Komputerowe wspomaganie projektowanie leków

Transkrypt

1 Komputerowe wspomaganie projektowanie leków wykład VII Prof. dr hab. Sławomir Filipek Grupa BIOmodelowania Uniwersytet Warszawski, Wydział Chemii oraz Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych Cent-III 3D-QSAR Quantitative Structure-Activity Relationship 3D-QSAR pozwala na uzyskanie korelacji pomiędzy polami oddziaływań molekularnych w otoczeniu ligandów a aktywnościami tych związków. Pola oddziaływań sterycznych i elektrostatycznych (korzystne i niekorzystne) 2 1

2 Różnice pomiędzy QSAR i 3D-QSAR MIF - Molecular Interactions Fields s steric es - electrostatic Deskryptory niezależne od (x,y,z) liczba wiązań rotowalnych, liczba donorów/akceptorów wiązań wodorowych, HOMO/LUMO, Wielkości mierzone w różnych punktach przestrzeni dużo więcej deskryptorów. 3 Wyznaczanie oddziaływań związków z sondami molekularnymi Sonda elektrostatyczna (ładunek punktowy H + ) tylko siły elektrostatyczne Sonda hydrofobowa (grupa metylowa atom C_sp 3 ) tylko siły van der Waalsa Sondy wieloatomowe -OH, -NH 2, -NH 3+, -COO, -COOH, H 2 O, siły van der Waalsa + siły elektrostatyczne (trzeba uwzględnić obroty sondy w celu znalezienia najlepszego oddziaływania z ligandem) 4 2

3 Wykorzystanie siatek (gridów) do umieszczania sond molekularnych Obliczenia przeprowadza się tylko dla sond umieszczonych w węzłach sieci. Ograniczenie tylko do pewnego obszaru w przestrzeni zmniejsza czas obliczeń. Liczba obliczeń = N probes * N grid points * N compounds 5 Obliczanie pól elektrostatycznych prawo Coulomba 6 3

4 Obliczanie pól sterycznych potencjał 6-12 Lennarda-Jonesa 7 Rodzaje pól molekularnych Elektrostatyczne (jednoatomowa sonda H + ) Steryczne (jednoatomowa sonda -CH 3 ) HB donorowe (jednoatomowa sonda amidowy wodór N-H*) HB akceptorowe (jednoatomowa sonda karbonylowy tlen C=O*) Hydrofobowe (sonda H 2 O) Grup funkcyjnych (wieloatomowe sondy dla naładowanych lub obojętnych grup: -NH 2, -NH 3+, -COO, -COOH, ) 8 4

5 Wykorzystanie pól molekularnych GRID wartości oddziaływań dla pojedynczych ligandów dla różnych sond analiza korelacji pól molekularnych z aktywnościami biologicznymi związków z wykorzystaniem wizualizacji 3D 9 CoMFA Comparative Molecular Field Analysis Pierwsza metoda MFA R. D. Cramer 1988 Założenia: (1) związki w konformacjach bioaktywnych (2) nałożone na siebie tak jak w miejscu aktywnym 10 5

6 Poszukiwanie korelacji z polami molekularnymi IC 50 half maximal inhibitory concentration Można wyznaczyć jako stężenie badanego związku przy 50% wyparcia związku odnośnikowego z celu molekularnego 11 Ogólny schemat metody CoMFA 12 6

7 Założenia metody CoMFA Taki sam mechanizm działania (ten sam cel molekularny) Wiązanie się do tego samego miejsca aktywnego Wiązanie się w ten sam sposób Podobne efekty entropowe dla wszystkich związków (podobna giętkość związków) Podobne efekty desolwacyjne dla wszystkich związków (podobna wielkość związków i podobny stosunek powierzchni lipofilowej do hydrofilowej) 13 Zależność korelacji od dopasowania związków Rzeczywiste nałożenie (struktury kryst. z enzymem CP450-cam) Rzeczywiste nałożenie w miejscu aktywnym może być różne nawet dla bardzo podobnych związków 14 7

8 Sposoby nakładania związków Nakładanie odpowiadających sobie atomów i/lub pseudoatomów ze wspólnego szkieletu molekularnego Nakładanie grup farmakoforowych 15 Sposoby nakładania związków Nakładanie według kształtu związków Nakładanie według obliczonych pól molekularnych (nie wymaga znajdowania odpowiadających sobie atomów) Niebieski potencjał elstat. dodatni Czerwony potencjał elstat. ujemny 16 8

9 Sposoby nakładania związków Nakładanie według kształtu potencjału elektrostatycznego Niebieski potencjał elstat. dodatni Czerwony potencjał elstat. ujemny Nakładanie według dokładnych orientacji związków (ze struktur krystalicznych lub dokowania) sposób idealny 17 Równanie QSAR w CoMFA 18 9

