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Fernandes PO, Dias ALT, Dos Santos Júnior VS, Sá Magalhães Serafim M, Sousa YV, Monteiro GC, Coutinho ID, Valli M, Verzola MMSA, Ottoni FM, Pádua RMD, Oda FB, Dos Santos AG, Andricopulo AD, da Silva Bolzani V, Mota BEF, Alves RJ, de Oliveira RB, Kronenberger T, Maltarollo VG. Machine Learning-Based Virtual Screening of Antibacterial Agents against Methicillin-Susceptible and Resistant Staphylococcus aureus. J Chem Inf Model 2024; 64:1932-1944. [PMID: 38437501 DOI: 10.1021/acs.jcim.4c00087] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [MESH Headings] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 03/06/2024]
Abstract
The application of computer-aided drug discovery (CADD) approaches has enabled the discovery of new antimicrobial therapeutic agents in the past. The high prevalence of methicillin-resistantStaphylococcus aureus(MRSA) strains promoted this pathogen to a high-priority pathogen for drug development. In this sense, modern CADD techniques can be valuable tools for the search for new antimicrobial agents. We employed a combination of a series of machine learning (ML) techniques to select and evaluate potential compounds with antibacterial activity against methicillin-susceptible S. aureus (MSSA) and MRSA strains. In the present study, we describe the antibacterial activity of six compounds against MSSA and MRSA reference (American Type Culture Collection (ATCC)) strains as well as two clinical strains of MRSA. These compounds showed minimal inhibitory concentrations (MIC) in the range from 12.5 to 200 μM against the different bacterial strains evaluated. Our results constitute relevant proven ML-workflow models to distinctively screen for novel MRSA antibiotics.
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Affiliation(s)
- Philipe Oliveira Fernandes
- Departamento de Produtos Farmacêuticos, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, Minas Gerais 31.270-901, Brazil
| | - Anna Letícia Teotonio Dias
- Departamento de Produtos Farmacêuticos, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, Minas Gerais 31.270-901, Brazil
| | - Valtair Severino Dos Santos Júnior
- Departamento de Produtos Farmacêuticos, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, Minas Gerais 31.270-901, Brazil
| | - Mateus Sá Magalhães Serafim
- Departamento de Microbiologia, Instituto de Ciências Biológicas, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, Minas Gerais 31.270-901, Brazil
| | - Yamara Viana Sousa
- Departamento de Produtos Farmacêuticos, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, Minas Gerais 31.270-901, Brazil
| | - Gustavo Claro Monteiro
- Departamento de Química Orgânica, Instituto de Química, Universidade Estadual Paulista (UNESP), Araraquara, São Paulo 14.800-900, Brazil
| | - Isabel Duarte Coutinho
- Departamento de Química Orgânica, Instituto de Química, Universidade Estadual Paulista (UNESP), Araraquara, São Paulo 14.800-900, Brazil
| | - Marilia Valli
- Departamento de Física e Ciência Interdisciplinar, Instituto de Física, Universidade de São Paulo (USP), São Carlos, São Paulo 13.563-120, Brazil
| | - Marina Mol Sena Andrade Verzola
- Departamento de Produtos Farmacêuticos, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, Minas Gerais 31.270-901, Brazil
| | - Flaviano Melo Ottoni
- Departamento de Produtos Farmacêuticos, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, Minas Gerais 31.270-901, Brazil
| | - Rodrigo Maia de Pádua
- Departamento de Produtos Farmacêuticos, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, Minas Gerais 31.270-901, Brazil
| | - Fernando Bombarda Oda
- Departamento de Fármacos e Medicamentos, Faculdade de Ciências Farmacêuticas, Universidade Estadual Paulista (UNESP), Araraquara 14.800-903, Brazil
| | - André Gonzaga Dos Santos
- Departamento de Fármacos e Medicamentos, Faculdade de Ciências Farmacêuticas, Universidade Estadual Paulista (UNESP), Araraquara 14.800-903, Brazil
| | - Adriano Defini Andricopulo
- Departamento de Física e Ciência Interdisciplinar, Instituto de Física, Universidade de São Paulo (USP), São Carlos, São Paulo 13.563-120, Brazil
| | - Vanderlan da Silva Bolzani
- Departamento de Química Orgânica, Instituto de Química, Universidade Estadual Paulista (UNESP), Araraquara, São Paulo 14.800-900, Brazil
| | - Bruno Eduardo Fernandes Mota
- Departamento de Análises Clínicas e Toxicológicas, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, Minas Gerais 31.270-901, Brazil
| | - Ricardo José Alves
