Atualizações na farmacoterapia do diabetes mellitus tipo 2 : a investigação de novas pequenas moléculas direcionadas ao receptor de peptídeo 1 semelhante ao glucagon potencializa a secreção de insulina dependente de glicose em ilhotas pancreáticas de ratos

Abstract

RESUMO: Introdução O diabetes mellitus é uma doença crônica que constitui um dos problemas de saúde pública mais prevalentes globalmente, com o diabetes tipo 2 (DM2) representando cerca de 90% dos casos. Sua alta prevalência, associada às comorbidades e aos elevados custos médicos, confere ao DM2 uma dimensão alarmante, demandando uma resposta eficiente. Nesse contexto, a busca por novos agentes e abordagens terapêuticas tem se intensificado, sendo a terapia baseada em agonistas do receptor do peptídeo-1 semelhante ao glucagon (GLP-1R) uma área de interesse crescente em âmbito mundial. Essa terapia apresenta benefícios como maior potencialização na secreção de insulina, redução de peso corporal e menor risco de eventos cardiovasculares. No entanto, a maioria dos agonistas do GLP-1R disponíveis atualmente são peptídeos de alto peso molecular administrados por injeções, o que apresenta efeitos adversos, como alto custo, desconforto e baixa adesão por parte dos pacientes. Diante desse cenário, o desenvolvimento de agonistas do GLP-1R baseados em pequenas moléculas, com menor peso molecular, poderia oferecer vantagens significativas, como administração oral e maior relação custo-benefício, eliminando as limitações das terapias peptídicas. Objetivos Assim, para o desenvolvimento de candidatos a agonistas do GLP-1R, este trabalho visa identificar potenciais agonistas de GLP-1R utilizando técnicas de triagem virtual baseadas em docking molecular, complementadas por análises in vitro para avaliar a capacidade dos compostos selecionados em potencializar a secreção de insulina por ilhotas pancreáticas de ratos Wistar. Essas abordagens poderão contribuir para a criação de alternativas terapêuticas mais eficazes e acessíveis para o tratamento do DM2. Materiais e métodos Estudos in silico A estrutura cristalográfica do GLP-1R foi obtida do PDB e modelada com programas como Modeller-v9.15 e Swiss Model para inclusão de resíduos ausentes no complexo proteico. A validação estereoquímica utilizou o gráfico de Ramachandran gerado pelo Procheck. Após a modelagem, para representar o ambiente celular, o modelo foi incorporado a uma bicamada lipídica construída no servidor Charmm-Gui, e posteriormente foi realizado simulações de dinâmica molecular (DM) realizadas pelo programa NAMD2, para avaliar a estabilidade e o comportamento do complexo proteína-ligante por análises de RMSD, Rgyr e RMSF. Três ferramentas (AutoDock-Vina, Molegro Virtual Docker e Gold) foram utilizadas para docking molecular, validadas por redocking com RMSD abaixo de 1,0 Å. Foram analisados 408.317 compostos das bibliotecas Sigma-Aldrich e Zinc15. A avaliação média relativa foi calculada e os compostos com maior escore foram avaliados quanto às propriedades ADMETox e potenciais alvos metabólicos. Estudos in vivo Ratos Wistar machos (~90 dias) foram utilizados para isolamento de ilhotas pancreáticas pelo método da colagenase. As ilhotas foram incubadas com glicose (16,7 mmol/L), liraglutida e compostos melhores ranqueados pela varredura virtual, em diferentes concentrações. A potencialização da secreção da insulina foi quantificada por Radioimunoensaio (RIA). Resultados e discussão A análise de estabilidade do complexo GLP-1R-ligante por dinâmica molecular demonstrou que todos os sistemas atingiram o equilíbrio termodinâmico após 40 ns, com estabilidade confirmada pelo RMSD e diminuição do RMSF entre os resíduos 182-243, responsáveis por 52% dos principais contatos ligante -receptor. Essa interação sugere alterações conformacionais no GLP-1R essenciais para a atividade agonista. O raio de giro manteve-se constante ao longo da simulação, estabelecendo que a ligação dos ligantes estabilizou a proteína sem causar desenovelamento da estrutura. Os estudos in vitro em ilhotas pancreáticas de ratos Wistar demonstraram que o composto Z potencializou a proporção de insulina em 1 ?mol, semelhante à liraglutida, enquanto os compostos A e B promoveram aumento significativo apenas em concentrações elevadas (100 ?mol). Esses resultados indicam o potencial dos compostos como agonistas do GLP-1R, com destaque para o composto Z devido à sua eficácia em concentrações mais baixas. Conclusão A abordagem terapêutica para o DM2 evolui continuamente, com novas opções que permitem tratamentos individualizados, considerando preferências e comorbidades dos pacientes. Essas terapias mais recentes, como terapias baseadas no GLP-1, além de eficazes no controle glicêmico, apresentam benefícios adicionais como controle de peso, pressão arterial e proteção cardiovascular e renal, com baixa incidência de hipoglicemia, destacando-se pela segurança e adequação ao uso combinado com outros medicamentos. Os ensaios realizados com os compostos obtidos pela varredura virtual, confirmaram que os compostos Z, A e B são potenciais agonistas do GLP-1R, promovendo a obtenção de insulina em condições de alta glicose, validando uma abordagem de design racional na descoberta de medicamentos. Esses achados reforçam o potencial para o desenvolvimento de novos agonistas do GLP-1R de baixo peso molecular, embora estudos adicionais sejam necessários para ampliar sua aplicabilidade clínica

