Biochemical mechanisms and target drugs in neurodegenerative diseases

Abstract

Neurodegenerative diseases, namely Alzheimer’s and Parkinson’s diseases are a major challenge for medicine and public health due to their prevalence in developed countries. Thus, the research for therapies for neurodegenerative diseases, such as Parkinson’s and Alzheimer’s diseases, should be based on understanding their molecular and biochemical pathogenesis. The research conducted in this thesis involves screening of different families of compounds (isoquinolinones, azepanones, indolinones, diether-esters, chromanones, chromanols and rivastigmine derivatives) based on their ability to inhibit the activity of the therapeutic targets acetylcholinesterase, butyrylcholinesterase and monoamine oxidase B. These targets were chosen for their importance in the neuropathology of Alzheimer’s and Parkinson’s diseases. The most promising compounds were then selected, and the determination of their action at the molecular level was studied via STD-NMR. These studies allow us to understand the importance of different functionalities within the inhibitor molecule on the inhibition of the selected targets, and thus direct the investigation in the sense of developing compounds that can be better inhibitors. Toxicological and pharmacological evaluation of the most promising synthesized compounds was performed using two different biological models, A. salina and Swiss mouse model. Compound 4-[(3-hydroxy-2-oxo-3-phenylindolin-1-yl)methyl]piperidin-1-ium chloride was tested ex vivo against hepatic AChE and BuChE, showing IC50 values of 594.64 μM and 434.51 μM, respectively. This compound was also assayed in vivo after intraperitoneal administration of 3 mg kg-1 and 6 mg kg-1 in Swiss mice, using donepezil (3 mg kg-1) as a benchmark. This synthetic compound gave better brain AChE inhibition than donepezil, indicating that this compound might have a similar brain uptake mechanism to that of donepezil; Resumo: Mecanismos bioquímicos e alvos terapêuticos em patologias neurodegenerativas As doenças neurodegenerativas, nomeadamente as doenças de Alzheimer e Parkinson são um enorme desafio quer para a medicina quer em termos de saúde pública devido à sua prevalência nos países desenvolvidos. Assim, a pesquisa de terapias para doenças neurodegenerativas, como o Parkinson e o Alzheimer, deve ser baseada na compreensão da sua patogénese molecular e bioquímica. Este trabalho envolve screening de diferentes famílias de compostos; derivados de isoquinolinonas, azepanonas, indolinonas, dieter-ester, cromanonas, cromanois e de rivastigmina, baseado na sua capacidade de inibir a atividade de alvos terapêuticos de algumas doenças neurodegenerativas como Alzheimer e Parkinson, nomeadamente: acetilcolinesterase, butirilcolinesterase e monoamino oxidase B. Os compostos promissores foram selecionados para determinação da sua ação a nível molecular por STD-NMR. Este estudo permite compreender a importância dos diferentes grupos funcionais na inibição dos alvos selecionados, e desta forma, direcionar a investigação no sentido de desenvolver compostos com maior atividade inibitória. A avaliação toxicológica e farmacológica dos compostos sintetizados mais promissores foi efetuada utilizando dois modelos biológicos diferentes, A. salina e ratinho Swiss. O composto cloreto de 4-[(3-hidroxi-2-oxo-3-fenilindolin-1-il) metil] piperidin-1-ium foi testado ex vivo em homogenatos de hepatócito de murganho Swiss, tendo apresentado valores de IC50 de 594.64 μM e de 434.51 μM para as atividades de AChE e BuChE, respetivamente. A capacidade inibitória deste composto foi também avaliada in vivo após administração interperitoneal de 3 mg kg-1 e 6 mg kg-1 em ratinhos Swiss, utilizando donepezilo (3 mg kg-1) como padrão. Os resultados mostraram que o composto sintetizado apresentou valores de inibição de atividade de AChE no cérebro superiores aos observados para o donepezilo, podendo indicar que a sua captação pelos tecidos cerebrais poderá ser efetuada de modo semelhante à do donepezilo.