Інформаційні технології в дослідженнях з квантової фармакології Т.Ю. Небесна – асп. каф. фармакології з курсом клінічної фармакології Науковий керівник: І.С. Чекман, член-кор. НАН і АМН України, засл. діяч науки і техніки України, д.м.н., проф., завідувач кафедри фармакології з курсом клінічної фармакології Національного медичного університету імені О.О. Богомольця Національний медичний університет імені О.О. Богомольця

2 Квантова фармакологія: - розділ науки, в якому знання електронної структури препаратів використовується для de novo дизайну лікарських засобів, вивчення звязку між структурою та біологічною активністю речовин та встановлення фармакофорів і пояснення механізму дії медикаментів – W.G. Richards, (Oxford University, England).

3 Перші наукові роботи в галузі квантової фармакології Нітро-гетероциклічні лікарські засоби, що активуються в стані гіпоксії, для радіо- та хіміотерапії раку. Adams G. E.; Stratford I. J. Biochemical Pharmacology (1986) Розрахунок відносної зміни вільної енергії звязування при утворенні комплексу білок-інгібітор. Bash P.A., Singh U.C., Brown F.K., Langridge R., Kollman P.A. Science (1987) Електростатичний потенціал та звязування ліків з ДНК. Burridge J.M.; Quarendon P.; Reynolds C. A.; Goodford P.J. Journal of Molecular Graphics (1987) Розробка специфічних інгібіторів дигідрофолатредуктази. Reynolds C.A., Richards W.G., Goodford P.J. Anticancer Drug Des. (1987) Фізико-хімічні механізми дії агапурину (пентоксифіліну). Chekman I.S., Bobkov V.M., Svintitsky A.S., Bondur V.V., Zagorodny M.I. Fundamental & Clinical Pharmacology (1999) Молекулярні механізми дії капотену та моноприлу. Chekman I.S., Bobkov V.M., Svintitsky A.S., Bondur V.V., Zagorodny M.I. Fundamental & Clinical Pharmacology (1999)

4 Квантова фармакологія На кафедрі фармакології з курсом клінічної фармакології НМУ ім. О.О.Богомольця дослідження з квантової фармакології ведуться з 1998 р. Вивчені квантово-фармакологічні властивості лікарськіихзасобів: -Антигіпертензивні (каптоприл, лізиноприл, фозиноприл, метопролол, атенолол, пропранолол, карведілол, празозин, доксазозин); -Засоби для лікування гіперплазії простати (тамсулозин, теразозин, альфузозин) -Адреноміметики (адреналін, мезатон) -Протизапальні (анальгін, ацетилсаліцилова кислота); -Експекторанти – відхаркувальні (ацетилцистеїн) -Гіполіпідемічні (уфібрат) -Метаболітні препарати (кверцетин, таурин, тіотриазолін, яктон).

5 Квантова фармакологія Результати досліджень квантово-фармакологічних лікарських засобів, проведених на кафедрі фармакології з курсом клінічної фармакології НМУ імені О.О. Богомольця надруковані в таких журналах: Доповіді НАН України Лікарська справа Вісник Національного медичного університету імені О.О. Богомольця Fundamental & Clinical Pharmacology Зроблені доповіді на таких наукових форумах: Конгреси фармакологів України: Дніпропетровськ (2002), Одеса (2006) Конгреси кардіологів України: Київ (2003, 2007) Конгрес Человек и лекарство – Москва, (2000, 2005, 2007) 2 nd European congress of pharmacology – Budapest, Hungary (1999) VI International congress of medical sciences for students and young doctors – Sofia, Bulgaria (2007)

6 Основні напрямки досліджень з квантової фармакології пояснення механізму дії лікарських засобів. вивчення звязку між структурою та біологічною активністю речовин (QSAR). встановлення фармакофорів – необхідного просторового розташування молекулярних фрагментів, що забезпечують структуру та фізико-хімічні властивості, які в свою чергу визначають біологічну активність речовини. de novo дизайн лікарських засобів – створення нових лікарських засобів, спираючись на відому структуру молекули- мішені цього засобу в організмі людини.