ABSTRACT: Introduction Diabetes mellitus is a chronic disease and one of the most prevalent public health problems globally, with type 2 diabetes (T2D) accounting for approximately 90% of cases. Its high prevalence, combined with comorbidities and significant medical costs, gives T2D an alarming dimension, requiring an efficient response. In this context, the search for new agents and therapeutic approaches has intensified, with therapy based on glucagon-like peptide-1 receptor (GLP-1R) agonists being a growing area of interest worldwide. This therapy offers benefits such as enhanced insulin secretion, weight reduction, and lower risk of cardiovascular events. However, most currently available GLP-1R agonists are high molecular weight peptides administered via injection, presenting challenges such as high costs, discomfort, and low patient adherence. In this scenario, the development of small-molecule GLP-1R agonists with lower molecular weight could provide significant advantages, such as oral administration and improved cost-effectiveness, overcoming the limitations of peptide-based therapies. Objectives To develop potential GLP-1R agonists, this study aims to identify GLP-1R agonist candidates using virtual screening techniques based on molecular docking, complemented by in vitro analyses to evaluate the ability of selected compounds to enhance insulin secretion in pancreatic islets of Wistar rats. These approaches may contribute to the creation of more effective and accessible therapeutic alternatives for T2D treatment. Materials and Methods In silico studies The crystallographic structure of GLP-1R was obtained from the PDB and modeled using tools such as Modeller-v9.15 and Swiss Model to include missing residues in the protein complex. Stereochemical validation employed Ramachandran plots generated by Procheck. After modeling, the receptor model was incorporated into a lipid bilayer built with the Charmm-Gui server to simulate the cellular environment, followed by molecular dynamics (MD) simulations performed using the NAMD2 program. Stability and behavior of the protein-ligand complex were evaluated through RMSD, Rgyr, and RMSF analyses. Three tools (AutoDock-Vina, Molegro Virtual Docker, and Gold) were used for molecular docking, validated by redocking with RMSD below 1.0 Å. A total of 408,317 compounds from the Sigma-Aldrich and Zinc15 libraries were analyzed. Compounds with the highest docking scores were evaluated for ADMETox properties and potential metabolic targets. In vivo studies Male Wistar rats (~90 days) were used to isolate pancreatic islets via the collagenase method. The islets were incubated with glucose (16.7 mmol/L), liraglutide, and the top-ranked compounds from virtual screening at different concentrations. Insulin secretion was quantified by Radioimmunoassay (RIA). Results and Discussion The analysis of the GLP-1R-ligand complex stability through MD simulations showed that all systems reached thermodynamic equilibrium after 40 ns, with stability confirmed by RMSD and reduced RMSF in residues 182-243, responsible for 52% of the main ligand-receptor contacts. This interaction suggests conformational changes in GLP-1R essential for agonist activity. The radius of gyration remained constant throughout the simulation, indicating that ligand binding stabilized the protein without causing structural unfolding. In vitro studies with pancreatic islets from Wistar rats demonstrated that compound Z enhanced insulin secretion at 1 ?mol, similar to liraglutide, while compounds A and B significantly increased insulin levels only at high concentrations (100 ?mol). These results highlight the potential of these compounds as GLP-1R agonists, particularly compound Z, due to its efficacy at lower concentrations. Conclusion Therapeutic approaches for T2D are evolving, with new options enabling individualized treatments tailored to patient preferences and comorbidities. Recent therapies, such as GLP-1-based approaches, are not only effective in glycemic control but also offer additional benefits, including weight management, blood pressure regulation, and cardiovascular and renal protection, with a low incidence of hypoglycemia. These characteristics emphasize their safety and suitability for combination with other medications. The assays conducted with compounds identified through virtual screening confirmed that compounds Z, A, and B are potential GLP-1R agonists, promoting insulin secretion under high glucose conditions and validating the rational drug design approach. These findings reinforce the potential for developing new small-molecule GLP-1R agonists, although further studies are necessary to expand their clinical applicability