Komputerowe wspomaganie projektowanie leków

Komputerowe wspomaganie
projektowanie leków
wykład VII
Prof. dr hab. Sławomir Filipek
Grupa BIOmodelowania
Uniwersytet Warszawski, Wydział Chemii
oraz Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych Cent-III
www.biomodellab.eu
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
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_sp3)
– tylko siły van der Waalsa
Sondy wieloatomowe
-OH, -NH2, -NH3+, -COO–, -COOH, H2O, …
– siły van der Waalsa + siły elektrostatyczne
(trzeba uwzględnić obroty sondy w celu znalezienia
najlepszego oddziaływania z ligandem)
4
2
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 = Nprobes * Ngrid points * Ncompounds
5
Obliczanie pól elektrostatycznych
prawo Coulomba
6
3
Obliczanie pól sterycznych
potencjał 6-12 Lennarda-Jonesa
7
Rodzaje pól molekularnych
• Elektrostatyczne (jednoatomowa sonda H+)
• Steryczne (jednoatomowa sonda -CH3)
• HB donorowe (jednoatomowa sonda amidowy wodór N-H*)
• HB akceptorowe (jednoatomowa sonda karbonylowy tlen C=O*)
• Hydrofobowe (sonda H2O)
• Grup funkcyjnych (wieloatomowe sondy dla naładowanych lub
obojętnych grup: -NH2, -NH3+, -COO–, -COOH, …)
8
4
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
Poszukiwanie korelacji z polami molekularnymi
IC50 – 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
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
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
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
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 t1, t2, …
20
10
Redukcja liczby deskryptorów
Jeden deskryptor zamiast trzech
Uzyskiwanie pierwszego głównego
czynnika t1: najlepiej opisuje
rozmieszczenie punktów w przestrzeni X
21
Analiza czynnikowa
czynniki t1, t2, … nie mają znaczenia strukturalnego
Nowe równanie QSAR:
Kolejny czynnik główny
– musi być prostopadły do pierwszego
(tylko wtedy brak korelacji między nimi)
IC50 = c1t1 + c2t2 + … cntn + k
22
11
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
si, ei - czynniki nieortogonalne
ti - czynniki ortogonalne
24
12
Mapy konturowe CoMFA
Pole
oddziaływań
elektrostatycznych
Pole
oddziaływań
sterycznych
25
Znaczenie kolorów do opisu map CoMFA
Zielony: steryczne - korzystne
Żółty:
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
W klasycznym CoMFA są używane tylko dwie
sondy:
do oddziaływań sterycznych i elektrostatycznych
Brak mapy CoMFA dla tego rejonu
odpowiada brakowi zmienności związków w
tym rejonie
26
13
Problem stabilności map CoMFA
Małe zmiany w nałożeniu związków mogą prowadzić do dużych zmian w mapach
27
Związki referencyjne – steroidy
Cramer 1988
21 steroidów
28
14
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.
30
15
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
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
Minireceptory
Możliwość dowolnego umiejscowienia aminokwasów wokół ligandów
zgodnie z informacjami biochemicznymi o oddziaływaniach z receptorem
35
Minireceptory
36
Nat. Rev. Drug. Discov. 2008
18
Zastosowanie algorytmów genetycznych do
optymalizacji minireceptora
Niektóre aminokwasy nie mogą się znaleźć w wyznaczonych miejscach
ze względów sterycznych
37
Nat. Rev. Drug. Discov. 2008
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) > 5
38
19
QSPR - predykcja własności ADMET
Predykcja toksyczności - opcja 2D/3D
LD - Lethal Dose
Dawka śmiertelna
39
QSPR - predykcja własności ADMET
40
SYBYL / Tripos Inc.
20
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 -NO2, -N=N- i >C=O.
Esterazy hydrolizują estry i amidy.
42
21
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
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
Cyklizacja krótkozasięgowa - mostkowanie
Mostkowanie ogranicza liczbę konformacji
- konieczność dopasowania do konformacji bioaktywnych
47
Cyklizacja łańcucha peptydowego
48
24
Modyfikacje wiązania peptydowego
Modyfikacje grupy C=O
49
Modyfikacje węgla C
Naturalna konf. -turn
azapeptydy
borapeptydy
50
25
Wydłużanie łańcucha głównego
51
Modelowanie de novo
Thyrotropin-Releasing Hormone (TRH)
nowy szkielet molekularny
52
26
Endogenne peptydy opioidowe i ich modyfikacje
Farmakofor
53
Nowy szkielet molekularny na bazie cykloheksanu
Dodawanie grupy aminowej
Dodatkowa grupa hydrofobowa
54
27
Nowy związek przeciwbólowy
J.D. Hruby, J. Med. Chem. 1998
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
56
Kobilka lab, Nature 2012
28
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?
57
Kobilka lab, Nature 2012
29