Published February 23, 2024 | Version v1
Publication Open

Receptor-based pharmacophore modeling, molecular docking, synthesis and biological evaluation of novel VEGFR-2, FGFR-1, and BRAF multi-kinase inhibitors

  • 1. National Research Centre
  • 2. Cairo University

Description

A receptor-based pharmacophore model describing the binding features required for the multi-kinase inhibition of the target kinases (VEGFR-2, FGFR-1, and BRAF) were constructed and validated. It showed a good overall quality in discriminating between the active and the inactive in a compiled test set compounds with F1 score of 0.502 and Mathew's correlation coefficient of 0.513. It described the ligand binding to the hinge region Cys or Ala, the glutamate residue of the Glu-Lys αC helix conserved pair, the DFG motif Asp at the activation loop, and the allosteric back pocket next to the ATP binding site. Moreover, excluded volumes were used to define the steric extent of the binding sites. The application of the developed pharmacophore model in virtual screening of an in-house scaffold dataset resulted in the identification of a benzimidazole-based scaffold as a promising hit within the dataset. Compounds 8a-u were designed through structural optimization of the hit benzimidazole-based scaffold through (un)substituted aryl substitution on 2 and 5 positions of the benzimidazole ring. Molecular docking simulations and ADME properties predictions confirmed the promising characteristics of the designed compounds in terms of binding affinity and pharmacokinetic properties, respectively. The designed compounds 8a-u were synthesized, and they demonstrated moderate to potent VEGFR-2 inhibitory activity at 10 µM. Compound 8u exhibited a potent inhibitory activity against the target kinases (VEGFR-2, FGFR-1, and BRAF) with IC50 values of 0.93, 3.74, 0.25 µM, respectively. The benzimidazole derivatives 8a-u were all selected by the NCI (USA) to conduct their anti-proliferation screening. Compounds 8a and 8d resulted in a potent mean growth inhibition % (GI%) of 97.73% and 92.51%, respectively. Whereas compounds 8h, 8j, 8k, 8o, 8q, 8r, and 8u showed a mean GI% > 100% (lethal effect). The most potent compounds on the NCI panel of 60 different cancer cell lines were progressed further to NCI five-dose testing. The benzimidazole derivatives 8a, 8d, 8h, 8j, 8k, 8o, 8q, 8r and 8u exhibited potent anticancer activity on the tested cell lines reaching sub-micromolar range. Moreover, 8u was found to induce cell cycle arrest of MCF-7 cell line at the G2/M phase and accumulating cells at the sub-G1 phase as a result of cell apoptosis.

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

Translated Description (Arabic)

تم بناء نموذج دوائي قائم على المستقبلات يصف ميزات الربط المطلوبة لتثبيط الكيناز المتعدد للكاينازات المستهدفة (VEGFR -2 و FGFR -1 و BRAF) والتحقق من صحتها. أظهرت جودة شاملة جيدة في التمييز بين النشط وغير النشط في مجموعة اختبار مجمعة مع درجة F1 البالغة 0.502 ومعامل ارتباط ماثيو البالغ 0.513. ووصفت الرابطة المرتبطة بمنطقة المفصلة Cys أو ALA، وبقايا الجلوتامات للزوج المحفوظ من حلزون Glu - Lys αC، وزخرفة DFG Asp في حلقة التنشيط، والجيب الخلفي التفارغي بجوار موقع ربط ATP. علاوة على ذلك، تم استخدام الأحجام المستبعدة لتحديد المدى المعقم لمواقع الربط. أدى تطبيق نموذج المستحضر الدوائي المطور في الفحص الافتراضي لمجموعة بيانات سقالة داخلية إلى تحديد سقالة قائمة على البنزيميدازول كضربة واعدة داخل مجموعة البيانات. تم تصميم المركبات 8a - u من خلال التحسين الهيكلي للسقالة القائمة على البنزيميدازول من خلال استبدال الأريل (غير) في 2 و 5 مواضع من حلقة البنزيميدازول. أكدت محاكاة الالتحام الجزيئي وتنبؤات خصائص ADME الخصائص الواعدة للمركبات المصممة من حيث تقارب الارتباط وخصائص الحرائك الدوائية، على التوالي. تم تصنيع المركبات المصممة 8a - u، وأظهرت نشاطًا مثبطًا معتدلًا إلى قويًا لـ VEGFR -2 عند 10 ميكرومتر. أظهر المركب 8u نشاطًا مثبطًا قويًا ضد إنزيمات الكيناز المستهدفة (VEGFR -2 و FGFR -1 و BRAF) بقيم IC50 تبلغ 0.93 و 3.74 و 0.25 ميكرومتر على التوالي. تم اختيار جميع مشتقات البنزيميدازول 8a - u من قبل NCI (الولايات المتحدة الأمريكية) لإجراء فحص مكافحة الانتشار. أدت المركبتان 8 أ و 8 د إلى تثبيط قوي لمتوسط النمو ٪ (GI٪) بنسبة 97.73 ٪ و 92.51 ٪ على التوالي. في حين أظهرت المركبات 8h و 8j و 8k و 8o و 8q و 8r و 8u متوسط GI٪> 100 ٪ (تأثير مميت). تم تطوير المركبات الأكثر فعالية على لوحة NCI المكونة من 60 خطًا مختلفًا من الخلايا السرطانية بعد اختبار خمس جرعات من NCI. أظهرت مشتقات البنزيميدازول 8a و 8d و 8h و 8j و 8k و 8o و 8q و 8r و 8u نشاطًا قويًا مضادًا للسرطان على خطوط الخلايا المختبرة التي تصل إلى نطاق تحت الميكرومولار. علاوة على ذلك، وجد أن 8u يحفز إيقاف دورة الخلية لخط خلية MCF -7 في طور G2/M والخلايا المتراكمة في طور G1 الفرعي نتيجة لاستماتة الخلايا.

