2015-01-20
1
Podstawy projektowania leków
wykład 13
Łukasz Berlicki
Projektowanie wspomagane komputerowo
� Projektowanie leków oparte na strukturze często wykorzystuje metody komputerowe, aby:
� Przeanalizować duŜą liczbę struktur
� Ocenić energię wiązania liganda
� Zaprojektować nowe związki
2015-01-20
2
Strategie poszukiwania ligandów
dokowanie
budowanie
?
łączenie
?
podejście klasyczne
Identyfikacja celu
Biblioteka związków
Testy in vitro
Identyfikacja związku
2015-01-20
3
film
Podejście wspomagane komputerowo
Identyfikacja celu
Struktura celu(krystalografia lub NMR)
Biblioteka struktur
Identyfikacja związku
dokowanie
ocena
testy in vitro
synteza
2015-01-20
4
Bazy danych związków
� Bazy publiczne, darmowe:� Baza NCI (National Cancer Institute), ok. 400 000 struktur� Baza ZINC (Uniwersytet Kalifornijski, San Francisco), ok.
35 000 000 struktur związków, które moŜna kupić
� Bazy danych związków w firmach farmaceutycznych
Baza ZINC
� http://zinc.docking.org/
� Suma katalogów (295) firm dostarczających związki chemiczne
� Podzielona na bazy częściowe
� Opisuje róŜne stany uprotonowania
� Format przygotowany do dokowania
2015-01-20
5
Baza ZINC
Programy do dokowania
� ZałoŜenia dla dokowania:� Rozpuszczalnik pomijany� Białko w ustalonej konformacji (sztywne)� Ligand moŜe przyjmować róŜne konformacje
� Typy algorytmów:� Przeszukiwanie systematyczne� Stochastyczne (Monte Carlo i genetyczne)� Dynamika molekularna
2015-01-20
6
Funkcje oceniające
� Funkcja oceniaj ąca (scoring function) – algorytm oceny stałej wiązania liganda do białka dla danego kompleksu ligand-białko
f()ocenaaktywności
Funkcje oceniające
� Funkcja oceniaj ąca (scoring function) – algorytm oceny stałej wiązania liganda do białka dla danego kompleksu ligand-białko
f( )= ocenaaktywności
2015-01-20
7
Funkcje oceniające
� Typy funkcji oceniających:� Bazujące na energii oddziaływania (force field-based) -
obliczonej na podstawie równań opisujących mechanikę molekularną (z zastosowaniem pola siłowego).
� Empiryczne (empirical) – równia opisujące poszczególne oddziaływania opracowane na podstawie znanych kompleksów ligand-białko
� Bazujące na wiedzy (knowledge-based) – równania korelujące znane aktywności inhibitorowe z strukturami kompleksów na podstawie odległości poszczególnych par atomów.
� Konsensusowe (consensus scoring) – połączenie kilku funkcji oceniających.
Programy do dokowania
2015-01-20
8
Virtual screening vs HTS
� Poszukiwanie inhibitorów fosfatazy tyrozyn białkowych (protein tyrosine phosphatase , PTP 1B)� wielkoskalowe testy przesiewowe (HTS)
� 400 000 związków,
� 300 związków o aktywności < 300 µM,
� 85 przetestowanych związków IC50 < 100 µM,
� Współczynnik sukcesu (hit rate) = 0.021 %
� virtual screening (program DOCK v. 3.5)� 235 000 związków,
� 365 struktur z wysokimi ocenami,
� 127 przetestowanych związków IC50 < 100 µM,
� Współczynnik sukcesu (hit rate) = 34.8 %
Ligandy receptora dopaminowego D3
� Virtual screening� 250 251 związków (baza NCI)� Dopasowanie do farmakoforu
� 6 727 związków pasujących do farmakoforu
2015-01-20
9
Ligandy receptora dopaminowego D3
� Dokowanie do 4 konformacji receptora
� Wybrano 20 związków, które reprezentowały nowe chemotypyi miały wysoką ocenę dla dokowań dla co najmniej 2 konformacji receptora
Ligandy receptora dopaminowego D3
� 8 związków wykazywało aktywność < 0.5 µM
� Najbardziej aktywny związek miał Ki = 11 nM
2015-01-20
10
Antagoniści receptora neurokininy 1
� Receptor neurokininy 1 jest GPCR
� Odpowiada za wiązanie neurotransmiterów i przekazywanie bólu.