- Departamento de Produtos Farmacêuticos, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, Minas Gerais 31.270-901, Brazil
| | - Renata Barbosa de Oliveira
- Departamento de Produtos Farmacêuticos, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, Minas Gerais 31.270-901, Brazil
| | - Thales Kronenberger
- Institute of Pharmacy, Pharmaceutical/Medicinal Chemistry and Tübingen Center for Academic Drug Discovery, Eberhard Karls University Tübingen, 72076 Tübingen, Germany
- School of Pharmacy, Faculty of Health Sciences, University of Eastern Finland, 70211 Kuopio, Finland
| | - Vinícius Gonçalves Maltarollo
- Departamento de Produtos Farmacêuticos, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, Minas Gerais 31.270-901, Brazil
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Serafim MSM, Kronenberger T, Rocha REO, Rosa ADRA, Mello TLG, Poso A, Ferreira RS, Abrahão JS, Kroon EG, Mota BEF, Maltarollo VG. Aminopyrimidine Derivatives as Multiflavivirus Antiviral Compounds Identified from a Consensus Virtual Screening Approach. J Chem Inf Model 2024; 64:393-411. [PMID: 38194508 DOI: 10.1021/acs.jcim.3c01505] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [MESH Headings] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 01/11/2024]
Abstract
Around three billion people are at risk of infection by the dengue virus (DENV) and potentially other flaviviruses. Worldwide outbreaks of DENV, Zika virus (ZIKV), and yellow fever virus (YFV), the lack of antiviral drugs, and limitations on vaccine usage emphasize the need for novel antiviral research. Here, we propose a consensus virtual screening approach to discover potential protease inhibitors (NS3pro) against different flavivirus. We employed an in silico combination of a hologram quantitative structure-activity relationship (HQSAR) model and molecular docking on characterized binding sites followed by molecular dynamics (MD) simulations, which filtered a data set of 7.6 million compounds to 2,775 hits. Lastly, docking and MD simulations selected six final potential NS3pro inhibitors with stable interactions along the simulations. Five compounds had their antiviral activity confirmed against ZIKV, YFV, DENV-2, and DENV-3 (ranging from 4.21 ± 0.14 to 37.51 ± 0.8 μM), displaying aggregator characteristics for enzymatic inhibition against ZIKV NS3pro (ranging from 28 ± 7 to 70 ± 7 μM). Taken together, the compounds identified in this approach may contribute to the design of promising candidates to treat different flavivirus infections.
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Affiliation(s)
- Mateus Sá Magalhães Serafim
- Departamento de Microbiologia, Instituto de Ciências Biológicas, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, MG 31270-901, Brazil
| | - Thales Kronenberger
- Institute of Pharmacy, Pharmaceutical/Medicinal Chemistry and Tübingen Center for Academic Drug Discovery (TüCAD2), Eberhard Karls University Tübingen, Auf der Morgenstelle 8, Tübingen 72076, Germany
- Excellence Cluster "Controlling Microbes to Fight Infections" (CMFI), Tübingen 72076, Germany
- School of Pharmacy, Faculty of Health Sciences, University of Eastern Finland, Kuopio 70211, Finland
| | - Rafael Eduardo Oliveira Rocha
- Departamento de Bioquímica e Imunologia, Instituto de Ciências Biológicas, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, MG 31270-901, Brazil
| | - Amanda Del Rio Abreu Rosa
- Departamento de Bioquímica e Imunologia, Instituto de Ciências Biológicas, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, MG 31270-901, Brazil
| | - Thaysa Lara Gonçalves Mello
- Departamento de Produtos Farmacêuticos, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, MG 31270-901, Brazil
| | - Antti Poso
- Institute of Pharmacy, Pharmaceutical/Medicinal Chemistry and Tübingen Center for Academic Drug Discovery (TüCAD2), Eberhard Karls University Tübingen, Auf der Morgenstelle 8, Tübingen 72076, Germany
- School of Pharmacy, Faculty of Health Sciences, University of Eastern Finland, Kuopio 70211, Finland
- Department of Medical Oncology and Pneumology, University Hospital of Tübingen, Tübingen 70211, Germany
| | - Rafaela Salgado Ferreira
- Departamento de Bioquímica e Imunologia, Instituto de Ciências Biológicas, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, MG 31270-901, Brazil
| | - Jonatas Santos Abrahão
- Departamento de Microbiologia, Instituto de Ciências Biológicas, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, MG 31270-901, Brazil
| | - Erna Geessien Kroon
- Departamento de Microbiologia, Instituto de Ciências Biológicas, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, MG 31270-901, Brazil