7 Квантова фармако- логія Квантова хімія Фізична хімія Медична хімія ФізіологіяБіохімія Молекулярна біологія Статистика Хемо- інформатика Квантова фармакологія – наука нового покоління

8 - наука, яка використовує методи компютерного моделювання та принципи теоретичної хімії для встановлення молекулярної структури ліків та механізмів їх взаємодії з рецепторами та іншими біомолекулами організму Сучасне визначення квантової фармакології Завдання квантової фармакології: Дослідження структури окремих лікарських засобів Дослідження залежності структура – активність (QSAR) Дослідження білок-лігандних взаємодій Дослідження реакцій, в які вступають лікарські засоби в організмі людини

9 Дослідження структури окремих лікарських засобів 2. Досліджувані показники: - відстані між атомами, торсійні кути, заряди на атомах; - загальна енергії напруги, енергія звязування, енергія ізольованих атомів, електронна енергія, енергія міжядерної взаємодії, теплота утворення; - значення дипольного моменту; - локалізація та енергії вищої зайнятої (ВЗМО) і нижчої вакантної (НВМО) молекулярних орбіталей; - абсолютна електронегативність (χ), абсолютна жорсткість (ή); 1. Методи: -напівемпіричні розрахунки: методи АМ1, РМ3, ZINDO (програми MOPAC, HyperChem) - неемпіричні (ab initio) розрахунки: програми Gaussian, GAMESS, Jaguar врахування впливу розчинника вода, бензол, ефір, ліпіди, етиловий спирт та ін (GAMESS, NWCHEM)..

10 Дослідження жорсткості молекули інгібітора АПФ каптоприлу Енергія ВЗМО, eВ-9, Енергія НВМО, eВ-0, Абсолютна жорсткість (ή), eВ 4, Молекула каптоприлу, відповідно до її жорсткості, відноситься до мяких реагентів, тому особливо активно ця сполука буде реагувати з мякими речовинами лужного характеру – лужними амінокислотами, ненасиченими і ароматичними сполуками. Цей висновок підтверджується даними рентгеноструктурного аналізу – в центрі зв'язування АПФ каптоприл взаємодіє із залишками гістидину. Абсолютна жорсткість (ή) визначена за формулою: ή = ½ (Енвмо – Евзмо) Розрахунок методом РМ3

11 Дві конформації молекули тіотриазоліну: Теплота утворення = -185,715 кДж/моль, Теплота утворення перехідного стану = -165,396 кДж/моль, Енергія активації інверсії = 20,32 кДж/моль Розрахунок методом АМ1 Аніонна форма тіотриазоліну: Теплота утворення = - 379,224 кДж/моль Конформаційний аналіз молекули тіотриазоліну

12 Електростатичний потенціал навколо молекули ДМЕЯК – тривимірне зображення (метод РМ3) Локалізація ВЗМО Е = -9,40209 еВ Локалізація НВМО Е = 4, еВ Дослідження реакційних центрів молекули моно[(2-диметиламіно)етилового ефіру] янтарної кислоти Позитивна енергія НВМО зумовлює нуклеофільні властивості молекули, що пояснює відновлювальну властивість дослідженої молекули. Області з позитивними значеннями ЕП, тобто місця, де може відбуватися взаємодія сполуки з позитивно зарядженими фрагментами інших молекул або з протонами (місця протонування), чітко локалізовані на кожній з неподілених електронних пар (НЕП) кисню карбонільних С=О груп та атомі азоту.

13 Вплив сольватації на властивості біомолекул СОЛЬВАТАЦІЯ - взаємодія молекул розчиненої речовини (або їх асоціатів) з молекулами розчинника, яка приводить до зміни властивостей молекул у розчині (у порівнянні з властивостями газової фази), впливає на всі фізичні і фізико- хімічні процеси, що протікають у розчинах, у т.ч. визначає швидкість реакцій у розчинах і положення рівноваги, а в ряді випадків і їхній механізм.

14 Використання сольватаційної моделі для розрахунку квантово-фармакологічних параметрів серцевого глікозиду – дигоксину: методи Сольватаційна модель SM5.42R/HF/6-31G(d)//PM3 (GAMESOL) Gs(R) = GEP + GCDS GEP = EE + GP GEP – електростатична компонента Gs, EE – енергія деформації молекули Ak – доступна поверхня атома k k – атомарний поверхневий натяг атома k як функція просторової геометрії розчину та набору параметрів розчинника. Оптимізація геометрії у розчині дає рівноважну геометрію розчинених молекул R(l): Gs = G(l,R(l)) - G(g,R(g))=Е(l,R(l)) + G(R(l)) + G(R(l)) - Е(g,R(g)), де індекси l та g відповідають рідкій та газовій фазі, а R- рівноважна геометрія системи.