� Struktura krystaliczna nie jest znana
� Dla potrzeb virtual screening opracowano model na podstawie homologii
Antagoniści receptora neurokiniky 1
� Zastosowano 8 strukturalnych baz danych – 826 952 związki
� Filtry: masa molowa i ilość wiązań rotowalnych – 419 747 związków
� Filtry: cechy hydrofobowe i donor/akceptor wiązania wodorowego –131 967 związków
� Dopasowanie do farmakoforu – 11 109 związków
2015-01-20
11
Antagoniści receptora neurokiniky 1
� Dokowanie do modelu receptora (program FlexX) i ocena (DrugScore)
� 1 000 związków o najwyŜszej ocenie sprawdzonych ręcznie
� 7 związków wybranych do testów
IC50 = 250 nM
Inhibitory kinazy Chk1
� 560 000 związków z bazy danych AstraZeneca
� Zastosowanie filtrów: � masa molowa < 601
� liczba wiązań rotowalnych < 11
� 400 000 związków,
� Obecność pary donor/akceptor wiązania wodorowego (motyw wiąŜący)
� 199 000 związków
� Dokowanie do miejsca wiązania ATP
2015-01-20
12
Inhibitory kinazy Chk1
� Ocena dokowania na podstawie funkcji konsensusowej
� Opracowanie funkcji konsensusowej na podstawie oceny inhibitorów kinazy CDk2 (100 inhibitorów wśród 8 000 związków)
� Sprawdzenie róŜnych kombinacji funkcji oceniających pozwoliło wskazać tą, która wskazywała najwięcej inhibitorów.
� Kombinacja funkcji
FlexX i PMF wskazywała
45% inhibitorów w 5%
najlepszych wyników.
Inhibitory kinazy Chk1
� Na podstawie oceny funkcją konsensusową wybrano 250związków
� Przetestowani 103 związków� 36 związków miało
aktywność w zakresie 0.11 do 68 µM.
2015-01-20
13
Inhibitory kinazy FGFR
� Kinaza FGFR (Fibroblast Growth Factor Receptor 1 Kinase) pełni rolę w rozwoju róŜnych nowotworów.
� Miejsce aktywne moŜeprzyjmować dwie konformacje
� Zastosowano bazę ZINC z 2.2 mln związków.
� Dokowanie przeprowadzono do obu konformacji przy uŜyciu programu Glide.
Inhibitory kinazy FGFR
� Wszystkie związki (2.2 mln ) z bazy ZINC zostały zadokowane w trybie standardowej precyzji do obu konformacji.
� 40 000 najlepiej ocenionych związków zadokowano ponownie w trybie wysokiej precyzji do obu konformacji.
� 1 000 najlepiej ocenionych związków zadokowano do innych kinaz (EGFR, InsR, VEGFR2, Src i MEK).
� 100 najlepiej ocenionych związków, które nie były dobrze ocenione dla innych kinaz.
� Przetestowano 24 związki.
� 2 związki wykazywały aktywność (IC50 23 i 50 µM).
2015-01-20
14
Inhibitory kinazy FGFR
Inhibitory kinazy FGFR
� Pomimo zastosowania procedury zwiększającej selektywność otrzymane związki nie wykazywały znaczącej selektywności.
