Published November 1, 2005 | Version v1
Publication

A Novel Approach for Computer-Aided "Rational" Drug Design: Theoretical and Experimental Assessment of a Promising Method for Virtual Screening and in silico Design of New Antimalarial Compounds

  • 1. Laboratoire de Chimie Moléculaire
  • 2. Central University of Las Villas
  • 3. Molécules d'Intérêt Biologique
  • 4. University of Paris-Sud
  • 5. Institut Polytechnique de Paris
  • 6. French National Centre for Scientific Research
  • 7. Instituto Butantan

Description

Malaria is one of the most significant public health concerns in many tropical and subtropical regions of the world, with 40% of the world population exposed to malaria-causing parasites. Increasing resistance of Plasmodium spp. to existing therapies has heightened alarms about malaria in the international health community. Nowadays there is a pressing need to identify and develop new drug-based antimalarial therapies. In an effort to overcome this problem, the main aim of this study was to develop simple linear discriminant-based QSAR models for the classification and prediction of antimalarial activity using some of the TOMOCOMD-CARDD fingerprints, so as to enable computational screening from virtual combinatorial datasets. In this sense a database of 1562 organic-chemicals having great structural variability; 597 of them antimalarial agents and 965 compounds having other clinical uses, was analyzed and presented as a helpful tool not only for theoretical chemist but also for other researchers in this area. These series of compounds were processed by a k-means cluster analysis in order to design training and predicting sets. Afterward, two linear classification functions were derived toward discrimination between antimalarial and non-antimalarial compounds. The models (including non-stochastic and stochastic indices) classify correctly more than 93% of compounds in both training and external prediction datasets. They showed high Matthews´ correlation coefficients; 0.889 and 0.866 for training and 0.855 and 0.857 for test set. Models predictivity were also assessed and validated by the random removal of 10% of the compounds to form a test set, for which predictions were made from the models. The overall mean of the correct classification for this process (leave-group 10% full-out cross-validation) for obtained equations with non-stochastic and stochastic quadratic fingerprints were 93.93% and 92.77%, correspondingly. The quadratic maps-based TOMOCOMD-CARDD approach implemented in this work was successfully compared with four of the most useful models for antimalarials selection reported to date. The models developed with non-stochastic and stochastic quadratic indices were then used in a simulation of a virtual search for Ras FTase inhibitors with antimalarial activity; 70% and 100% of the 10 inhibitors used in this virtual search were correctly classified, showing the ability of the models to identify new lead antimalarials. Finally, these two QSAR models were used in the identification of previously un-known antimalarials compounds. In this sense, three synthetic intermediaries of quinolinic compounds were evaluated as active/inactive ones using the developed models. The synthesis and biological evaluation of these chemicals against two Malaria strains, using Chloroquine as reference, was performed. An accuracy of 100% with the theoretical predictions was observed. The compound 3 shown antimalarial activity, being the first report of an arylaminomethylenemalonate having such activity. This result opens a door to a virtual study considering a higher variability of the central core already evaluated, as well as other chemicals not included in this family. We conclude that the approach described here seems to be a promising QSAR tool for molecular discovery of novel classes of antimalarial drugs which may meet the dual challenges posed by drug-resistant parasites and the rapid progression of malaria illness.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تعد الملاريا واحدة من أهم مخاوف الصحة العامة في العديد من المناطق الاستوائية وشبه الاستوائية في العالم، حيث يتعرض 40 ٪ من سكان العالم للطفيليات المسببة للملاريا. أدت زيادة مقاومة البلازموديوم للعلاجات الحالية إلى زيادة الإنذارات بشأن الملاريا في المجتمع الصحي الدولي. في الوقت الحاضر، هناك حاجة ملحة لتحديد وتطوير علاجات جديدة مضادة للملاريا قائمة على الأدوية. في محاولة للتغلب على هذه المشكلة، كان الهدف الرئيسي من هذه الدراسة هو تطوير نماذج QSAR خطية بسيطة قائمة على التمييز لتصنيف النشاط المضاد للملاريا والتنبؤ به باستخدام بعض بصمات أصابع TOMOCOMD - CARDD، وذلك لتمكين الفحص الحسابي من مجموعات البيانات التوافقية الافتراضية. وبهذا المعنى، تم تحليل قاعدة بيانات تضم 1562 مادة كيميائية عضوية ذات تقلبات هيكلية كبيرة ؛ 597 منها عوامل مضادة للملاريا و 965 مركبًا لها استخدامات سريرية أخرى، وتم تقديمها كأداة مفيدة ليس فقط للكيميائي النظري ولكن أيضًا للباحثين الآخرين في هذا المجال. تمت معالجة هذه السلسلة من المركبات من خلال تحليل مجموعة k - means من أجل تصميم مجموعات التدريب والتنبؤ. بعد ذلك، تم اشتقاق وظيفتي تصنيف خطيتين نحو التمييز بين المركبات المضادة للملاريا وغير المضادة للملاريا. تصنف النماذج (بما في ذلك المؤشرات غير العشوائية والمؤشرات العشوائية) بشكل صحيح أكثر من 93 ٪ من المركبات في كل من مجموعات بيانات التدريب والتنبؤ الخارجي. أظهروا معاملات ارتباط ماثيوز عالية ؛ 0.889 و 0.866 للتدريب و 0.855 و 0.857 لمجموعة الاختبار. كما تم تقييم النماذج التنبؤية والتحقق من صحتها من خلال الإزالة العشوائية لـ 10 ٪ من المركبات لتشكيل مجموعة اختبار، والتي تم إجراء تنبؤات لها من النماذج. كان المتوسط العام للتصنيف الصحيح لهذه العملية (إجازة المجموعة 10 ٪ من التحقق المتبادل الكامل) للمعادلات التي تم الحصول عليها مع بصمات الأصابع غير العشوائية والعشوائية التربيعية 93.93 ٪ و 92.77 ٪، على التوالي. تمت مقارنة نهج TOMOCOMD - CARDD القائم على الخرائط التربيعية الذي تم تنفيذه في هذا العمل بنجاح مع أربعة من أكثر النماذج المفيدة لاختيار الأدوية المضادة للملاريا التي تم الإبلاغ عنها حتى الآن. ثم تم استخدام النماذج التي تم تطويرها باستخدام مؤشرات تربيعية غير عشوائية وعشوائية في محاكاة للبحث الافتراضي عن مثبطات RAS FTase ذات النشاط المضاد للملاريا ؛ تم تصنيف 70 ٪ و 100 ٪ من المثبطات العشرة المستخدمة في هذا البحث الافتراضي بشكل صحيح، مما يدل على قدرة النماذج على تحديد مضادات الملاريا الرئيسية الجديدة. أخيرًا، تم استخدام هذين النموذجين QSAR في تحديد المركبات المضادة للملاريا غير المعروفة سابقًا. وبهذا المعنى، تم تقييم ثلاثة وسطاء اصطناعيين لمركبات الكينولينيك على أنها نشطة/غير نشطة باستخدام النماذج المتقدمة. تم إجراء التوليف والتقييم البيولوجي لهذه المواد الكيميائية ضد سلالتين من الملاريا، باستخدام الكلوروكين كمرجع. ولوحظت دقة بنسبة 100 ٪ مع التنبؤات النظرية. أظهر المركب 3 نشاطًا مضادًا للملاريا، وهو أول تقرير عن وجود مثل هذا النشاط. تفتح هذه النتيجة بابًا لدراسة افتراضية مع الأخذ في الاعتبار التباين العالي للنواة المركزية التي تم تقييمها بالفعل، بالإضافة إلى المواد الكيميائية الأخرى غير المدرجة في هذه العائلة. نستنتج أن النهج الموصوف هنا يبدو أنه أداة QSAR واعدة للاكتشاف الجزيئي لفئات جديدة من الأدوية المضادة للملاريا التي قد تواجه التحديات المزدوجة التي تفرضها الطفيليات المقاومة للأدوية والتطور السريع لمرض الملاريا.

