Strategie projektowania leków

Transkrypt

1 Strategie projektowania leków Ligand-based drug design nieznana Budowanie modelu miejsc aktywnych liganda (farmakofor) Przeszukiwanie baz danych (screening) Struktura celu molekularnego znana 1D i 3D QSAR (pseudoreceptory i pola molekularne) Dopasowanie ligandów do miejsca aktywnego receptora (dokowanie) Budowa nowych ligandów ab-initio Receptor-based drug design Dynamika kompleksu receptor-ligand

2 Dokowanie znajdowanie struktury kompleksu o najniższej energii (najbardziej dopasowany) Energia lub tzw. scoring function (kształt i właściwości fizykochemiczne)

3 Trzy składniki programów do dokowania a) b) c) Atomic Surface Grid (najbardziej dokładna reprezentacja) Algorytmy szukania konformacji i wyznaczania energii są ściśle ze sobą związane

4 Dokowanie przez komplementarność powierzchni H hole, K knob; sposób używany w b. wielu programach dokujących

5 Reprezentacja białka przez grid (sieć) W każdym punkcie sieci mierzymy wielkość oddziaływań niewiążących: - Van der Waalsa - Elektrostatyczne Oczka sieci ok. 2 Å Zmierzone wielkości są zapamiętywane w tabeli Pierwsze użycie: Goodford 1985 r.

6 Czynniki wpływające na wiązanie ligandów

7 Korzystne oddziaływania Oddziaływania kierunkowe i silne Oddziaływania van der Waalsa: bezkierunkowe i słabe lecz liczne

8 Energie częściowej desolwatacji liganda i miejsca aktywnego Proces kierowany termodynamicznie (efekty entropowe) Części hydrofobowe oddziałują ze sobą aby zmniejszyć oddziaływania z otaczającą wodą

9 Konformacyjne efekty entropowe Konformacja bioaktywna (w miejscu aktywnym) może być inna niż na zewnątrz Dotyczy także konformacji białka: głównie konformacji łańcuchów bocznych aminokwasów z miejsca aktywnego Konieczne jest dokowanie wielu różnych konformacji liganda

10 Empiryczne funkcje oceniające Współczynniki wagowe k uzyskuje się w procesie parametryzacji (kalibracji) wybranego pola siłowego (k mogą być dodatnie lub ujemne) Pole siłowe skalibrowane dla kompleksów ze zbioru treningowego: znane są struktury 3D i aktywności biologiczne ligandów w tych kompleksach

11 Przykład empirycznej funkcji oceniającej z programu AutoDock (obliczane z solvent excluded volumes) Obliczane są tylko niektóre składowe pola siłowego

12 Powierzchnia dostępna dla rozpuszczalnika Connoly surface (wygładzona powierzchnia molekularna) Solvent accessible surface area Promień kulki dla wody = 1.4 Å

13 Funkcje oceniające oparte na wiedzy (knowledge based scoring functions) - wykorzystanie Bazują na odległościach w strukturach 3D kompleksów ligand-cel molekularny

14 Przykład użycia funkcji oceniającej opartej na wiedzy w programie DrugScore 1400 kompleksów ligand-białko z bazy PDB (G. Klebe, Marburg University) G ref (R) wykres dla wszystkich ligandów (kolor czarny)

15 Funkcje oceniające są wrażliwe na wybór kompleksów ligand-białko do zbioru treningowego Większy zbiór kompleksów zapewnia większą dokładność funkcji oceniającej dla średniego białka