2015-01-20
15
Optymalizacja – podejście klasyczne
Synteza analogów
testy in vitro
biodostępność
Badania kliniczne
LEK
Optymalizacja wspomagana komputerowo
Struktura kompleksu
Analiza miejsca wiązania
Optymalizacja struktury
LEK
testy in vitro
biodostępność
testy kliniczne
synteza
2015-01-20
16
Strategie optymalizacji
� Łączenie fragmentów � Budowanie
Strategie optymalizacji
� Przyłączanie atomów� Zalety:
� DuŜa róŜnorodność strukturalna związków� Efektywne wykorzystanie wszystkich moŜliwych oddziaływań� Brak konieczności uŜycia bazy danych fragmentów
� Wady:� Zaprojektowane związki mogą być trudne do syntezy lub
niestabilne
� Przyłączanie fragmentów� Zalety:
� Związki składają się z fragmentów, które są syntezowalne
� Wady:� RóŜnorodność strukturalna związków zaleŜy od wykorzystanej
bazy
2015-01-20
17
Programy do projektowania� GENSTAR atomy rozbudowuje cząsteczki na bazie
struktury enzymu� GROUPBUILD fragmenty wzrost sekwencyjny� GROW aminokwasy wzrost sekwencyjny� GROWMOL fragmenty wzrost sekwencyjny
poszukiwanie stochastyczne� HOOK fragmenty łączenie fragmentów� LEGEND atomy poszukiwanie stochastyczne� LUDI fragmenty poszukiwanie kombinatoryczne� MCSS fragmenty próbkowanie stochastyczne� PRO-LIGAND fragmenty wzrost sekwencyjny� PRO-SELECT fragmenty podejście szkielet-linker� SKELGEN małe fragmenty poszukiwanie Monte-Carlo � SPROUT fragmenty wzrost sekwencyjny
poszukiwanie kombinatoryczne
Program LUDI
� Znajdowanie potencjalnych miejsc oddziaływania:� Lipofilowe (zielone)
� Donor wiązania wodorowego (czerwone)
� Akceptor wiązania wodorowego (niebieskie)
� Nakładanie fragmentów na miejsca oddziaływania
� Przyłączanie kolejnych fragmentów (nakładających się z cząsteczką bazową i miejscami oddziaływania)
2015-01-20
18
Inhibitory syntetazy glutaminy
OH
O
NH2
P
O
OHOH
O
NH2
P
O
OP
O
O
O
GS / ATP
OH
O
NH2
OH
O
OH
O
NH2
O
OP
O
O
O
OH
O
NH2
NH2
OGS / ATP GS / NH3
Inhibitory syntetazy glutaminy
O
O
NH3
+
S
O
NH
- O
O
NH3
+
P
O
O
-- O
O
NH3
+
P
O
O
-
OH
- O
O
NH3
+
P
O
O
--
O
O
NH3
+
NH
OH- O
O
NH3
+
OH
- NH3
+
O
O
NH3
+
POH
O
O
-- O
O
NH3
+
SNH2
O
O
-
O
O
NH3
+
- O
O
NH3
+
-O
O
NH3
+
- OH
1µµµµM 0.6µµµµM 1.6µµµµM 25µµµµM
21µµµµM 40µµµµM 54µµµµM 51µµµµM
160µµµµM 800µµµµM 1100µµµµM
2015-01-20
19
Inhibitory syntetazy glutaminy
� Ocena kompleksów inhibitor-enzym
400
500
600
700
800
900
1000
1100
2,50 3,50 4,50 5,50 6,50pKi
SC
OR
E
LUDI_1 LUDI_2 LUDI_3
-250
-200
-150
-100
-50
0
2,50 3,50 4,50 5,50 6,50pKi
SC
OR
E
D_SCORE PMF_SCORE G_SCORE
CHEMSCORE F_SCORE
400
500
600
700
800
900
1000
1100
2,50 3,50 4,50 5,50 6,50pKi
SC
OR
E
LUDI_1 LUDI_2 LUDI_3
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
2,50 3,50 4,50 5,50 6,50pKi
SC
OR
E
D_SCORE PMF_SCORE G_SCORE
CHEMSCORE F_SCORE
Inhibitory Fosforylowane inhibitory
Inhibitory syntetazy glutaminy
� Miejsca oddziaływania (program LUDI)
2015-01-20
20
Inhibitory syntetazy glutaminy
� Struktury zaprojektowanych związków
OH
O
NH2
P
O
OHNH
O
OH
O
NH2
P
O
OH
N NH2
OH
O
NH2
P
O
OHNH
N
OH
O
NH2
P
O
OHNH
O
OH
O
NH2
P
O
OHN
NH
OH
O
NH2
P
O
OH
NH2
OH
O
NH2
P
O
OH
NH
O
OH
O
NH2
P
O
OHNH2OH
O
NH2
P
O
OHOH
OH
OH
O
NH2
P
O
OH
NH2
OH
O
NH2
P
O
OHNH2
O
OH
O
NH2
P
O
OHNH
N
NH2
OH
O
NH2
P
O
OH
1037 1271 1260 1248
1243 1212 1205
1186 1147 1145
1142 1118 1118
Inhibitory syntetazy glutaminy
� Struktura kompleksu enzym-inhibitor
E. coli M. tuberculosis kukurydzaOH
O
NH2
PR
O
OH
Ki [µM]
-CH3
-CH2NH2
-CH2OH
-CH(CH3)NH2
-CH2CH2NH2
-CH2CH2COOH
0.6
0.59
2.1
33
55
970
ND
0.8
5.7
3.4
ND
ND
1.1
1.8
8.5
21.6
320
ND
Top Related