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• Drug discovery Diabete AKR SDR Chemioresistance

La drug discovery di inibitori selettivi delle aldo-cheto reduttasi (AKR) e deidrogenasi/reduttasi a catena corta (SDR) rappresenta un promettente campo di ricerca volto all’identificazione di molecole in grado di regolare il metabolismo alterato delle cellule in condizioni patologiche. Le AKR costituiscono una vasta famiglia di enzimi NADPH-dipendenti che catalizzano le reazioni di riduzione di aldeidi e chetoni endogeni ed esogeni nei corrispettivi alcoli. L’enzima AKR1B1 è implicato nella via dei polioli, un percorso alternativo del glucosio, che diventa rilevante in condizioni di iperglicemia. Se in eccesso, il D-glucosio è trasformato in sorbitolo dall’aldoso reduttasi (AKR1B1) col consumo di NADPH. Il sorbitolo si accumula a livello intracellulare causando stress osmotico. Inoltre, la sovra-espressione della via dei polioli sottrae una parte significativa del NADPH indispensabile per altri processi vitali della cellula, come la rigenerazione del GSH (glutatione ridotto) essenziale nella difesa da stress ossidativo. Infine, l’enzima sorbitolo deidrogenasi (SDH), converte il sorbitolo in fruttosio i cui metaboliti partecipano alla formazione di specie glicanti reattive e prodotti finali della glicazione avanzata (AGEs): sono tossici e favoriscono lo stress ossidativo, infiammazione e danni strutturali ai tessuti.
L’enzima AKR1B1 insieme ad altre AKR ed alla carbonil reduttasi della famiglia SDR svolgono ruoli complementari nel metabolismo cellulare. Le AKR a vario titolo partecipano alla detossificazione di aldeidi tossiche come il 4-idrossi-2-nonenale (4-HNE), proteggendo le cellule dallo stress ossidativo. AKR1B10 e AKR1C3 sono sovra-espresse in molti tumori solidi e contribuiscono alla proliferazione cellulare e alla detossificazione degli xenobiotici, come alcuni chemioterapici. La carbonil reduttasi 1 (CBR1), strutturalmente simile alle AKR, catalizza la riduzione di chetoni e antracicline, con un ruolo importante nella difesa redox e nella risposta ai trattamenti antitumorali. È facilmente intuibile l’importanza di indirizzare la drug discovery verso questi target. In questa tesi è stata valutata l’attività inibitoria di una serie di nuovi composti sintetici appartenenti alla famiglia dei derivati degli acidi carbossilici nei confronti di diverse isoforme AKR ricombinanti umane, mediante saggi enzimatici spettrofotometrici in vitro basati sul consumo di NADPH e sulla riduzione dei substrati fisiologici, al fine di identificare delle molecole differenziali in grado di regolare specificatamente, e su più fronti, ciascuna via metabolica, classificati come inibitori selettivi.

The drug discovery of selective inhibitors of aldo–keto reductases (AKRs) and short-chain dehydrogenases/reductases (SDRs) represents a promising field of research aimed at identifying molecules capable of modulating altered metabolic pathways under pathological conditions. AKRs constitute a large family of NADPH-dependent enzymes that catalyze the reduction of endogenous and exogenous aldehydes and ketones to their corresponding alcohols.
AKR1B1 is involved in the polyol pathway, an alternative route of glucose metabolism that becomes particularly relevant under hyperglycemic conditions. When present in excess, D-glucose is converted into sorbitol by aldose reductase (AKR1B1) with concomitant consumption of NADPH. Sorbitol accumulates intracellularly, leading to osmotic stress. Moreover, the overactivation of the polyol pathway diverts a significant amount of NADPH from other essential cellular processes, such as the regeneration of reduced glutathione (GSH), which plays a key role in cellular defense against oxidative stress. In addition, sorbitol is further converted into fructose by sorbitol dehydrogenase (SDH), and its downstream metabolites contribute to the formation of reactive glycation species and advanced glycation end products (AGEs), which promote oxidative stress, inflammation, and structural tissue damage.
AKR1B1, together with other AKR isoforms and carbonyl reductases of the SDR family, plays complementary roles in cellular metabolism. Several AKRs are involved in the detoxification of toxic aldehydes such as 4-hydroxy-2-nonenal (4-HNE), thereby protecting cells from oxidative stress. AKR1B10 and AKR1C3 are overexpressed in many solid tumors and contribute to cell proliferation and xenobiotic detoxification, including certain chemotherapeutic agents. Carbonyl reductase 1 (CBR1), which is structurally related to AKRs, catalyzes the reduction of ketones and anthracyclines and plays an important role in redox homeostasis and in the cellular response to anticancer treatments.
In light of these considerations, targeting these enzymes represents a valuable strategy in drug discovery. In this thesis, the inhibitory activity of a series of newly synthesized carboxylic acid–based compounds was evaluated against several human recombinant AKR isoforms using in vitro spectrophotometric enzymatic assays based on NADPH consumption and reduction of physiological substrates. The aim was to identify selective inhibitors capable of modulating specific metabolic pathways and exerting differential effects on distinct AKR isoforms.