Discovery of hydrazinobenzimidazole derivatives as Plasmodium falciparum inhibitors: Organic Synthesis, Biological Activity and Structure-Activity Relationships

A malária é a doença tropical com maior taxa de mortalidade global. O surgimento de resistência às terapias de primeira linha reforça a necessidade do desenvolvimento de novos candidatos a fármacos. O objetivo deste trabalho foi a descoberta de inibidores e otimização da atividade destas moléculas como candidatos a compostos líderes para o desenvolvimento de novos agentes antimaláricos. Nesse sentido, realizamos a triagem da coleção Malaria Box e identificamos 11 moléculas de diferentes classes químicas como candidatos a inibidores da enzima enolase de Plasmodium falciparum (Pfeno). Em seguida, determinamos a potência inibitória contra a enzima alvo (IC50 entre 11 – >1.000 μM), atividade antiplasmodial in vitro contra a forma eritrocítica do parasito (EC503D7 entre 5,6–1.600 nM) e citotoxicidade (MCL50 > 19 μM) do subconjunto de 11 compostos do Malaria Box (1–11). Ensaios de combinação com o antimalárico artesunato e estágio de ação foram conduzidos para avaliar o potencial de associação e qual fase do ciclo eritrocítico seria mais suscetível as moléculas desse subconjunto. Os resultados obtidos indicam que alguns compostos apresentam caráter aditivo (2 e 9) ou antagônico (1, 3–8, 10 e 11) em relação ao artesunato e ação rápida (1–3, 5, 7, 9–11) ou lenta (4, 6 e 8) no desenvolvimento do parasita. Diante desses resultados, um conjunto de critérios estruturais e de atividade biológica foi estabelecido para a seleção de um candidato para estudos de relação estrutura-atividade (SAR). O derivado de hidrazinobenzimidazol (4) foi selecionado como hit inicial e 24 derivados (12–35) foram planejados, sintetizados e tiveram a atividade de inibição enzimática (IC50 entre 44 – >200 μM), atividade antiplasmodial contra cepas sensível (EC503D7 entre 0,19–14 μM) e resistente (EC50K1 entre 0,15–2,4 μM) e citotoxicidade (MCL50 > 3,7 μM) determinadas no primeiro ciclo de SAR. Os dados obtidos sugerem que a enzima Pfeno não é o alvo principal de ação dos derivados hidrazinobenzimidazol, contudo, a atividade antiplasmodial da série indicou razoável distribuição em termos de potência e variabilidade estrutural que permitiram a construção de um modelo HQSAR (q2= 0,64 e r2 = 0,93) adequado para o planejamento e predição da atividade inibitória de oito novos derivados hidrazinobenzimidazol (36–43). Os novos derivados foram sintetizados e tiveram sua atividade antiplasmodial (EC503D7 entre 0,10–2,3μM), citotoxicidade (MCL50 > 3 μM) e seletividade (SI > 5) determinadas. Os dados de validação prospectiva do modelo indicaram boa correlação entre a atividade real e predita para os novos derivados. Além disso, neste segundo ciclo de SAR foi descoberto o composto 41 como o mais potente (EC50 = 0,1 μM) e seletivo (SI > 2.000) da série investigada neste trabalho. Nossos resultados indicam que os derivados hidrazinobenzimidazol são moléculas atrativas para a descoberta de compostos líderes para o desenvolvimento de candidatos a fármacos antimaláricos.Malaria is the tropical disease with the highest overall mortality rate. The emergence of resistance to first-line therapies reinforces the need for the development of new drug candidates. The main goal of this work was the discovery and optimization of these molecules as lead candidates for the development of new antimalarial agents. In this sense, we screened Malaria Box collection and identified 11 molecules from different chemical classes as inhibitor candidates of Plasmodium falciparum enolase enzyme (Pfeno). Then, we determined the inhibitory potency against the target enzyme (IC50 between 11 – >1.000 μM), in vitro antiplasmodial activity against the erythrocytic form of the parasite (EC503D7 between 5,6–1.600 nM) and cytotoxicity (MCL50 > 19 μM) of the 11 compounds subset from Malaria Box (1–11). Combination with artesunate and stage of action assays were conducted to evaluate the potential of association and which erythrocytic stage would be more susceptible to the molecules of this subset. The results obtained indicate that some compounds showed additive (2 and 9) or antagonistic (1, 3–8, 10 and 11) effect with artesunate and fast (1–3, 5, 7, 9–11) or slow (4, 6 and 8) acting on parasite development. In view of these, a set of structural and biological activity criteria was established for the selection of a candidate for structure-activity relationship (SAR) studies. The hydrazinobenzimidazole derivative (4) was selected as hit and 24 derivatives (12–35) were designed, synthesized and had the enzyme inhibitory activity (IC50 between 44 – >200 μM), antiplasmodial activity against sensitive strains (EC503D7 between 0,19–14 μM) and resistant (EC50K1 between 0,15–2,4 μM) and cytotoxicity (MCL50 > 3,7 μM) determined in the first round of SAR. The collected data suggest that Pfeno is not the main target of the hydrazinobenzimidazole derivatives. However, the antiplasmodial activity of the series indicated a reasonable distribution in terms of potency and structural variability which allowed us the development of a HQSAR model (q2 = 0,64 and r2 = 0,93) suitable for the design and prediction of the inhibitory activity of eight new hydrazinobenzimidazole derivatives (36-43). The new derivatives were synthesized and had the antiplasmodial activity (EC503D7 between 0,10–2,3μM), cytotoxicity (MCL50 > 3 μM) and selectivity (SI > 5) evaluated. The prospective validation of the HQSAR model indicated good correlation between the actual and predicted activity for the new derivatives. Moreover, in the second round of SAR, compound 41 was discovered as the most potent (EC50 = 0,1 μM) and selective (SI > 2,000) in these series. Our results indicate that the hydrazinobenzimidazole derivatives are attractive molecules for the discovery of new lead compounds for the development of antimalarial drug candidates