Fragment based drug design

Transkript

1 Fragment based drug design O E115 H114 K91 S161 R93 Q173 D171 OH NH 2 NH 2 O Cdk6 FGFR HGF N BRCA2 Proteiny buňkových regulačních systémů, ve kterých léčiva zasahují do interakcí protein-protein Fragmenty léčiv

2 Design léčiv založený na fragmentech Nový směr zaváděný v posledních 13 letech v předních farmaceutických společnostech nebo specializovaných high-tech. firmách Využívá nejnovějších vědeckých poznatků a technologií z oblastí genetiky, molekulární biologie, proteinové krystalografie a/nebo NMR spektroskopie, bio-informatiky a počítačové chemie (modelování, docking)

3 Tradiční design léčiv Tradiční recepty a náhodné objevy Kombinatorní chemie, přírodní sloučeniny Screening (ultra high-throuput screening, HTS), "hit" "lead compound" Knihovny sloučenin - řádově milion sloučenin ve farmceutických společnostech

4 Typické vlastnosti orálních léčiv Drug -like space Typická molekulová hmotnost Da Afinita k proteinu, inhibice IC nm Pravidlo 5-ti Definovaný počet rotačních vazeb Optimalizace léčiva je provázena obyčejně zvyšováním mol. hmotnosti

5 Pravidlo 5 Ne více než 5 vodíkových donorů (OH, NH) Ne více než 10 (2x5) HB akceptorů (N a O atomy) Molekulová hmotnost pod 500 Da ClogP pod 5 Ch.A.Lipinski, Orální léčiva.

6 High-Throughput Screening, HTS Je potřebný screening až milionu sloučenin aby se pozorovala nějaká aktivita vůči proteinu vázaného na nějakou nemoc New Chemical entity - NCE

7 Limity HTS Automaty. Složitá a nákladná metoda Málo produktivní - vysoká "úmrtnost" hitů Knihovna sloučenin - zlomek chemického prostoru (drug-like space). 30 nevodíkových atomů sloučenin Nepřinesla snížení nákladů NCE/(milion $) Na 5000 sloučenin, pouze 5 - klinické pokusy Z těch pouze 5-20% jde na trh. Náklady $800 mil.

8 Cíle objekty (targets) Growth factor cytoplasm RTK nucleus P P P SRF Elk-1 RAS Grb2 SOS MAPK MAPK MAPKKK MAPKK Fos, Immediate- jun etc early genes cell membrane Komplikace: Často slabé binární komplexy vedou k stabilním nultiproteinovým komplexům. SRE Mnoho objektů je možné nalézt mezi multiproteinovými komplexy buňkové signalizace a regulace

9 Genomika Human genome project mapuje geny lidské DNA. Ve všeobecnosti věříme, že toto poznání bude poskytovat daleko více potenciálních proteinových cílů. Strukturní genomika funkce genu, určená ze struktury ATACGGAT TATGCCTA funkce

10 Identifikace cílů Funkční genomika - identifikace potenciálních terapeutických proteinových cílů - obrovské množství cílů Strukturní genomika - hledá vztahy mezi sekvencí a strukturou a vztah mezi strukturou a biologickou funkcí Konstantní růst PDB.

11 Strukturní biologie a objevy léčiv Výběr cíle Objev Lead Zdokonalení Lead Target Identification & Validation Screening Hits-to-leads Lead optimisation Strukturní genomika Screening založený na struktuře Tradiční použití X-ray a modelování

12 Metoda fragmentů Identifikace fragmentů Spojování fragmentů

13 Definice fragmentu Menšísloučenina (Pravidlo 3. Méně než 300 Da. Typicky ClogP 3, ne více než 3 HB donory a akceptory. Střední úroveň afinity (100μM-1mM) HTS. Menší knihovna sloučenin, menší afinita. (Graffinity knihovna fragmentů, 40nmol/sloučenina). Biofyzikální screening: NMR, X-ray, MS Ligand-protein vazebná místa

14 Výhody metody fragmentů Menší knihovna pokryje větší část chemického prostoru. 100 fragmentů (při třech fragmentech na sloučeninu) pokryje 1 milion kombinací Fragment je možné identifikovat pomocí proteinové krystalografie i když biologický screening nedává hit k vůli nedostatečné funkčnosti Fragmenty je možné hledat "in silico" např. pomocí programu GOLD (virtual screening) v aktivním místě

15 Screening Screening fragmentů proti proteinovým objektům (targets) Používají se následující techniky: (i) rtg. krystalografie (proteinová krystalografie) (ii) NMR spektroskopie (Water LOGSY) (iii) Isotermální titrační kalorimetrie (iv) Surface plasmon resonance (v) Nekovalentní hmotnostní spektroskopie (MS)

16 NMR Screening NMR je nejproduktivnější metoda SAR pomocí NMR, (SAR = structure activity relationship) Interpretace je někdy subjektivní Není dostatečně automatická Abbott laboratories, Novartis, Vertex Pharmaceuticals, Hoffmann-La Roche, Triad Therapeutics

17 NMR screening koktejl tří fragmentů 0.5 mm N NH 2 N N + enzyme 20 mm S N 1 Pouze fragment 1 + enzyme (diference)

18 X-ray screening Nejlepší na studium interakcí protein-ligand Vysoký stupeň automatizace Vizualizace interakcí fragmentu s objektem, možnost počítačového do-modelování Vyloučí se nespecifická afinita. V krystale se vazba uskutečňuje na každou molekulu Potřeba synchrotronu Astex Therapeutics (Technology), Abbott Laboratories, Structural GenomiX (SD CA)

