia carbonada alifática com um grupo carbonilo, na forma de cetona ou de aldeído, e com um grupo hidroxilo ligado a cada um dos restantes carbonos. Acrescem ainda os compostos obtidos por reações de oxidação e de redução. São considerados derivados de glúcidos os compostos obtidos por substituição de um grupo hidroxilo por um halogéneo, um hidrogénio, uma cadeia carbonada, entre outras modificações. Esta classe de compostos começou a ser estudada no século XVIII, mas a maior parte dos avanços de elucidação estrutural e funcional só aconteceram no século XIX, com os estudos desenvolvidos por Emil Fischer. No entanto, só a partir do século XX, e com os avanços da ciência e da tecnologia é que se conseguiu estudar esta classe de compostos no seu expoente máximo. Consequentemente, foram descobertos inúmeros processos fisiológicos nos quais os açúcares ou os seus derivados participavam e, por isso, começou a tentar-se desenvolver compostos derivados de glúcidos com propriedades farmacológicas. Este interesse surgiu, naturalmente, não só pela função dos glúcidos no organismo mas também devido à sua estrutura, que evidencia um elevado número de carbonos quirais e que, consequentemente, tem um elevado número de centros estereogénicos que permitem a interação seletiva com alvos biológicos. Contudo, devido à quantidade de grupos hidroxilo livres, os açúcares, por si só, não são moléculas adequadas para serem utilizados como fármacos, por se revelarem demasiado polares, e, portanto, as suas propriedades farmacocinéticas não são as mais apropriadas, tendo, por isso, de ser objeto de modificações estruturais. Por todos estes motivos, os açúcares são considerados scaffolds privilegiados e podem ser ligados a diferentes farmacóforos, como por exemplo anéis heterocíclicos, formando nucleósidos e seus derivados. Dentro dos derivados dos nucleósidos, estão incluídos os pseudo-C-nucleósidos, que são constituídos por um anel heterocíclico que se encontra ligado ao carbono 4 do anel de furanose através de uma ligação carbono-carbono. Atualmente, já se encontram disponíveis vários fármacos com propriedades farmacológicas completamente distintas que têm na sua base estrutural um derivado de açúcar. Dentro das classes de fármacos representadas por, pelo menos, um composto glucídico estão os anticancerígenos, os antivirais, os agentes anti-Alzheimer e os anticonvulsivantes. Um composto importante que pertence à classe dos anticonvulsivantes é o topiramato. Este é constituído por um anel de piranose, com dois grupos isopropilideno, um ligado na posição 2 e 3 e outro na posição 4 e 5, e um grupo sulfamida ligado ao carbono 1. O topiramato bloqueia canais de sódio, potencia a ação do neurotransmissor inibitório GABA (ácido ?-aminobutírico) e é considerado um antagonista do neurotransmissor excitatório glutamato por atuação nos recetores AMPA (ácido a-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazolepropiónico) e cainato. Neste âmbito já existem estudos que confirmam a atividade deste composto no tratamento do transtorno bipolar (BD, do inglês, Bipolar Disorder), sendo este um ponto-chave do presente trabalho de investigação. O BD, também conhecido como transtorno maníaco-depressivo, afeta entre 1 a 4% da população mundial e carateriza-se por mudanças de humor recorrentes, denominadas como crises maníacas ou crises depressivas. As crises maníacas são, normalmente, fases em que a pessoa se apresenta extremamente eufórica em que o tratamento pode ser efetuado através de fármacos antipsicóticos, enquanto que as crises depressivas são fases em que a pessoa se sente deprimida, podendo, inclusivamente, apresentar tendências suicidas, e em que o tratamento pode ser efetuado através de fármacos antidepressivos. Atualmente, o fármaco mais eficaz que se encontra disponível no mercado para o tratamento deste transtorno é o Carbonato de Lítio. Este é um composto inorgânico e origina efeitos adversos muito significativos. Quando o tratamento em monoterapia não resulta, este fármaco pode ser combinado com o ácido valpróico ou com agentes antioxidantes. Contudo, este tipo de estratégia não é a mais adequada, uma vez que cerca de 37% dos pacientes medicados têm, pelo menos, uma crise de mania ou de depressão em menos de 1 ano, elevando-se para cerca