Translated Description (French)

Le paludisme est l'un des problèmes de santé publique les plus importants dans de nombreuses régions tropicales et subtropicales du monde, 40 % de la population mondiale étant exposée aux parasites responsables du paludisme. L'augmentation de la résistance de Plasmodium spp. aux thérapies existantes a accru les alarmes concernant le paludisme dans la communauté sanitaire internationale. De nos jours, il est urgent d'identifier et de développer de nouveaux traitements antipaludiques à base de médicaments. Dans un effort pour surmonter ce problème, l'objectif principal de cette étude était de développer des modèles QSAR simples basés sur des discriminants linéaires pour la classification et la prédiction de l'activité antipaludique en utilisant certaines des empreintes digitales TOMOCOMD-CARDD, afin de permettre le criblage computationnel à partir d'ensembles de données combinatoires virtuels. En ce sens, une base de données de 1562 produits chimiques organiques présentant une grande variabilité structurelle, dont 597 agents antipaludiques et 965 composés ayant d'autres utilisations cliniques, a été analysée et présentée comme un outil utile non seulement pour le chimiste théorique, mais également pour d'autres chercheurs dans ce domaine. Ces séries de composés ont été traitées par une analyse en grappes k-means afin de concevoir des ensembles de formation et de prédiction. Par la suite, deux fonctions de classification linéaire ont été dérivées vers la discrimination entre les composés antipaludiques et non antipaludiques. Les modèles (y compris les indices non stochastiques et stochastiques) classent correctement plus de 93 % des composés dans les ensembles de données de formation et de prédiction externe. Ils ont montré des coefficients de corrélation de Matthews élevés ; 0,889 et 0,866 pour l'entraînement et 0,855 et 0,857 pour la série de tests. La prédictivité des modèles a également été évaluée et validée par l'élimination aléatoire de 10 % des composés pour former un ensemble de tests, pour lequel des prédictions ont été faites à partir des modèles. La moyenne globale de la classification correcte pour ce processus (validation croisée complète du groupe de congé de 10%) pour les équations obtenues avec des empreintes digitales quadratiques non stochastiques et stochastiques était de 93,93% et 92,77%, en conséquence. L'approche TOMOCOMD-CARDD basée sur des cartes quadratiques mise en œuvre dans ce travail a été comparée avec succès à quatre des modèles les plus utiles pour la sélection des antipaludiques rapportés à ce jour. Les modèles développés avec des indices quadratiques non stochastiques et stochastiques ont ensuite été utilisés dans une simulation d'une recherche virtuelle d'inhibiteurs de la Ras FTase ayant une activité antipaludique ; 70% et 100% des 10 inhibiteurs utilisés dans cette recherche virtuelle ont été correctement classés, montrant la capacité des modèles à identifier de nouveaux antipaludiques du plomb. Enfin, ces deux modèles QSAR ont été utilisés dans l'identification de composés antipaludiques jusque-là inconnus. En ce sens, trois intermédiaires synthétiques de composés quinoliniques ont été évalués comme actifs/inactifs à l'aide des modèles développés. La synthèse et l'évaluation biologique de ces produits chimiques contre deux souches de paludisme, en utilisant la chloroquine comme référence, ont été effectuées. Une précision de 100% avec les prédictions théoriques a été observée. Le composé 3 a montré une activité antipaludique, étant le premier rapport d'un arylaminométhylènemalonate ayant une telle activité. Ce résultat ouvre la porte à une étude virtuelle prenant en compte une plus grande variabilité du noyau central déjà évalué, ainsi que d'autres produits chimiques non inclus dans cette famille. Nous concluons que l'approche décrite ici semble être un outil QSAR prometteur pour la découverte moléculaire de nouvelles classes de médicaments antipaludiques qui peuvent répondre au double défi posé par les parasites résistants aux médicaments et la progression rapide de la maladie du paludisme.

Translated Description (Spanish)

