Post on 13-Jan-2016
description
Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban
Ferenczy GyörgySanofi/Chinoin
2Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban Szabadenergia Workshop 2011
Vizsgált rendszerek
gyógyszerjelölt – gyógyszercélpont(nem kovalens) kötődését kísérő
szabadentalpia változás
gyógyszerjelölt
kis molekula < ~500Da
egyéb (biológikum)
gyógyszercélpont
fehérje (receptor/enzim) ~104 Da
…
Gkötődés = RT lnKd ~ RT ln Ki
3Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban Szabadenergia Workshop 2011
Vegyületek száma a kutatási fázisokban
105-106
vizs
gált
vegy
ület
ek
szám
a
103
Időt
arta
m
hónapok 1-3 év
pontosság igény
vegyület szám/idő
Biológiai célpont azonosítása és validálása
Kémiai kiindulópont azonosítás
Hit to lead Lead optim.
Fejlesztés…
fázi
s
Optimálás
4Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban Szabadenergia Workshop 2011
ligandumkonformáció változás
deszolvatáció
Ligandum-fehérje kötődés elemei
ligandum-fehérje kompexligandum-fehérje kölcsönhatás
a víz alapvető szerepet játszik a kötődésben
fehérjekonformáció változás
deszolvatáció
5Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban Szabadenergia Workshop 2011
Kötődési szabadenergia molekula dinamikával
Potenciálisan pontos (1-2 kcal/mol)Szabadenergia perturbáció (FEP)
Termodinamikai integrálás (TI)
NehézségekVáltozó pontosság
Erőtér ?
Mintavétel ?
Hosszú számítás (napok – hetek)
MD nem alkalmazható rutinszerűen
6Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban Szabadenergia Workshop 2011
Pontozó függvény
Kötődési szabadenergia becslése ?Nagyon gyors – másodperc/ligandumÁltalában egyetlen konfiguráció leírása (nincs mintavétel)
TípusaiErőtér alapú
Molekula-mechanikai erőtér
Tapasztalati (empirical)Lokalizált kölcsönhatások összege
TudásalapúAdatbázisok elemzésére épül
VegyesElőzőek kombinációja
7Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban Szabadenergia Workshop 2011
Erőtér alapú pontozófüggvény
Gáz-fázisú energia számítás
(↔ oldatbeli szabadenergia)Fehérje tere előre kiszámítható egy griden – számítási sebesség növekszikLehetővé tesz szerkezet optimálástKiegészíthető
oldószer hatás
Entrópia ?
8Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban Szabadenergia Workshop 2011
Tapasztalati pontozófüggvények
Kölcsönhatási tagok intuitív válogatásaHidrogén-kötés
Típus szerint súlyozott összeg
Ionos kölcsönhatás
Hidrofób kölcsönhatásArányos az érintkező felszín nagyságával
Kísérleti affinitásokhoz illesztett paraméterek
Csak a modellben szereplő tagokat „látja”Lokális kölcsönhatások
9Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban Szabadenergia Workshop 2011
Tudásalapú pontozófüggvények
Komplexek kísérleti adatainak statisztikai analízisébőlEi = -kTln(pi) – energia tag ~ előfordulás valószínűsége
Protein Data Bank: 76669 szerkezet 2011 október 18-ánKötődési adat nem szükségesNagy távolságú mintavétel – oldószer hatás isKis távolságú mintavétel – specifikus kölcsönhatások hangsúlyozásaTaszító kölcsönhatások nem teljesek
10Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban Szabadenergia Workshop 2011
Pontozófüggvények közelítései
Néhány fontosabb:Fehérje flexibilitásProtonáltsági fokVízszerkezetKötést közvetítő vízmolekulákKonfigurációs entrópiaHőmérséklet…
11Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban Szabadenergia Workshop 2011
A pontozófüggvényen túl …
Végpont módszerek: MD szimuláció a 2 végállapotbanLIE
Ligandum – fehérje komplex oldatbanLigandum oldatban
G ≈ Uelec + Uvdw + SASA??