Translated Description (French)

Un modèle pharmacophore basé sur les récepteurs décrivant les caractéristiques de liaison requises pour l'inhibition multi-kinase des kinases cibles (VEGFR-2, FGFR-1 et BRAF) a été construit et validé. Il a montré une bonne qualité globale dans la discrimination entre les composés actifs et inactifs dans un ensemble de tests compilé avec un score F1 de 0,502 et un coefficient de corrélation de Mathew de 0,513. Il décrit la liaison du ligand à la région charnière Cys ou Ala, le résidu glutamate de la paire conservée de l'hélice αC de Glu-Lys, le motif DFG Asp au niveau de la boucle d'activation et la poche arrière allostérique à côté du site de liaison à l'ATP. De plus, des volumes exclus ont été utilisés pour définir l'étendue stérique des sites de liaison. L'application du modèle pharmacophore développé dans le dépistage virtuel d'un ensemble de données d'échafaudage interne a abouti à l'identification d'un échafaudage à base de benzimidazole comme un succès prometteur dans l'ensemble de données. Les composés 8a-u ont été conçus par optimisation structurelle de l'échafaudage à base de benzimidazole hit par substitution aryle (non)substituée sur 2 et 5 positions du cycle benzimidazole. Les simulations d'amarrage moléculaire et les prédictions des propriétés ADME ont confirmé les caractéristiques prometteuses des composés conçus en termes d'affinité de liaison et de propriétés pharmacocinétiques, respectivement. Les composés 8a-u conçus ont été synthétisés, et ils ont démontré une activité inhibitrice du VEGFR-2 modérée à puissante à 10 µM. Le composé 8u présentait une activité inhibitrice puissante contre les kinases cibles (VEGFR-2, FGFR-1 et BRAF) avec des valeurs de CI50 de 0,93, 3,74 et 0,25 µM, respectivement. Les dérivés du benzimidazole 8a-u ont tous été sélectionnés par le NCI (USA) pour mener leur dépistage anti-prolifération. Les composés 8a et 8d ont entraîné un puissant pourcentage moyen d'inhibition de la croissance (GI%) de 97,73 % et 92,51 %, respectivement. Alors que les composés 8h, 8j, 8k, 8o, 8q, 8r et 8u ont montré un % GI moyen > 100 % (effet létal). Les composés les plus puissants du panel NCI de 60 lignées cellulaires cancéreuses différentes ont progressé à la suite des tests à cinq doses du NCI. Les dérivés de benzimidazole 8a, 8d, 8h, 8j, 8k, 8o, 8q, 8r et 8u ont montré une puissante activité anticancéreuse sur les lignées cellulaires testées atteignant une plage submicromolaire. De plus, 8u a induit l'arrêt du cycle cellulaire de la lignée cellulaire MCF-7 à la phase G2/M et l'accumulation de cellules à la phase sub-G1 à la suite de l'apoptose cellulaire.

Translated Description (Spanish)