| | - Bruno Eduardo Fernandes Mota
- Departamento de Análises Clínicas e Toxicológicas, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, MG 31270-901, Brazil
| | - Vinícius Gonçalves Maltarollo
- Departamento de Produtos Farmacêuticos, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, MG 31270-901, Brazil
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Maltarollo VG, da Silva EB, Kronenberger T, Sena Andrade MM, de Lima Marques GV, Cândido Oliveira NJ, Santos LH, Oliveira Rezende Júnior CD, Cassiano Martinho AC, Skinner D, Fajtová P, M Fernandes TH, Silveira Dos Santos ED, Rodrigues Gazolla PA, Martins de Souza AP, da Silva ML, Dos Santos FS, Lavorato SN, Oliveira Bretas AC, Carvalho DT, Franco LL, Luedtke S, Giardini MA, Poso A, Dias LC, Podust LM, Alves RJ, McKerrow J, Andrade SF, Teixeira RR, Siqueira-Neto JL, O'Donoghue A, de Oliveira RB, Ferreira RS. Structure-based discovery of thiosemicarbazones as SARS-CoV-2 main protease inhibitors. Future Med Chem 2023; 15:959-985. [PMID: 37435731 DOI: 10.4155/fmc-2023-0034] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 07/13/2023] Open
Abstract
Aim: Discovery of novel SARS-CoV-2 main protease (Mpro) inhibitors using a structure-based drug discovery strategy. Materials & methods: Virtual screening employing covalent and noncovalent docking was performed to discover Mpro inhibitors, which were subsequently evaluated in biochemical and cellular assays. Results: 91 virtual hits were selected for biochemical assays, and four were confirmed as reversible inhibitors of SARS CoV-2 Mpro with IC50 values of 0.4-3 μM. They were also shown to inhibit SARS-CoV-1 Mpro and human cathepsin L. Molecular dynamics simulations indicated the stability of the Mpro inhibitor complexes and the interaction of ligands at the subsites. Conclusion: This approach led to the discovery of novel thiosemicarbazones as potent SARS-CoV-2 Mpro inhibitors.
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Affiliation(s)
- Vinícius Gonçalves Maltarollo
- Departamento de Produtos Farmacêuticos, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais, 31270-901, Brazil
| | - Elany Barbosa da Silva
- Skaggs School of Pharmacy & Pharmaceutical Sciences, University of California San Diego, 9500 Gilman Drive, La Jolla, CA 92093-0657, USA
| | - Thales Kronenberger
- Institute of Pharmaceutical Sciences, Eberhard Karls Universität Tübingen, Tübingen 72076, Germany
- Cluster of Excellence iFIT (EXC 2180) 'Image-Guided & Functionally Instructed Tumor Therapies', University of Tübingen, Tübingen, 72076, Germany
- Tübingen Center for Academic Drug Discovery, Auf der Morgenstelle 8, Tübingen, 72076, Germany
- School of Pharmacy, Faculty of Health Sciences, University of Eastern Finland, Kuopio, 70211, Finland
| | - Marina Mol Sena Andrade
- Departamento de Produtos Farmacêuticos, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais, 31270-901, Brazil
| | - Gabriel V de Lima Marques
- Departamento de Produtos Farmacêuticos, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais, 31270-901, Brazil
| | - Nereu J Cândido Oliveira
- Departamento de Produtos Farmacêuticos, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais, 31270-901, Brazil
| | - Lucianna H Santos
- Department of Biochemistry & Immunology, Federal University of Minas Gerais, Belo Horizonte, Minas Gerais, 31270-901, Brazil
| | - Celso de Oliveira Rezende Júnior
- Instituto de Química, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, Minas Gerais, 38400-902, Brazil
- Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, São Paulo, 13083-970, Brazil
| | - Ana C Cassiano Martinho
- Instituto de Química, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, Minas Gerais, 38400-902, Brazil
| | - Danielle Skinner
- Skaggs School of Pharmacy & Pharmaceutical Sciences, University of California San Diego, 9500 Gilman Drive, La Jolla, CA 92093-0657, USA
| | - Pavla Fajtová
- Skaggs School of Pharmacy & Pharmaceutical Sciences, University of California San Diego, 9500 Gilman Drive, La Jolla, CA 92093-0657, USA
- Institute of Organic Chemistry & Biochemistry, Academy of Sciences of the Czech Republic, Prague, 16610, Czech Republic
| | - Thaís H M Fernandes
- Skaggs School of Pharmacy & Pharmaceutical Sciences, University of California San Diego, 9500 Gilman Drive, La Jolla, CA 92093-0657, USA
- Programa de Pós-Graduação em Ciências Farmacêuticas, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Rio Grande do Sul, 90160-093, Brazil