15 Використання сольватаційної моделі для розрахунку квантово-фармакологічних параметрів серцевого глікозиду – дигоксину: висновки Вільна енергія гідратації дигоксина становить -40,4 ккал/моль Значення цього параметра вказує на гарну розчинність дигоксина у воді. При вивченні взаємодії дигоксину з будь-якими молекулами або активними центрами у водному середовищі необхідно враховувати ефекти сольватації, оскільки енергія взаємодії дигоксина з молекулами води може перевищувати енергію взаємодій з іншими, розчиненими сполуками, тобто утворення відповідних комплексів, особливо одноцентрових, може бути енергетично невигідним. Виходячи зі структури дигоксина й розрахованих параметрів, можна вважати, що тільки багатоцентрові його комплекси з відповідними біоструктурами можуть бути ефективні у водному середовищі.

16 Quantitative Structure-Activity Relationship Зясування залежності між хімічною будовою речовини, їх фізико-хімічними властивостями та біологічною активністю QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationship) – один із шляхів до пояснення механізмів дії біологічно активних речовин, підвищення ефективності та зниження вартості розробки оригінальних лікарських засобів. QSAR вимагає максимально детальної інформації про тривимірну структуру як біологічно активних речовин, так і молекул-мішеней людського організму.

17 Quantitative Structure-Activity Relationship Побудова молекули ліганду (2D 3D) Пошук найбільш стабільної конформації досліджуваних речовин (у водному або газовому середовищі) ММ (молекулярна механіка) АМ1, РМ3, ZINDO (напівемпіричний розрахунок) ab initio (неемпіричний розрахунок) Програми MOPAC, AMPAC, HyperChem, Gaussian, GAMESS, Jaguar, NWChem, Spartan Розрахунок молекулярних дескрипторів Програми DRAGON, Cerius, CODESSA, ChemOffice, HyperChem, TSAR, VOLSURF, QSARIS, Almond, HYBOT Статистична обробка результатів – побудова QSAR-моделі Валідація отриманої моделі

18 Молекулярні дескриптори - набір незалежних параметрів, які характеризують електронні, структурні, геометричні та інші особливості молекул Елементарні дескриптори – брутто-формула молекули або її атомний склад. Електронні дескриптори – набір індексів, що характеризують зарядовий розподіл молекули та її енергію (розраховуються квантово-хімічними методами): електронна густина, порядок звязку, індекс вільної валентності, Е(НОМО, LUMO), жорсткість, електронегативність, молекулярний дипольний момент, поляризовність та ін. Геометричні дескриптори – параметри, які характеризують форму молекул (індекс Балабана, площа молекулярної поверхні, обєм, та ін.). Фізико-хімічні дескриптори описують фізико-хімічні параметри молекулярних систем (показник ліпофільності, температура кипіння та ін.)

19 Альфа-1-А-адренорецептори Селективні блокатори – ефективні та безпечні препарати для лікування доброякісної гіперплазії передміхурової залози Структура та передумови селективності до агоністів та антагоністів потребують дослідження Локалізовані на гладенькій мускулатурі передміхурової залози, шийки сечового міхура і простатичної частини уретри – блокада знижує м'язовий тонус уретри

20 Похідні апорфіну, що мають альфа-1А- адреноблокуючу активність pKiR1R1 R2R2 R3R3 R4R4 R5R5 R6R6 R7R7 R8R8 14,39HHHHHOH H 24,59HHHCH 3 HOH H 34,87HHHC3H7C3H7 HOH H 44,7HHHCH 3 HOCH 3 OHH 56,55HHHCH 3 HO-CH 2 --OH 67,04HHHC3H7C3H7 HO-CH 2 --OH 75,31HOHHCH 3 HOH H 85,97O-CH 2 --OHCH 3 HOCH 3 OHH 95,79OCH 3 HCH 3 OCH 3 HH 106,57OCH 3 BrCH 3 OCH 3 HH 116,38OCH 3 ClCH 3 OCH 3 HCl 126,3OCH 3 OHHCH 3 OHOCH 3 HH 137,12OCH 3 OHBrCH 3 OHOCH 3 HH 147,2OCH 3 OHClCH 3 OHOCH 3 HH 156,75OCH 3 OHICH 3 OHOCH 3 HH 166,89OCH 3 OHBrCH 3 OHOCH 3 HBr 176,98OCH 3 OHClCH 3 OHOCH 3 HCl 186,37OCH 3 OHHCH 3 OHOCH 3 HNH 2 194,98OCH 3 OHHCH 3 OHOCH 3 HNO