10 Problem nadmiaru deskryptorów w stosunku do liczby związków Dla uzyskania dobrej statystyki potrzeba aby liczba związków była 3-5 razy większa niż liczba deskryptorów 19 Metoda (częściowych) najmniejszych kwadratów Klasyczna metoda najmniejszych kwadratów (najmniejsze pole sumy kwadratów) Eliminacja deskryptorów skorelowanych - nowe nieskorelowane deskryptory t 1, t 2, 20 10

11 Redukcja liczby deskryptorów Jeden deskryptor zamiast trzech Uzyskiwanie pierwszego głównego czynnika t 1 : najlepiej opisuje rozmieszczenie punktów w przestrzeni X 21 Analiza czynnikowa czynniki t 1, t 2, nie mają znaczenia strukturalnego Kolejny czynnik główny musi być prostopadły do pierwszego (tylko wtedy brak korelacji między nimi) Nowe równanie QSAR: IC 50 = c 1 t 1 + c 2 t 2 + c n t n + k 22 11

12 Przewidywanie aktywności nowych związków Przewidywanie wykonuje się na podstawie uzyskanego równania regresji i nowych wartości czynników t. Do otrzymania równania regresji oprócz PLS wykorzystuje się także: (1) algorytmy genetyczne i (2) metodę sieci neuronalnych 23 Powrót do oryginalnych czynników s i, e i - czynniki nieortogonalne t i - czynniki ortogonalne 24 12

13 Mapy konturowe CoMFA Pole oddziaływań sterycznych Pole oddziaływań elektrostatycznych 25 Znaczenie kolorów do opisu map CoMFA Zielony: Żółty: steryczne - korzystne steryczne - niekorzystne Niebieski: dodatni ładunek i HB donor - korzystne ujemny ładunek i HB akceptor - niekorzystne Czerwony: ujemny ładunek i HB akceptor - korzystne dodatni ładunek i HB donor - niekorzystne Brak mapy CoMFA dla tego rejonu odpowiada brakowi zmienności związków w tym rejonie W klasycznym CoMFA są używane tylko dwie sondy: do oddziaływań sterycznych i elektrostatycznych 26 13

14 Problem stabilności map CoMFA Małe zmiany w nałożeniu związków mogą prowadzić do dużych zmian w mapach 27 Związki referencyjne steroidy Cramer steroidów 28 14

15 Inne metody 3D-QSAR Nie ma najlepszej metody wybór zależy od zestawu związków do analizy 29 Omówienie niektórych metod 3D-QSAR CoMSIA (comparative molecular similarity index analysis G. Klebe): potencjały zmiękczane przez funkcje Gaussa na atomach i przez to mniej czuła na zmiany w nałożeniu związków i orientacji siatki. Dodatkowe sondy: HB donor i HB akceptor, hydrofobowa. HQSAR (Hologram QSAR T. Heritage): struktury związków zakodowane jako ciągi binarne. Nie wymaga nakładania molekuł może analizować duże zbiory danych. Obecność grup funkcyjnych lub fragmentów molekularnych w danym miejscu tworzy deskryptor. GRIND (Grid INdependent Descriptors G. Gruciani): Używa kombinacji kilku uproszczonych pól molekularnych. Deskryptory oparte na strukturach 3D ale niezależne od orientacji związków w przestrzeni

16 Omówienie niektórych metod 3D-QSAR QuaSAR (Quasi-atomistic SAR A. Vedani) pseudoreceptory: powłoka pseudoatomów wokół nałożonych związków (brak siatki). Nowe typy pseudoatomów np. HB flip/flop. Możliwe efekty dopasowania indukcyjnego dopasowanie kształtu powłoki. 4D,5D,6D-QSAR (wielowymiarowe QSAR A. Vedani): uwzględnia wiele konformacji i stanów protonacyjnych tego samego liganda (4D); + hipotetyczne stany dopasowania liganda i receptora (5D); + hipotetyczne stany liganda uwzględniające efekty rozpuszczalnikowe (6D). RD-QSAR (Receptor-Dependent QSAR): uwzględnia strukturę receptora; np. z danymi strukturalnymi receptora estrogenowego, androgenowego i cytochromu P450 do prognozowania toksyczności związków. Wykorzystuje metodę 5D-QSAR: efekty indukcyjne dopasowania ligand-receptor są bardziej realistyczne. 31 Pseudoreceptory (QuaSAR) Używane potencjały: - Hydrofobowy - Jonowy dodatni - Jonowy ujemny - Donor wiązania H - Akceptor wiązania H - Hydrofobowy dodatni - Hydrofobowy ujemny Powierzchnia molekularna zamiast gridu 32 16

17 Pseudoreceptory Pseudoreceptor i tworzące go ligandy Oddziaływanie badanej cząsteczki z pseudoreceptorem 33 Pseudoreceptory Optymalizacja wewnątrz pseudoreceptora 4 najbardziej aktywne ligandy wszystkie ligandy ligandy po optymalizacji 34 17