16 Inne funkcje oceniające wiązanie ligandów dokładność vs. szybkość

17 Podział algorytmów dokujących Algorytm szuka komplementarnych własności Algorytm eksploruje całą dostępną przestrzeń

18 Dopasowanie oparte na komplementarności i podobieństwie

19 Etapy feature-based matching Podobne do układania puzzli

20 Programy stosujące feature-based matching Pierwszy program DOCK z 1982 r.

21 Dokowanie molekularne pozwala wyjaśnić jak małe zmiany struktury liganda mogą powodować duże zmiany aktywności

22 Metody optymalizacyjne znajdowania najlepszego dopasowania liganda

23 Schemat metody Monte Carlo

24 Schemat metody Simulated Annealing Cykl ogrzewania i powolnego oziębiania układu jest powtarzany wiele razy aż do znalezienia wielu prawie optymalnych rozwiązań. Ogrzewanie powoduje przekraczanie barier energetycznych a oziębianie pozwala na znalezienie układów z najniższą energią. Zaimplementowana po raz pierwszy w AutoDocku.

25 Zasada działania Algorytmów Genetycznych

26 Krzyżowanie i mutacje w GA przy dokowaniu Dokowanie sztywne (tylko rotacje i translacje)

27 Algorytmy Genetyczne Lamarcka (LGA) z lokalną optymalizacją Procedura stosowana obecnie w AutoDocku

28 Tabu search (TS) Pozwala na wyjście z lokalnych minimów kosztem przejściowego zaburzenia układu (stopniowe zasypywanie lokalnych minimów energii)

29 Metoda hybrydowa dokowania (TS+GA)

30 Dokowanie fragmentowe (fragmentation docking) Metody dokowania fragmentowego: - Place-and-join (fragmenty dokowane niezależne) - Inrcremental approach (fragmenty dokowane zależne od siebie)

31 Metoda ułóż i połącz (place-and-join) Wybór nieoptymalnych dokowań cząstkowych aby połączyć fragmenty (wskazówki do modyfikacji struktury liganda)

32 Metoda stopniowego dokowania fragmentów (incremental approach) Najpierw dokuje się rdzeń liganda a następnie po kolei pozostałe fragmenty minimalizując energię powstającego liganda

33 Wybór położenia pierwszego fragmentu ma wpływ na wynik dokowania Wybór najlepszego dopasowania na podstawie funkcji oceniającej poszczególne pozy

34 Przykłady zastosowań dokowania giętkiego w programach GOLD algorytmy genetyczne (GA) MOE-Dock Monte Carlo (MC), Tabu search PRO_LEADS algorytmy genetyczne AutoDock algorytmy genetyczne, Tabu search Kąty torsyjne giętkiego liganda wprowadza się do chromosomów w GA lub do parametrów do optymalizacji w MC

35 Algorytmy genetyczne w dokowaniu

36 Kilka programów dokujących - consensus scoring Dwa programy: ICM i PMF (odcięcie przy 5% i 1%) Ranking zamiast funkcji oceniającej

37 Consensus ranking prawdopodobieństwo wyboru Użycie rankingu (r i j ) a nie score (funkcji oceniających) uniezależnia od jednostek i skali (związek i w programe j)

38 Uwzględnianie giętkości białka

39 Miękkie dokowanie ligandów Pozwala na niewielkie nakładanie się struktur liganda i receptora Modyfikacja potencjału Lennarda-Jonesa (LJ) aby siły van der Waalsa były mniej odpychające (plastyczność receptora bez zmiany jego konformacji)

40 Miękkie dokowanie ligandów Zmniejszanie promieni van der Waalsa (rozmiarów atomów) dla liganda i receptora Modyfikacja potencjału elektrostatycznego

41 Metoda Multiple protein structure (MPS) Białko CDK2 (Cyclin-Dependent Kinase 2 )

42 Źródła struktur do metody MPS Metoda Zalety Wady Metody doświadczalne (X-ray, NMR) Biblioteki rotamerów Dynamika molekularna Analiza drgań normalnych Rzeczywiste rotamery Dostępność Dostępność, konformery o niskiej energii Dostępne duże zmiany strukturalne Mała dostępność Tylko standardowe łańcuchy boczne Czas obliczeniowy, brak weryfikacji dośw. Brak weryfikacji dośw.

