DESCUBRIMIENTO Y DISEÑO DE DROGAS

Presentación del tema: "DESCUBRIMIENTO Y DISEÑO DE DROGAS"— Transcripción de la presentación:

1 DESCUBRIMIENTO Y DISEÑO DE DROGAS
El desarrollo de un nuevo fármaco es un proceso largo y muy costoso: -Alta actividad -Respuesta adecuada in vivo -Efectos colaterales mínimos -Mejor que terapias existentes Primer paso: compuestos guía o líderes (lead compounds) Segundo paso: modificación del compuesto guía para mejorar selectividad, potencia y bio-disponibilidad -- compuestos candidatos a droga Estrictamente deberíamos de hablar de diseño de ligandos y no de diseño de drogas, porque eso es sobre lo que más injerencia se va a tener. Las técnicas basadas en modelado molecular y bioinformática tienen uso directo extenso en áreas químicas y farmacéuticas como la minimización de energía, la dinámica molecular, Monte Carlo y el análisis conformacional. Además, existen métodos que utilizan de manera más o menos auxiliar dichas técnicas, como es el caso del estudio sobre descubrimiento y diseño de drogas. El primer paso en la mayoría de los programas de desarrollo de drogas es la identificación de compuestos guía. Un compuesto guía es una sustancia que demuestra ser activa en un determinado ensayo. A partir del o los compuestos guía, se llevan a cabo modificaciones químicas con el fin de aumentar la potencia y la especificidad, además de intentar disminuir los efectos colaterales y proveer adecuado transporte a través de las membranas celulares. En este sentido juegan un rol importante las técnicas de modelado molecular/bioinformática estructural para entender que tipo de modificaciones realizar y analizar adecuadamente los resultados. En la actualidad, se utilizan técnicas modernas de química combinatoria para generar grandes cantidades de moléculas para ser sujetas a screening (ver más adelante). Técnicas de Modelado Molecular y Bioinformática -> Diseño racional de drogas

2 QM y MM: propiedades electrónicas y conformacionales
Simulación y análisis conformacional: muestreo del espacio conformacional y cálculo de energías libres de unión La mayoría de las drogas ejercen su acción interaccionando con macromoléculas: -enzimas -DNA -receptores proteicos y glicoproteínas Interacciones no enlazantes y/o covalentes Drogas: agonistas, antagonistas o agonistas inversos Estudio de grado de complementaridad entre el ligando y el sitio de unión (superficies moleculares) Importancia de información estructural sobre el receptor (SBDD): La gran mayoría de las interacciones entre una droga (ligando) y una macromolécula (receptor) son de tipo no enlazante (van der waals y coulomb) aunque existen casos de interacciones covalentes (formación de enlaces). Los agonistas generan el mismo (o mayor) efecto que el sustrato natural mientras que los antagonistas son inhibidores del efecto del ligando natural. Los agonistas inversos generan un efecto que parece ser el opuesto al del agonista. Hacen que el receptor adquiera una forma inactiva. En general los ligandos con mayor actividad sobre un receptor exhiben un alto grado de complementaridad. Este grado de complementaridad entre ligando y receptor puede ser visualizado y analizado de forma adecuada al construir las superficies moleculares correspondientes. Si se dispone de estructuras experimentales para el receptor bajo estudio, es la mejor opción. Explicar lo que es Ligand based drug design y Structure based drug design. Métodos de predicción estructural x-ray /NMR

3 Ejemplos: aceptor y dador de H, grupos cargados, grupos hidrofóbicos.
Uso de farmacóforos Farmacóforo: conjunto de características comunes a una serie de moléculas activas (modelo abstracto) Ejemplos: aceptor y dador de H, grupos cargados, grupos hidrofóbicos. Grupos farmacofóricos: conj. de átomos que forman parte del farmacóforo Farmacóforos 3D: especifican las relaciones espaciales entre los grupos (distancias, ángulos, etc.) Mapeo farmacofórico: determinar posibles farmacóforos 3D para series de compuestos Farmacóforos alternativos: cuál se ajusta mejor a los datos? Supuesto: todas las moléculas se unen de forma similar a la macromolécula - determinación de grupos farmacofóricos comunes y orientados de manera similar en el espacio (análisis y búsqueda conformacional) El uso de farmacóforos es una de las principales actividades del ligand based drug design. La otra es el desarrollo de ecuaciones QSAR (quantitative structure-activity relationships). Aún cuando no hay disponible información estructural detallada del receptor, puede ser posible derivar un modelo abstracto llamado farmacóforo. El desarrollo de métodos para estudiar conformaciones de ligandos ha estimulado el interés en la influencia de las estructuras tridimensionales sobre su actividad química y biológica. Algunos algoritmos generan cientos de posibles farmacóforos al evaluar series de moléculas similares. Debe evaluarse cuál de todos se ajusta mejor a los datos.