La malaria es uno de los problemas de salud pública más importantes en muchas regiones tropicales y subtropicales del mundo, con un 40% de la población mundial expuesta a los parásitos que causan la malaria. El aumento de la resistencia de Plasmodium spp. a las terapias existentes ha aumentado las alarmas sobre la malaria en la comunidad sanitaria internacional. Hoy en día existe una necesidad apremiante de identificar y desarrollar nuevas terapias antimaláricas basadas en medicamentos. En un esfuerzo por superar este problema, el objetivo principal de este estudio fue desarrollar modelos QSAR simples basados en discriminantes lineales para la clasificación y predicción de la actividad antipalúdica utilizando algunas de las huellas digitales de TOMOCOMD-CARDD, a fin de permitir el cribado computacional a partir de conjuntos de datos combinatorios virtuales. En este sentido, se analizó una base de datos de 1562 productos químicos orgánicos con gran variabilidad estructural; 597 de ellos agentes antipalúdicos y 965 compuestos con otros usos clínicos, y se presentó como una herramienta útil no solo para el químico teórico sino también para otros investigadores en esta área. Estas series de compuestos se procesaron mediante un análisis de grupo k-means para diseñar conjuntos de capacitación y predicción. Posteriormente, se derivaron dos funciones de clasificación lineal hacia la discriminación entre compuestos antipalúdicos y no antipalúdicos. Los modelos (incluidos los índices no estocásticos y estocásticos) clasifican correctamente más del 93% de los compuestos tanto en conjuntos de datos de entrenamiento como de predicción externa. Mostraron altos coeficientes de correlación de Matthews; 0.889 y 0.866 para el entrenamiento y 0.855 y 0.857 para el conjunto de pruebas. La predictividad de los modelos también se evaluó y validó mediante la eliminación aleatoria del 10% de los compuestos para formar un conjunto de pruebas, para lo cual se realizaron predicciones a partir de los modelos. La media general de la clasificación correcta para este proceso (validación cruzada completa del 10% del grupo de salida) para las ecuaciones obtenidas con huellas dactilares cuadráticas no estocásticas y estocásticas fue del 93,93% y 92,77%, respectivamente. El enfoque basado en mapas cuadráticos TOMOCOMD-CARDD implementado en este trabajo se comparó con éxito con cuatro de los modelos más útiles para la selección de antipalúdicos informados hasta la fecha. Los modelos desarrollados con índices cuadráticos no estocásticos y estocásticos se utilizaron luego en una simulación de una búsqueda virtual de inhibidores de Ras FTasa con actividad antimalárica; el 70% y el 100% de los 10 inhibidores utilizados en esta búsqueda virtual se clasificaron correctamente, lo que muestra la capacidad de los modelos para identificar nuevos antipalúdicos principales. Finalmente, estos dos modelos QSAR se utilizaron en la identificación de compuestos antimaláricos previamente desconocidos. En este sentido, se evaluaron tres intermediarios sintéticos de compuestos quinolínicos como activos/inactivos utilizando los modelos desarrollados. Se realizó la síntesis y evaluación biológica de estos químicos frente a dos cepas de Malaria, utilizando Cloroquina como referencia. Se observó una exactitud del 100% con las predicciones teóricas. El compuesto 3 mostró actividad antipalúdica, siendo el primer informe de un arilaminometilenmalonato que tiene dicha actividad. Este resultado abre la puerta a un estudio virtual considerando una mayor variabilidad del núcleo central ya evaluado, así como de otros químicos no incluidos en esta familia. Concluimos que el enfoque descrito aquí parece ser una herramienta QSAR prometedora para el descubrimiento molecular de nuevas clases de medicamentos antipalúdicos que pueden cumplir con los desafíos duales planteados por los parásitos resistentes a los medicamentos y la rápida progresión de la enfermedad de la malaria.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
نهج جديد لتصميم الأدوية "العقلانية" بمساعدة الكمبيوتر: التقييم النظري والتجريبي لطريقة واعدة للفحص الافتراضي والتصميم السيليكي للمركبات الجديدة المضادة للملاريا
Translated title (French)
Une nouvelle approche pour la conception de médicaments « rationnelle » assistée par ordinateur : évaluation théorique et expérimentale d'une méthode prometteuse pour le dépistage virtuel et la conception in silico de nouveaux composés antipaludiques
Translated title (Spanish)
Un nuevo enfoque para el diseño "racional" de fármacos asistido por ordenador: evaluación teórica y experimental de un método prometedor para la detección virtual y el diseño in silico de nuevos compuestos antimaláricos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2901675792
DOI
10.3390/ecsoc-9-01664