MM-PBSA (MM-GBSA)Ligandum-fehérje komplex oldatbanLigandum oldatbanProtein oldatban
G ≈ Uelec + Uvdw -TSconfig
Segítségükkel több esetben a szabadenergia jobb előrejelzését érték elAlkalmazásuk általános előnyei és korlátai nem ismertek
12Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban Szabadenergia Workshop 2011
Gyors szabadenergia számítás alkalmazásai
Dokkolás - Kötődési mód meghatározásAdott ligandum-fehérje pár kötésmódjainak összehasonlítása
Kémiai kiindulópont optimálása fázis
Néhány vegyület rangsorolása a kötődés erőssége szerintNéhány hasonló vegyület kötődési szabadenergiájának rangsorolása
Vezérmolekula optimálása fázis
Virtuális szűrésNagyszámú ligandum kötődésének rangsorolása
Kémiai kiindulópont azonosítása fázis
Biológiai célpont azonosítása és validálása
Kémiai kiindulópont azonosítás
Hit to lead Lead optim.
Fejlesztés…
fázi
s
Optimálás
13Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban Szabadenergia Workshop 2011
Dokkolás
Fehérje szerkezet röntgen krisztallográfiahomológia modell
Ligandum szerkezetModell
Komplex szerkezetLigandumnak a fehérje kötőzsebébe illesztése - dokkolásLigandum különböző pozícióinak rangsorolása pontozófüggvénnyel
Korlátozott fehérje flexibilitásLigandum konformációs terének hatékony feltérképezése
Dokkolt ligandum szerkezet RMSD < 2Å – esetek 70-80%-a kedvező esetben
J. Chem. Inf. Model. 2009, 49, 1079–1093
14Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban Szabadenergia Workshop 2011
Rangsorolás
Molekulák dokkolása és pontozófüggvény szerinti rangsorolásaGyakran hasonló szerkezetű, tervezett molekulákat vizsgálunk – vezérmolekula optimálás Gyenge korreláció a pontozófüggvény és a kísérleti affinitás közöttA pontozófüggvény szerinti rangsor gyengén korrelál a kísérleti affinitás szerinti rangsorral
Best Correlation Coefficient r between the -log Affinity (pAffinity) and Docking Score
J. Med. Chem. 2006, 49, 5912
Correlation Between the Scores and Experimental Binding Affinitiesa
J. Chem. Inf. Model. 2011, 51, 2115
15Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban Szabadenergia Workshop 2011
Virtuális szűrés
Számítás menete:Nagy számú, szerkezetileg szerteágazó, létező molekula dokkolása
Kapott komplexek pontozása
„Legjobbak” kísérleti tesztelése
16Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban Szabadenergia Workshop 2011
Kémiai kiindulópont azonosítás és virtuális szűrés
Nagy áteresztőképességű szűrés (HTS)Adott célponton (gyenge) hatást mutató vegyületek megtalálása
Biokémiai/biofizikai módszerekreceptor kötődés
enzim gátlás
…
105-106 vegyület kísérletes tesztelése
Találatok száma: ~102
találati arány: 0.1% (102/105)
Virtuális szűrésCél a HTS találati arány javítása a vegyületek előszűrésével
~106 molekula dokkolása és pontozása
Legjobb ~103 molekula kísérleti tesztelése
17Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban Szabadenergia Workshop 2011
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Virtuális szűrés hatékonysága
active
active
active
active
active
bet
ter
sco
re
Dúsulási tényező
receiver operating characteristic (ROC)area under curve (AUC)
Tipikus dúsulás: 5-20
102 aktív; 105 inaktív – 0.1%35 aktív; 2000 inaktív - 1.75% EF=1855 aktív; 5000 inaktív – 1%EF=10
Alacsony találati arány (1-10%) amely meghaladja a HTS találati arányt (0.05-0.5%)
dúsulás: 3/6*18/5 ~ 5
Több vegyületet választunk tesztelésre•Több aktívat találunk meg•Kisebb dúsulás - Alacsonyabb találati arány
18Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban Szabadenergia Workshop 2011
Összefoglalás
Gyógyszerkutatás „szent kelyhe”: ligandum-fehérje kötődési szabadentalpia 1-2 kcal/mol pontossággalJelenleg rutinszerűen nem valósítható megCsökkentett pontossági igénnyel, de nagyon gyors számítással kísérletek eredményesen támogathatók:
Kémiai kiindulópont keresés – nagyszámú(106) vegyület között néhány(102) aktív megtalálásaA virtuális szűrés képes olyan vegyületcsoportot kiválasztani, amelyben az aktívak lényegesen nagyobb arányban találhatók meg
A kísérleti munka így számottevően (nagyságrenddel) csökkenthetőHogyan tovább?