43 Metoda łączonych białek united protein approach Program FlexE. Nałożone struktury białka pozwalają na zbudowaniu wielu wirtualnych konformacji Sposób dokowania ligandów

44 Program GOLD Własności: - Algorytmy genetyczne do dokowania ligandu - Giętki ligand i częściowo giętkie białko - Funkcje oceniające oparte na strukturach realnych ligandów - Możliwość wyboru funkcji oceniającej Dokowanie inhibitora do metaloproteazy (porównanie ze strukturą krystaliczną)

45 Metoda GLIDE (program Schrödinger/Maestro) Stosowana szybka metoda systematycznego przeszukiwania (powrót do tej metody za sprawą komputerów wieloprocesorowych i obliczeń masywnie równoległych)

46 Ortosteryczne i allosteryczne miejsca wiążące w receptorach GPCR ortosteryczne allosteryczne Agoniści/antagoniści/inwersyjni agoniści oraz allosteryczne modulatory (dodatnie i ujemne)

47 Chemoinformatyka w projektowaniu leków Polifarmakologia receptorów serotoninowych Ergotamina agonista 5-HT 1C, powoduje skurcz mięśni gładkich macicy i naczyń krwionośnych Ritanseryna inwersyjny agonista 5-HT 1C, lek przeciwschizofreniczny GPCRs3 sce

48 Ligandy wielocelowe - polifarmakologia Cynaryzyna - w niedokrwieniu mózgu i kończyn, zawrotach i bólach głowy, nudności i wymiotach (choroba lokomocyjna), zaburzeniach błędnikowych,... Klozapina - w schizofrenii lekoopornej i w lekoopornych zaburzeniach afektywnych dwubiegunowych. Działania niepożądane: agranulocytoza i zapalenie mięśnia sercowego. Cyproheptadyna - lek przeciwhistaminowy I generacji. Działanie nasilające łaknienie jest wykorzystywane w leczeniu anoreksji. Efekty uboczne: senność, uszkodzenie szpiku i wątroby.

49 Ligandy typu bitopic / bivalent Ligand heterodimeru δ-κ receptora opioidowego

50 Przykłady ligandów typu bivalent 50x silniejszy efekt przeciwbólowy (antinociception) niż morfina. Nie powoduje uzależnień. Agonista 5-HT 1B. Silniejszy efekt hipotermii na bóle migrenowe. Także przechodzi przez BBB Inwersyjny agonista CB1. Znosi działanie kanabinoidów. Zmieniona sygnalizacja komórkowa modulacja allosteryczna receptor-receptor Agonista + PAM A 1A R. Wiązanie do miejsca orto- i allosterycznego. Funkcjonalna selektywność. Stosowany przy niedokrwieniu serca. Brak szeregu efektów ubocznych.

51 Przykłady ligandów typu bitopic Mogą się także wiązać tylko do miejsca allosterycznego przy obecności innego liganda w miejscu ortosterycznym. Ligandy wysoce selektywne. Promują nowe stany aktywacyjne receptora. Wprowadzają funkcjonalną selektywność. acetylocholina Przykłady ligandów typu bitopic receptorów muskarynowych machr. Potencjalne leki na choroby psychiczne i neurodegeneracyjne (choroba Alzheimera, itp.)

52 Modulacja proteolizy APP przez receptory GPCR AICD - APP intracellular domain ok. 100 substratów dla -sekretazy Cięcie receptora Notch niezbędny w procesie rozwoju embrionalnego i neurogenezy

53 Powstawanie amyloidów i rozpad neuronów

54 Wpływ niektórych receptorów GPCR na wytwarzanie A i białka tau Ale aktywacja 2 AR stymuluje także powstawanie nowych neuronów.

55 Kompleks błonowy -sekretazy metoda cryo-em

56 Bezpośrednie wiązanie GPCR/arestyna z -sekretazą Selektywna modulacja działania -sekretazy poprzez ligandy receptorów GPCR.