18 Minireceptory Możliwość dowolnego umiejscowienia aminokwasów wokół ligandów zgodnie z informacjami biochemicznymi o oddziaływaniach z receptorem 35 Minireceptory Nat. Rev. Drug. Discov

19 Zastosowanie algorytmów genetycznych do optymalizacji minireceptora Niektóre aminokwasy nie mogą się znaleźć w wyznaczonych miejscach ze względów sterycznych Nat. Rev. Drug. Discov Czynniki wpływające na skuteczność metod QSAR solwatacja liganda i receptora farmakokinetyka leku: ADMET absorption, distribution, metabolism, excretion, toxicity Reguła 5 Lipinskiego (pasywna absorpcja jelitowa ) związek nie będzie dobrym lekiem gdy: MW > 500 [g/mol lub Da] clog P > 5 (calculated logp) HBA (N, O) > 10 HBD (N-H, O-H) >

20 QSPR - predykcja własności ADMET Predykcja toksyczności - opcja 2D/3D LD - Lethal Dose Dawka śmiertelna 39 QSPR - predykcja własności ADMET SYBYL / Tripos Inc

21 Elementy farmakokinetyki lek doustny - pigułka musi być rozpuszczalna w wodzie musi przeżyć kontakt z kwasem solnym w żołądku, zostać wchłonięta w jelitach i dostać się do krwioobiegu musi być odporna na enzymy w wątrobie oraz na enzymy zawarte we krwi lek lipofilowy może być zatrzymany w tkance tłuszczowej anionowy może być związany przez białka osocza krwi kationowy może być związany przez kwasy nukleinowe musi uniknąć wydalenia przez nerki lub przewodem żółciowym jeśli celem leku jest CUN musi pokonać barierę krew-mózg jeśli działa na enzym musi przejść przez błonę komórkową 41 Czynniki wpływające na dotarcie leku do celu stabilność chemiczna leki z labilnymi chemicznie grupami: penicyliny -pierścień -laktamowy wrażliwy na hydrolizę; leki cholinergiczne - grupa estrowa wrażliwa na hydrolizę; zastrzyki albo zabezpieczenia labilnych grup (proleki) stabilność metaboliczna reakcje fazy I niespecyficzne enzymy (głównie w wątrobie) dodają polarne grupy (utlenianie) lub "demaskują" ukryte grupy polarne (demetylacja). Bardziej polarne substancje są skuteczniej wydalane w nerkach. Reduktazy redukują -NO 2, -N=N- i >C=O. Esterazy hydrolizują estry i amidy

22 Czynniki wpływające na dotarcie leku do celu reakcje fazy II reakcje sprzęgania polarnych grup prowadzące do jeszcze większej polarności wydalane z moczem 43 Leki peptydowe Bardzo dobre działanie w testach in vitro zarówno na izolowanych receptorach i całych komórkach Niedobre własności w testach klinicznych: Szybka proteoliza (rozkład na aminokwasy) Szybki metabolizm (przetwarzanie) Słabe własności transportowe Szybkie wydalanie 44 22

23 Strukturalne modyfikacje peptydów Peptyd Modyfikacje łańcuchów bocznych Mostkowanie Cyklizacja Związek mniej peptydowy Modyfikacja węgli C Modyfikacja wiązań peptydowych Związek niepeptydowy Nowa główna struktura chemiczna - modelowanie de novo 45 Modyfikacje łańcuchów bocznych Przykłady modyfikacji 46 23

24 Cyklizacja krótkozasięgowa - mostkowanie Mostkowanie ogranicza liczbę konformacji - konieczność dopasowania do konformacji bioaktywnych 47 Cyklizacja łańcucha peptydowego 48 24

25 Modyfikacje wiązania peptydowego Modyfikacje grupy C=O 49 Modyfikacje węgla C Naturalna konf. -turn azapeptydy borapeptydy 50 25

26 Wydłużanie łańcucha głównego 51 Modelowanie de novo Thyrotropin-Releasing Hormone (TRH) nowy szkielet molekularny 52 26

27 Endogenne peptydy opioidowe i ich modyfikacje Farmakofor 53 Nowy szkielet molekularny na bazie cykloheksanu Dodawanie grupy aminowej Dodatkowa grupa hydrofobowa 54 27

28 Nowy związek przeciwbólowy J.D. Hruby, J. Med. Chem Nałożenie na farmakofor i DPDP Tylko 2 miejsca farmakoforowe nałożone. Potrzebny nowy farmakofor dla tej nowej klasy związków 55 Struktury receptorów opioidowych droga do bardziej selektywnych leków Kobilka lab, Nature

29 Miejsce wiążące w receptorze opioidowym OR struktura nieaktywna z antagonistą Kontakty receptora z antagonistą. Jak wiążą się agoniści? Cząsteczki wody w miejscu wiążącym Miejsce do potencjalnych modyfikacji liganda? Kobilka lab, Nature