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Cuba

References

  • https://openalex.org/W1506801048
  • https://openalex.org/W1515081291
  • https://openalex.org/W1965345429
  • https://openalex.org/W1965914206
  • https://openalex.org/W1971817686
  • https://openalex.org/W1971874117
  • https://openalex.org/W1974697910
  • https://openalex.org/W1975173042
  • https://openalex.org/W1980121952
  • https://openalex.org/W1984042680
  • https://openalex.org/W1990074634
  • https://openalex.org/W1990200116
  • https://openalex.org/W1993418211
  • https://openalex.org/W2002503642
  • https://openalex.org/W2009591425
  • https://openalex.org/W2010926985
  • https://openalex.org/W2013333835
  • https://openalex.org/W2017013630
  • https://openalex.org/W2018049826
  • https://openalex.org/W2020251171
  • https://openalex.org/W2020869209
  • https://openalex.org/W2023970272
  • https://openalex.org/W2025046262
  • https://openalex.org/W2027452158
  • https://openalex.org/W2027815353
  • https://openalex.org/W2032948877
  • https://openalex.org/W2045133086
  • https://openalex.org/W2052191215
  • https://openalex.org/W2054553438
  • https://openalex.org/W2058655555
  • https://openalex.org/W2065434265
  • https://openalex.org/W2065753888
  • https://openalex.org/W2067091680
  • https://openalex.org/W2071494467
  • https://openalex.org/W2072616338
  • https://openalex.org/W2072879344
  • https://openalex.org/W2075017146
  • https://openalex.org/W2076046206
  • https://openalex.org/W2079456758
  • https://openalex.org/W2085586848
  • https://openalex.org/W2087470089
  • https://openalex.org/W2092843759
  • https://openalex.org/W2094253930
  • https://openalex.org/W2094942990
  • https://openalex.org/W2095915800
  • https://openalex.org/W2107432340
  • https://openalex.org/W2107680276
  • https://openalex.org/W2112022094
  • https://openalex.org/W2112440119
  • https://openalex.org/W2133293687
  • https://openalex.org/W2142512079
  • https://openalex.org/W2148907336
  • https://openalex.org/W2172268214
  • https://openalex.org/W2206604145
  • https://openalex.org/W2301591521
  • https://openalex.org/W2329686304
  • https://openalex.org/W2473298393
  • https://openalex.org/W2949770356
  • https://openalex.org/W2951869593
  • https://openalex.org/W2952293578
  • https://openalex.org/W2952992350
  • https://openalex.org/W2953107357
  • https://openalex.org/W54822236