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Designing new antitubercular isoniazid derivatives with improved reactivity and membrane trafficking abilities - 13/11/21

Doi : 10.1016/j.biopha.2021.112362 
Catarina Frazão de Faria a, c, Tânia Moreira a, c, Pedro Lopes b, Henrique Costa a, c, Jessica R. Krewall d, Callie M. Barton d, Susana Santos a, c, Douglas Goodwin d, Diana Machado e, Miguel Viveiros e, Miguel Machuqueiro b, c, , Filomena Martins a, c,
a Centro de Química Estrutural, Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa, Campo Grande, C8 bdg, Lisboa 1749-016, Portugal 
b BioISI – Biosystems & Integrative Sciences Institute, Faculty of Sciences, University of Lisboa, Campo Grande, C8 bdg, Lisboa 1749-016, Portugal 
c Departamento de Química e Bioquímica, Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa, Lisboa 1749-016, Portugal 
d Department of Chemistry and Biochemistry, Auburn University, Auburn 36849-5312, AL, USA 
e Unidade de Microbiologia Médica, Global Health and Tropical Medicine, Instituto de Higiene e Medicina Tropical, Universidade Nova de Lisboa, Rua da Junqueira, 100, Lisboa 1349-008, Portugal 

Corresponding author at: Departamento de Química e Bioquímica, Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa, Lisboa 1749-016, Portugal.Departamento de Química e Bioquímica, Faculdade de Ciências, Universidade de LisboaLisboa1749-016Portugal

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Abstract

Isoniazid (INH) is one of the two most effective first-line antitubercular drugs and is still used at the present time as a scaffold for developing new compounds to fight TB. In a previous study, we have observed that an INH derivative, an hydrazide N′-substituted with a C10acyl chain, was able to counterbalance its smaller reactivity with a higher membrane permeability. This resulted in an improved performance against the most prevalent Mycobacterium tuberculosis (Mtb) resistant strain (S315T), compared to INH. In this work, we have designed two new series of INH derivatives (alkyl hydrazides and hydrazones) with promising in silico properties, namely membrane permeabilities and spontaneous IN* radical formation. The kinetics, cytotoxicity, and biological activity evaluations confirmed the in silico predictions regarding the very high reactivity of the alkyl hydrazides. The hydrazones, on the other hand, showed very similar behavior compared to INH, particularly in biological tests that take longer to complete, indicating that these compounds are being hydrolyzed back to INH. Despite their improved membrane permeabilities, the reactivities of these two series are too high, impairing their overall performance. Nevertheless, the systematic data gathered about these compounds have showed us the need to find a balance between lipophilicity and reactivity, which is paramount to devise better INH-based derivatives aimed at circumventing Mtb resistance.

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Graphical Abstract




ga1

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Highlights

Two series of isoniazid derivatives were designed as potential antitubercular drugs.
These derivatives showed promising in silico membrane permeabilities and reactivities.
Alkyl hydrazides decompose faster than the KatG-catalyzed reaction impairing activity.
Hydrazones hydrolyze back to INH mimicking its overall behavior.
A balance between lipophilicity and reactivity is key to overcome Mtb resistance.

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PACS : 0000, 1111

2000 MSC : 0000, 1111

Keywords : KatG, Molecular dynamics, Permeability, Activation, Synthesis, MIC


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