de 60% em menos de 2 anos. Efetuando uma análise objetiva dos dados disponíveis, poder-se-á concluir que os fármacos que se encontram disponíveis no mercado são inefetivos contra este transtorno. Apesar dos estudos que se têm desenvolvido, ainda não foi possível identificar claramente as bases fisiopatológicas do BD. Contudo, sabe-se que existem alterações a nível de atividade de determinadas proteínas, sendo que a mais marcada é a hiperatividade na família das GSK-3 (Glicogénio Sintase Cinase 3), particularmente da GSK3B. Esta enzima é conhecida por estar envolvida no metabolismo energético celular e no desenvolvimento neuronal e, portanto, a sua hiperatividade desencadeia uma cascata de sinalização celular que pode originar danos neuronais irreparáveis e, inclusivamente, ser causa de morte neuronal. Apesar de ser ainda parcialmente desconhecido, tem-se assumido que o mecanismo de ação do Carbonato de Lítio se baseia no desencadeamento de múltiplos sinais e cascatas intracelulares que ocorrem através da inibição ou da ativação de recetores membranares. A principal via de atuação envolve a inibição dos canais de cálcio associados aos recetores NMDA (N-metil-D-aspartato), que são recetores do neurotransmissor excitatório glutamato. A inibição destes recetores, neste caso, permite proteger, a nível neuronal, o cérebro da excitotoxicidade1 provocada pelo excesso deste neurotransmissor. Atualmente, por falta de alternativas eficazes, a indústria farmacêutica tem vindo a utilizar técnicas de HTS (do inglês, High Throughput Screening) para avaliar fármacos comercializados para outras doenças do sistema nervoso central, tais como a esquizofrenia e a epilepsia, natentativa de encontrar compostos potencialmente bioativos destinados ao tratamento do BD. Os resultados têm sido promissores, particularmente no caso dos fármacos utilizados para o tratamento da epilepsia, que têm demonstrado maior eficácia, uma vez que a maior parte deles também atua em vias igualmente relevantes no BD. Como já referido, um dos exemplos mais relevantes neste contexto é o fármaco glucosídico topiramato. Assim sendo, existe clara necessidade de alargar as alternativas farmacológicas disponíveis para o tratamento desta doença, contribuindo para a melhoria da qualidade de vida daqueles que padecem desta doença. Além disso, estruturas glicosídicas com ação anticonvulsivante, podem ser um bom ponto de partida no desenvolvimento de compostos com esta atividade farmacológica. Desta forma, o objetivo desta dissertação foi sintetizar pseudo-C-nucleósidos, com potencial atividade para o tratamento do transtorno bipolar e posterior avaliação da citotoxicidade. Assim, tendo em conta a estrutura base do topiramato, foram realizadas alterações estruturais que incluíram a passagem do anel glucídico de piranose para furanose e a ligação de anéis heterocíclicos em vez de uma cadeia carbonada. Os triazóis, as pirazolidin-3-onas e os 5-hidroxipirazóis foram os heterociclos escolhidos para serem ligados aos açúcares. A pertinência da escolha destes substituintes é justificada pela presença de átomos de azoto na sua estrutura, que está descrita na literatura como vantajosa para a atividade biológica requerida, bem como na, já existente, atividade reportada que as mesmas estruturas apresentam a nível de doenças neuropsiquiátricas. Para a ligação do anel triazol ao açúcar, a técnica utilizada foi a Click Chemistry. No entanto, apesar de todas as tentativas realizadas não foi possível sintetizar nenhum composto através desta via. Foram utilizadas diversas estratégias, incluindo a proteção do grupo hidroxilo da posição 3 do anel de açúcar por três grupos protetores diferentes, benzilo, metilo e acetilo, bem como duas modificações estruturais que consistiram na substituição do grupo hidroxilo por iodo, num caso, e por hidrogénio no outro. Para a síntese do derivado pirazolidin-3-ona, foi efetuada uma ciclização de um éster a, ß-insaturado com a hidrazina monohidratada. Com este anel foram sintetizados dois conjuntos de três compostos, um par de isómeros, o S e o R, e um tautómero hidratado do heterociclo. [...]
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Keywords
5-Hydroxypyrazoles Bipolar Disorder Click Chemistry Pseudo-C-Nucleosides Pyrazolidin-3-Ones Topiramate