19 Astex facilities Protein production - BV & E. coli expression - Novel re-folding methods Protein NMR MHz Medicinal chemistry - MS/NMR analysis

20 Strukturní screening fragmentů R1 N N N R2 100R1x100R2x100R3 = 1,000,000 cmpds R3 Higher hit rate Detect unique structures (mm) Precise structural data (validate/prioritise the hits) Rapid structure based optimisation Room to optimise High re-use -protein family specific scaffolds

21 X-ray screening 4-10 sloučenin na koktejl Koncentrace 25-50mM Screening: na sloučeninu Krystal se pomoří do koktejlu Krystal si vybere sám aktivní sloučeninu

22 X-ray screening Screening:

23 Identifikace v elektronové hustotě

24 Definice X-ray procesu Potřeba mg purifikovaného proteinu. Počet proteinových krystalů 100. Každý krystal se nasákne (soaking) koktejlem z 5-10 fragmentů. Krystal se namontuje, rychle zmrazí (flash cooling, cryo-crystallography)

25 Definice X-ray procesu (pokračování) provede se automatické, vysokorychlostní difrakční měření a zpracování dat na synchrotronu (v Argonne National Lab. je možné provést X-ray screen 1000 sloučenin v průběhu hodin) Rozumné rychlosti je možné dosáhnout i pomocí nových generátorů s optickou fokusací (54 krystalů/80h na Rigaku FR-E Superbright). Navázání fragmentu se projeví změnou difrakčního obrazce. Diferenční mapa ukáže navázaný ligand

26 Krystalizační protokol (PixSys) VD sitting drop Greiner low profile plate (reservoirs pre-filled with ML) up to 900 exper./hour

27 Astex facilities X-ray analysis Crystal visualisation robot ACTOR robot 4 X-ray X detectors

28 Spojování a optimalizace fragmentů Dva různé fragmenty v dvou různých polohách aktivního místa. Spojovací molekula (spacer) Self-assembly - samospojování v aktivním místě (templátová metoda). Protein katalyzuje syntézu vlastního inhibitoru, případně si sám vyselektuje fragmenty, které se dají spojit. Mapování vazebných míst receptoru pomocí specializovaných malých fragmentů pro SAR (analogie prób v GOLD). Spojením fragmentů se získá na entropii. Potence se zvýší o 3-5 řádů. Fragment lead.

29 Thrombin fragment identification Novel hits S1 Neutral Fragment Novel binding sites S2-S4 Fragment S2/S4 fragment potency 10μM Linked S1 and S2/S4 fragment: new hybrid compound potency 200nM

30 Inhibitory trombinu S4-pocket NH OH O NH OEt O O N S2-pocket O N O NH O NH Melagatran N H 2 NH S1-pocket Ximelagatran Exanta (AZ) HO N H NH Hledají se nové, ne-peptidické inhibitory, které nemají silně zásadité funkční skupiny

31 Hledání a spojování fragmentů S4-pocket NH OH O O O N NH S2-pocket + N H 2 NH S1-pocket

32 S1 Fragment hits S4-pocket S2-pocket N N N N IC 50 = 330 μm Cl S1-pocket

33 S2-S4 Ligands S4-pocket MeO O S O HN IC 50 = 300 μm S2-pocket HO N N N N NH 2 Cl S1-pocket

34 Fragment Linking S4-pocket MeO O S O HN IC 50 = 300 μm S2-pocket IC 50 = 3.4 nm IC 50 = 330 μm HO NN NN NN NN NH Cl Cl S1-pocket theoretical values K d (additive) K d (superadditive) 100 nm 0.1 nm

35 Optimalizace Hitů Znalost způsobu, jak se fragment váže na proteinový cíl umožňuje fragment zvětšovat. Používají se počítačové metody Docking Experimentální metody Isostar, Superstar, Gold suite

36 Docking sloučenin do proteinu počítačově in silico

37 SuperStar Mapa vazebného místa protein-ligand komplexu 1CPS. C=O próba. Retinoic acid

38 . Mapa pro próbu aromatické CH

39 Próba O alkoholu. B2.

40 N-próba

41 Gold Protein-ligand docking GlaxoSmithKline, U.Sheffield, CCDC Úplná flexibilita ligandu, parciální proteinu Energetické funkce založené na IsoStar Diskriminace mezi aktivními a neaktivními sloučeninami Goldmine decriptors (obsazený objem )

42 Docking of the ligand in 1JAP. The GOLD docked solution (structure shown in red) is compared with that observed in the PDB (shown coloured by element) RMSD = 0.8 Angstroms.

43 Docking of the ligand in 1BL7. The GOLD docked solution (structure shown in red) is compared with that observed in the PDB

44 Závěr -výhody FBDD Malý fragment má větší šanci, že se lépe zabuduje do vazebného místa cílového proteinu, než hotová molekula. Fragmenty mají vyšší vazebnou energii na jednotku hmotnosti. Screening malých fragmentů vede k většímu počtu "hitů". Počet fragmentů je na úrovni (v porovnání s milionem u HTS). "Leads" z fragmentů mají nižší úmrtnost. 70% hitů z HTS selže, 80% FSDD hitů je úspěšných. Umožňuje objevit "lead", kde HTS selhal Je možné získat lead mimo oblast standardní databáze a tím získat sloučeninu, která je patentovatelná.

45