Se construyó y validó un modelo de farmacóforo basado en receptores que describe las características de unión necesarias para la inhibición multicinasa de las cinasas diana (VEGFR-2, FGFR-1 y BRAF). Mostró una buena calidad general al discriminar entre lo activo y lo inactivo en un conjunto de compuestos de prueba compilados con una puntuación F1 de 0.502 y un coeficiente de correlación de Mathew de 0.513. Describió la unión del ligando a la región bisagra Cys o Ala, el residuo de glutamato del par conservado de la hélice αC Glu-Lys, el motivo DFG Asp en el bucle de activación y el bolsillo posterior alostérico junto al sitio de unión a ATP. Además, se utilizaron volúmenes excluidos para definir la extensión estérica de los sitios de unión. La aplicación del modelo de farmacóforo desarrollado en la detección virtual de un conjunto de datos de andamiaje interno dio como resultado la identificación de un andamiaje basado en bencimidazol como un éxito prometedor dentro del conjunto de datos. Los compuestos 8a-u se diseñaron a través de la optimización estructural del andamiaje basado en bencimidazol hit a través de la sustitución de arilo (no)sustituido en las posiciones 2 y 5 del anillo de bencimidazol. Las simulaciones de acoplamiento molecular y las predicciones de propiedades de ADME confirmaron las características prometedoras de los compuestos diseñados en términos de afinidad de unión y propiedades farmacocinéticas, respectivamente. Los compuestos diseñados 8a-u se sintetizaron y demostraron actividad inhibidora de VEGFR-2 de moderada a potente a 10 µM. El compuesto 8u exhibió una potente actividad inhibidora contra las cinasas diana (VEGFR-2, FGFR-1 y BRAF) con valores de IC50 de 0.93, 3.74, 0.25 µM, respectivamente. Los derivados de bencimidazol 8a-u fueron seleccionados por el NCI (EE. UU.) para realizar su detección antiproliferación. Los compuestos 8a y 8d dieron como resultado un potente % de inhibición del crecimiento medio (GI%) de 97.73% y 92.51%, respectivamente. Mientras que los compuestos 8h, 8j, 8k, 8o, 8q, 8r y 8u mostraron un IG medio % > 100% (efecto letal). Los compuestos más potentes en el panel del NCI de 60 líneas celulares cancerosas diferentes progresaron más allá de las pruebas de cinco dosis del NCI. Los derivados de bencimidazol 8a, 8d, 8h, 8j, 8k, 8o, 8q, 8r y 8u exhibieron una potente actividad anticancerígena en las líneas celulares analizadas que alcanzaron un rango submicromolar. Además, se descubrió que 8u induce la detención del ciclo celular de la línea celular MCF-7 en la fase G2/M y la acumulación de células en la fase sub-G1 como resultado de la apoptosis celular.

Files

s13065-024-01135-0.pdf

Files (2.7 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:f97fe6831793dab4d6e3d536b8fa6210
2.7 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
النمذجة الدوائية القائمة على المستقبلات، والالتحام الجزيئي، والتوليف والتقييم البيولوجي لمثبطات VEGFR -2 و FGFR -1 و BRAF متعددة الكيناز
Translated title (French)
Modélisation des pharmacophores basée sur les récepteurs, accostage moléculaire, synthèse et évaluation biologique des nouveaux inhibiteurs multikinases VEGFR-2, FGFR-1 et BRAF
Translated title (Spanish)
Modelado de farmacóforos basado en receptores, acoplamiento molecular, síntesis y evaluación biológica de nuevos inhibidores de multiquinasas VEGFR-2, FGFR-1 y BRAF

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4392099195
DOI
10.1186/s13065-024-01135-0

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Egypt

References

  • https://openalex.org/W1551335305
  • https://openalex.org/W1568010007
  • https://openalex.org/W1653739410
  • https://openalex.org/W1881469793
  • https://openalex.org/W1891334654
  • https://openalex.org/W1948045151
  • https://openalex.org/W1976262446
  • https://openalex.org/W1982486040
  • https://openalex.org/W1992522992
  • https://openalex.org/W1993700689
  • https://openalex.org/W2001059786
  • https://openalex.org/W2028401007
  • https://openalex.org/W2028415754
  • https://openalex.org/W2058578594
  • https://openalex.org/W2063544208
  • https://openalex.org/W2066848234
  • https://openalex.org/W2068549807
  • https://openalex.org/W2088123597
  • https://openalex.org/W2094141392
  • https://openalex.org/W2116773587
  • https://openalex.org/W2123541095
  • https://openalex.org/W2124662474
  • https://openalex.org/W2131487381
  • https://openalex.org/W2139560553
  • https://openalex.org/W2142656868
  • https://openalex.org/W2156373035
  • https://openalex.org/W2160605524
  • https://openalex.org/W2166573361
  • https://openalex.org/W2225513621
  • https://openalex.org/W2272214669
  • https://openalex.org/W2312281273
  • https://openalex.org/W2396930286
  • https://openalex.org/W2514059345
  • https://openalex.org/W2593436234
  • https://openalex.org/W2609237181
  • https://openalex.org/W2635415917
  • https://openalex.org/W2790131695
  • https://openalex.org/W2794930605
  • https://openalex.org/W2898073106
  • https://openalex.org/W2900605906
  • https://openalex.org/W2922159934
  • https://openalex.org/W2945763886
  • https://openalex.org/W2951548994
  • https://openalex.org/W2952075276
  • https://openalex.org/W2970234165
  • https://openalex.org/W2981810096
  • https://openalex.org/W2982051641
  • https://openalex.org/W2995463243
  • https://openalex.org/W3000553806
  • https://openalex.org/W3006185147
  • https://openalex.org/W3056535081
  • https://openalex.org/W3108059695
  • https://openalex.org/W3166885590
  • https://openalex.org/W3174922262
  • https://openalex.org/W3217203856
  • https://openalex.org/W4200468895
  • https://openalex.org/W4210392176
  • https://openalex.org/W4224936484
  • https://openalex.org/W4245380305
  • https://openalex.org/W4281264176
  • https://openalex.org/W4294018365
  • https://openalex.org/W4376226672
  • https://openalex.org/W4378573801
  • https://openalex.org/W4384499163
  • https://openalex.org/W4387747222