Transcript Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban

Szabadenergia gyors becslése a
gyógyszerkutatásban
Ferenczy György
Sanofi/Chinoin
Vizsgált rendszerek
gyógyszerjelölt – gyógyszercélpont
(nem kovalens) kötődését kísérő
szabadentalpia változás
gyógyszercélpont
gyógyszerjelölt
kis molekula < ~500Da
fehérje (receptor/enzim) ~104 Da
egyéb (biológikum)
…
DGkötődés = RT lnKd ~ RT ln Ki
Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban
2
Szabadenergia Workshop 2011
Időtartam
vizsgált
vegyületek
száma
fázis
Vegyületek száma a kutatási
fázisokban
Biológiai
célpont
azonosítása
és validálása
Kémiai
kiindulópont
azonosítás
Optimálás
Hit to lead
Fejlesztés…
Lead optim.
105-106
103
hónapok
1-3 év
pontosság igény
vegyület szám/idő
Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban
3
Szabadenergia Workshop 2011
Ligandum-fehérje kötődés elemei
ligandum
fehérje
konformáció változás
deszolvatáció
konformáció változás
deszolvatáció
ligandum-fehérje kompex
ligandum-fehérje kölcsönhatás
a víz alapvető szerepet játszik a kötődésben
Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban
4
Szabadenergia Workshop 2011
Kötődési szabadenergia molekula
dinamikával
Potenciálisan pontos (1-2 kcal/mol)
Szabadenergia perturbáció (FEP)
Termodinamikai integrálás (TI)
Nehézségek
Változó pontosság
Erőtér ?
Mintavétel ?
Hosszú számítás (napok – hetek)
MD nem alkalmazható rutinszerűen
Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban
5
Szabadenergia Workshop 2011
Pontozó függvény
Kötődési szabadenergia becslése ?
Nagyon gyors – másodperc/ligandum
Általában egyetlen konfiguráció leírása (nincs mintavétel)
Típusai
Erőtér alapú
Molekula-mechanikai erőtér
Tapasztalati (empirical)
Lokalizált kölcsönhatások összege
Tudásalapú
Adatbázisok elemzésére épül
Vegyes
Előzőek kombinációja
Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban
6
Szabadenergia Workshop 2011
Erőtér alapú pontozófüggvény
Gáz-fázisú energia számítás
(↔ oldatbeli szabadenergia)
Fehérje tere előre kiszámítható egy griden –
számítási sebesség növekszik
Lehetővé tesz szerkezet optimálást
Kiegészíthető
oldószer hatás
Entrópia ?
Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban
7
Szabadenergia Workshop 2011
Tapasztalati pontozófüggvények
Kölcsönhatási tagok intuitív válogatása
Hidrogén-kötés
Típus szerint súlyozott összeg
Ionos kölcsönhatás
Hidrofób kölcsönhatás
Arányos az érintkező felszín nagyságával
Kísérleti affinitásokhoz illesztett paraméterek
Csak a modellben szereplő tagokat „látja”
Lokális kölcsönhatások
Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban
8
Szabadenergia Workshop 2011
Tudásalapú pontozófüggvények
Komplexek kísérleti adatainak statisztikai analíziséből
Ei = -kTln(pi) – energia tag ~ előfordulás valószínűsége
Protein Data Bank: 76669 szerkezet 2011 október 18-án
Kötődési adat nem szükséges
Nagy távolságú mintavétel – oldószer hatás is
Kis távolságú mintavétel – specifikus kölcsönhatások
hangsúlyozása
Taszító kölcsönhatások nem teljesek
Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban
9
Szabadenergia Workshop 2011
Pontozófüggvények közelítései
Néhány fontosabb:
Fehérje flexibilitás
Protonáltsági fok
Vízszerkezet
Kötést közvetítő vízmolekulák
Konfigurációs entrópia
Hőmérséklet
…
Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban
10
Szabadenergia Workshop 2011
A pontozófüggvényen túl …
Végpont módszerek: MD szimuláció a 2 végállapotban
LIE
Ligandum – fehérje komplex oldatban
Ligandum oldatban
DG ≈ bDUelec + aDUvdw + SASA??