- Pharmaceutical Synthesis Group (PHARSG), Departamento de Produção de Matéria-Prima, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Rio Grande do Sul, 90160-093, Brazil
| | - Eduardo da Silveira Dos Santos
- Programa de Pós-Graduação em Ciências Farmacêuticas, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Rio Grande do Sul, 90160-093, Brazil
- Pharmaceutical Synthesis Group (PHARSG), Departamento de Produção de Matéria-Prima, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Rio Grande do Sul, 90160-093, Brazil
| | - Poliana A Rodrigues Gazolla
- Grupo de Síntese e Pesquisa de Compostos Bioativos (GSPCB), Departamento de Química, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, Minas Gerais, 36570-900, Brazil
| | - Ana P Martins de Souza
- Grupo de Síntese e Pesquisa de Compostos Bioativos (GSPCB), Departamento de Química, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, Minas Gerais, 36570-900, Brazil
| | - Milene Lopes da Silva
- Grupo de Síntese e Pesquisa de Compostos Bioativos (GSPCB), Departamento de Química, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, Minas Gerais, 36570-900, Brazil
| | - Fabíola S Dos Santos
- Grupo de Síntese e Pesquisa de Compostos Bioativos (GSPCB), Departamento de Química, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, Minas Gerais, 36570-900, Brazil
| | - Stefânia N Lavorato
- Departamento de Produtos Farmacêuticos, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais, 31270-901, Brazil
- Centro das Ciências Biológicas e da Saúde, Universidade Federal do Oeste da Bahia, Barreiras, Bahia, 47810-047, Brazil
| | - Ana C Oliveira Bretas
- Departamento de Produtos Farmacêuticos, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais, 31270-901, Brazil
| | - Diogo Teixeira Carvalho
- Departamento de Produtos Farmacêuticos, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais, 31270-901, Brazil
| | - Lucas Lopardi Franco
- Departamento de Produtos Farmacêuticos, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais, 31270-901, Brazil
| | - Stephanie Luedtke
- Skaggs School of Pharmacy & Pharmaceutical Sciences, University of California San Diego, 9500 Gilman Drive, La Jolla, CA 92093-0657, USA
| | - Miriam A Giardini
- Skaggs School of Pharmacy & Pharmaceutical Sciences, University of California San Diego, 9500 Gilman Drive, La Jolla, CA 92093-0657, USA
| | - Antti Poso
- Institute of Pharmaceutical Sciences, Eberhard Karls Universität Tübingen, Tübingen 72076, Germany
- Cluster of Excellence iFIT (EXC 2180) 'Image-Guided & Functionally Instructed Tumor Therapies', University of Tübingen, Tübingen, 72076, Germany
- Tübingen Center for Academic Drug Discovery, Auf der Morgenstelle 8, Tübingen, 72076, Germany
- School of Pharmacy, Faculty of Health Sciences, University of Eastern Finland, Kuopio, 70211, Finland
| | - Luiz C Dias
- Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, São Paulo, 13083-970, Brazil
| | - Larissa M Podust
- Skaggs School of Pharmacy & Pharmaceutical Sciences, University of California San Diego, 9500 Gilman Drive, La Jolla, CA 92093-0657, USA
| | - Ricardo J Alves
- Departamento de Produtos Farmacêuticos, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais, 31270-901, Brazil
| | - James McKerrow
- Skaggs School of Pharmacy & Pharmaceutical Sciences, University of California San Diego, 9500 Gilman Drive, La Jolla, CA 92093-0657, USA
| | - Saulo F Andrade
- Programa de Pós-Graduação em Ciências Farmacêuticas, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Rio Grande do Sul, 90160-093, Brazil
- Pharmaceutical Synthesis Group (PHARSG), Departamento de Produção de Matéria-Prima, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Rio Grande do Sul, 90160-093, Brazil
| | - Róbson R Teixeira
- Grupo de Síntese e Pesquisa de Compostos Bioativos (GSPCB), Departamento de Química, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, Minas Gerais, 36570-900, Brazil
| | - Jair L Siqueira-Neto
- Skaggs School of Pharmacy & Pharmaceutical Sciences, University of California San Diego, 9500 Gilman Drive, La Jolla, CA 92093-0657, USA
| | - Anthony O'Donoghue
- Skaggs School of Pharmacy & Pharmaceutical Sciences, University of California San Diego, 9500 Gilman Drive, La Jolla, CA 92093-0657, USA
| | - Renata B de Oliveira
- Departamento de Produtos Farmacêuticos, Faculdade de Farmácia, Universidade Federal de Minas Gerais, 31270-901, Brazil
| | - Rafaela S Ferreira
- Department of Biochemistry & Immunology, Federal University of Minas Gerais, Belo Horizonte, Minas Gerais, 31270-901, Brazil
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