21 Розрахунок дескрипторів Проведено оптимізацію геометрії молекул послідовно методом молекулярної механіки ММ+ та напівемпіричним методом PM3. Серед досліджених показників заряди на атомах; значення дипольного моменту молекул; енергії вищої зайнятої (ВЗМО) і нижчої вільної (НВМО) молекулярних орбіталей; абсолютна жорсткість (ή), показник ліпофільності; загальноенергетичні властивості молекул топологічні дескриптори (індекс Балабана, індекс Вінера, топологічний діаметр, індекс загальної молекулярної звязності, площа молекулярної поверхні, обєм, та ін.) похідних апорфіну

22 Статистична обробка даних Регресійний аналіз - програмний засіб ПЗ ПРІАМ (Планування, Регресія та Аналіз Моделей). Аналіз нормальності залишків та побудова статистичних графіків -програма SPSS 13.0 та MS Excel. З метою одержання стійкого як відносно структури, так і відносно коефіцієнтів, рівняння регресії в процесі аналізу проведено перетворення вихідних даних – ортогоналізація (ПЗ ПРІАМ з використанням ортогональних поліномів Чебишева) та нормування. Для одержання математичної моделі, яка б адекватно описувала досліджувані взаємозвязки, були проаналізовані усі ефекти попарних взаємодій лінійних ефектів незалежних змінних. Усього, на етапі побудови математичної моделі проаналізовано на предмет їх включення в рівняння регресії 98 головних ефектів та 1225 ефектів взаємодій (всього 1323 ефекти).

23 Багатофакторна математична модель x 27 = 6,38446*(X27 +0, ); x 30 = 5,38746*(X30 +0,148487); x 34 = 47,4261*(X34 +0, ); x 46 = 0, *(X46 – 81,7039); x 47 = 0,95*(X47 – 9,05263); x 48 = 2690,5*(X48 – 0, ); x 50 = 0, *(X50 – 1130,53). X27Заряд на атомі вуглецю С 11 X30Заряд на атомі вуглецю С 8 X34Заряд на атомі вуглецю С 4 X46Індекс вільної валентності (total valence degree) X47Топологічний діаметр (topological diameter) X48Індекс загальної молекулярної звязаності (total connectivity) X50Індекс Вінера a1A (pK i ) (показник звязування речовини з альфа-1-А- адренорецептором)

24 Вплив квантово-хімічних властивостей молекул похідних апорфіну на адреноблокуючу дію Порівняльний аналіз впливу квантово-хімічних властивостей молекул похідних апорфіну на адреноблокуючу дію даних сполук Графік квантіль квантіль для перевірки відповідності залишків регресійного аналізу нормальному закону розподілу

25 Застосування QSAR для створення оригінальних лікарських засобів: пошук нових антиконвульсантів 48 відомих протисудомних засобів ~760 QSAR моделей Валідація моделей 10 найкращих моделей Прогнозування активності з урахуванням області застоування QSAR моделей 50 перехресних сполук- лідерів 4334 сполук- лідерів Скринінг хімічних сполук 22 сполуки, надані для хімічного аналізу 9 сполук, відібрані для синтезу Тестуванн я на біологічни х обєктах 7 достовірно активних сполук Tropsha A. Variable selection QSAR modeling, model validation, and virtual screening // An. Rep. Comp. Chem. – – Vol. 2. – P

26 Концепція дескрипторного фармакофору Сучасні програмні засоби з компютерного моделювання дозволяють розрахувати більше 1000 видів молекулярних дескрипторів Правильний вибір набору дескрипторів – запорука отримання ефективної QSAR моделі Дескрипторний фармакофор для дослідження сполук з певним типом фармакологічної активності – набір молекулярних дескрипторів, які найчастіше входять до ефективних QSAR моделей, розроблених при дослідженні різних хімічних груп сполук з цим типом фармакологічної активності.