MM-PBSA (MM-GBSA)
Ligandum-fehérje komplex oldatban
Ligandum oldatban
Protein oldatban
DG ≈ bDUelec + aDUvdw -TDSconfig
Segítségükkel több esetben a szabadenergia jobb
előrejelzését érték el
Alkalmazásuk általános előnyei és korlátai nem
ismertek
Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban
11
Szabadenergia Workshop 2011
Gyors szabadenergia számítás
alkalmazásai
Dokkolás - Kötődési mód meghatározás
Adott ligandum-fehérje pár kötésmódjainak összehasonlítása
Kémiai kiindulópont optimálása fázis
Néhány vegyület rangsorolása a kötődés erőssége szerint
Néhány hasonló vegyület kötődési szabadenergiájának
rangsorolása
Vezérmolekula optimálása fázis
Virtuális szűrés
fázis
Nagyszámú ligandum kötődésének rangsorolása
Kémiai kiindulópont azonosítása fázis
Biológiai
célpont
azonosítása
és validálása
Kémiai
kiindulópont
azonosítás
Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban
Optimálás
Hit to lead
12
Fejlesztés…
Lead optim.
Szabadenergia Workshop 2011
Dokkolás
Fehérje szerkezet
röntgen krisztallográfia
homológia modell
Ligandum szerkezet
Modell
Komplex szerkezet
J. Chem. Inf. Model. 2009, 49, 1079–1093
Ligandumnak a fehérje kötőzsebébe illesztése - dokkolás
Ligandum különböző pozícióinak rangsorolása
pontozófüggvénnyel
Korlátozott fehérje flexibilitás
Ligandum konformációs terének hatékony feltérképezése
Dokkolt ligandum szerkezet RMSD < 2Å – esetek 7080%-a kedvező esetben
Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban
13
Szabadenergia Workshop 2011
Rangsorolás
Molekulák dokkolása és pontozófüggvény szerinti
rangsorolása
Gyakran hasonló szerkezetű, tervezett molekulákat
vizsgálunk – vezérmolekula optimálás
Gyenge korreláció a pontozófüggvény és a kísérleti
Correlation Between the Scores and
affinitás között
Experimental Binding Affinitiesa
A pontozófüggvény szerinti rangsor gyengén
korrelál a kísérleti affinitás szerinti rangsorral
Best Correlation Coefficient r between the
-log Affinity (pAffinity) and Docking Score
J. Chem. Inf. Model. 2011, 51, 2115
J. Med. Chem. 2006, 49, 5912
Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban
14
Szabadenergia Workshop 2011
Virtuális szűrés
Számítás menete:
Nagy számú, szerkezetileg szerteágazó, létező
molekula dokkolása
Kapott komplexek pontozása
„Legjobbak” kísérleti tesztelése
Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban
15
Szabadenergia Workshop 2011
Kémiai kiindulópont azonosítás és virtuális
szűrés
Nagy áteresztőképességű szűrés (HTS)
Adott célponton (gyenge) hatást mutató vegyületek megtalálása
Biokémiai/biofizikai módszerek
receptor kötődés
enzim gátlás
…
105-106 vegyület kísérletes tesztelése
Találatok száma: ~102
találati arány: 0.1% (102/105)
Virtuális szűrés
Cél a HTS találati arány javítása a vegyületek előszűrésével
~106 molekula dokkolása és pontozása
Legjobb ~103 molekula kísérleti tesztelése
Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban
16
Szabadenergia Workshop 2011
Virtuális szűrés hatékonysága
active
receiver operating characteristic (ROC)
area under curve (AUC)
Dúsulási tényező
1
0.9
0.8
active
0.7
active
0.6
0.5
dúsulás: 3/6*18/5 ~ 5
0.4
0.3
active
better score
0.2
Tipikus dúsulás: 5-20
0.1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
102 aktív; 105 inaktív – 0.1%
35 aktív; 2000 inaktív - 1.75%
55 aktív; 5000 inaktív – 1%
active
0.8
0.9
1
EF=18
EF=10
Több vegyületet választunk tesztelésre
•Több aktívat találunk meg
•Kisebb dúsulás - Alacsonyabb találati arány
Alacsony találati arány (1-10%) amely meghaladja a HTS találati arányt (0.05-0.5%)
Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban
17
Szabadenergia Workshop 2011
Összefoglalás
Gyógyszerkutatás „szent kelyhe”: ligandum-fehérje
kötődési szabadentalpia 1-2 kcal/mol pontossággal
Jelenleg rutinszerűen nem valósítható meg
Csökkentett pontossági igénnyel, de nagyon gyors
számítással kísérletek eredményesen támogathatók:
Kémiai kiindulópont keresés – nagyszámú(106) vegyület
között néhány(102) aktív megtalálása
A virtuális szűrés képes olyan vegyületcsoportot
kiválasztani, amelyben az aktívak lényegesen nagyobb
arányban találhatók meg
A kísérleti munka így számottevően (nagyságrenddel)
csökkenthető
Hogyan tovább?
Szabadenergia gyors becslése a gyógyszerkutatásban
18
Szabadenergia Workshop 2011