27 Застосування QSAR у токсикології Використання класичних фізико-хімічних дескрипторів у QSAR–моделях для токсикології дало змогу прогнозувати такі важливі токсикологічні властивості речовин, як Коефіцієнт проникнення через шкіру та індекс подразнення шкіри для органічних кислот, основ, фенолів та електрофільних органічних сполук Індекс подразнення ока для нейтральних органічних сполук Створені бази даних з інформацією про різні види токсичності речовин та можливістю їх прогнозування

28 Застосування електронних дескрипторів для QSAR у токсикології Прогнозування місця гідроксилювання в ряду похідних фторбензолу цитохромом Р450 (дескриптори – електронна густина граничних орбіталей) Визначення рівня р-гідроксилювання похідних аніліну цитохромом Р450 (дескриптор – енергія вищої занятої молекулярної орбіталі) Визначення рівня конюгації похідних фторнітробензолу з глутатіоном, каталізованого S-трансферазою (дескриптор – енергія нижчої вакантної молекулярної орбіталі) Визначення рівня конюгації двозаміщених похідних 1-хлоро-4- нітробензолу з глутатіоном, каталізованого S-трансферазою (дескриптор – енергія нижчої вакантної молекулярної орбіталі та Ван-дер-Ваальсів об'єм) Рівень мутагенності ароматичних та гетероциклічних сполук (дескриптор – енергія нижчої вакантної молекулярної орбіталі) Прогнозування гострої токсичності (LD 50 ) для речовин для полярного

29 Порівняльний аналіз молекулярних полів (Comparative Molecular Field Analysis, coMFA) Метод, заснований на тому, що взаємодія біологічно активної речовини з мішенню визначається, в першу чергу, нековалентними міжмолекулярними ефектами, які залежать від просторових особливостей та форми молекул. Мета coMFA – дослідження кореляцій між тривимірними харкктеристиками молекул та їх біологічною активністю. При CoMFA розрахунках проводиться аналіз набору гомологічних лігандів та виділяються області лігандного каркасу, модифікація яких потенційно призводить до підсилення або зниження активності. Особливість моделі – дескриптори молекули обчислюються у вигляді тривимірної карти, що описує задану властивість у просторі.

30 Порівняльний аналіз молекулярних полів (Comparative Molecular Field Analysis, coMFA) Навколо молекул формується куб, в середині якого задається сітка. Розрахунок амплітуди полів відбувається з використанням пробних атомів, які розміщуються в вузлах сітки. Використовуються наступні типи пробних атомів: атом вуглецю, позитивно чи негативно заряджений атом, донор чи акцептор водневого звязку, ліпофільна проба. Результатом аналізу є рівняння регресії з тисячами коефіцієнтів, що звязують величину активності зі значеннями амплітуди для полів, розрахованих з використанням пробних атомів.

31 Дослідження білок-лігандних взаємодій Молекулярний докінг - віртуальне «прилаштування» ліганда до місця звязування в білку (програми DOCK, AutoDOCK, FlexDock, GOLD). Центр звязування білку в комплексі з лігандом може бути досліджений квантово- фармакологічними методами. Дослідження активного центру адренорецепторів: взаємодія адреналіну з бета-1-адренорецепторами

32 Гомологічна карта для альфа-1А- адренорецептора

33 Альфа-1А-адренорецептор Теоретич на модель, SwissModel Теоретич на модель, Swiss-Model; оптим і з ована послідовність п і сл я молекулярно-динам і ч н ого модел ювання (програми SwissProt)

34 Альфа-1А-адренорецептор Теоретич на модель, Swiss- Model; оптим і з ована послідовність п і сл я молекулярно-динам і ч н ого модел ювання (програми SwissProt) Центр звязування в альфа- 1А-адренорецепторі

35 Застосування молекулярного докінгу в сучасних дослідженнях білків-мішеней лікарських засобів Білки, повязані з процесом онкогенезу (P38 MAP Kinase, IM PDH, CDK-2 Src kinase, HDM 2, Chk 1, JNK 3) Вірусні білки (Neuraminidase, HIV-1 Protease) Бактеріальні білки (Carboxypeptidase A, Thermolysin, Gyrase B) Фактори зсідання крові (Thrombin, Factor X a )

36 Перспективи розвитку квантової фармакології: 1.Розрахунки квантово- фармакологічних параметрів біомолекул великих розмірів 2.Якомога точніше урахування оточення середовища досліджуваних молекул 3.Вдосконалення методів розрахунку 3D-дескрипторів 4. Підвищення ефективності QSAR-моделювання.

37 ДЯКУЄМО ЗА УВАГУ!