4 Evaluación de conformaciones (scoring)
Docking molecular Objetivo: intentar predecir estructuras de complejos intermoleculares (ligando-receptor) buscando configuraciones de binding favorables Identificación de modos de unión de ligandos/inhibidores (generación de poses) Evaluación de conformaciones (scoring) Tipos de docking: Manual -Uso de gráficos computacionales interactivos -Conocimiento de modos de unión de ligandos similares -Desventaja: ligandos similares pueden adoptar modos de unión distintos Automático -Consideran muchas más posibilidades -Sistemáticos -No sesgados Dock = atracar, Docking = anclaje El docking es una de las principales actividades del SBDD. Desde el punto de vista de la reactividad química, la idea subyacente a querer predecir las estructuras de complejos intermoleculares y medir la afinidad de ligandos por sitios de unión, es poder predecir cuáles serán los mejores ligandos o inhibidores, ya que cualquiera sea la reacción a seguir, un mejor binding va a facilitar la conversión química posterior. El problema de docking como suele llamarse tiene que ver con la generación y evaluación de estructuras plausibles para complejos moleculares, típicamente ligando-receptor. Normalmente, involucra una gran cantidad de grados de libertad, los seis grados de libertad de rotación y traslación de una molécula con respecto a otra y los grados de libertad conformacionales de cada molécula. Usualmente, los mejores resultados se obtendrán con ligandos con más bien baja flexibilidad (lo que supone limitadas opciones conformacionales) y en sitios de unión que no sean demasiado más grandes que los ligandos a ajustar. Si bien es posible que el programa de docking determine por sí mismo las eventuales cavidades en donde dockear los ligandos, lo ideal es que el usuario, basado en conocimiento previo, indique al programa cuál o cuales son las regiones del receptor en donde debe intentar ajustar el ligando. Los métodos de docking teórico pueden utilizarse para la identificación de compuestos guías sin calcular explícitamente farmacóforos (aunque también puede guiarse el docking utilizando información farmacofórica). Evidentemente que deberá conocerse la estructura del receptor (SBDD).

5 -ligando y receptor rígidos
Algoritmos: Rígidos: -ligando y receptor rígidos -sólo consideran los grados de libertad de rotación y traslación Flexibles: -consideran todos los grados de libertad del ligando (receptor rígido en general) -uso de métodos comunes de búsqueda conformacional: -búsqueda sistemática y aleatoria -Monte Carlo (conformaciones por azar y criterio de aceptación) -Algoritmos genéticos (cromosomas codifican orientación en el receptor) -distance geometry, simulated annealing Dinámica Molecular: -mejor forma de incorporar flexiblidad -costoso -baja capacidad de identificar todos los modos de unión Los primeros algoritmos de docking consideraban conformaciones únicas (rígidas) tanto del ligando como del receptor. Mientras que los más modernos, son algoritmos flexibles en donde se permite al ligando ir variando su estructura de manera de adoptar distintas conformaciones dentro del sitio activo. Estos algoritmos utilizan algunos de los métodos de búsqueda conformacional ya vistos en clases anteriores. En el caso de Monte Carlo, se obtienen conformaciones al azar de los ligandos y luego se mide la energía de interacción con el receptor por MM. Finalmente se aplica el criterio Metropolis para aceptar o rechazar la orientación. En los algoritmos genéticos modificados para docking, los cromosomas no solamente codifican la conformación interna de los ligandos sino también la orientación de los mismos dentro del receptor. El score de cada estructura dockeada actúa como fitness. El método de docking flexible ideal sería la Dinámica Molecular dado que tanto ligando como receptor pueden explorar los grados de libertad conformacionales. El problema es que son cálculos muy costosos como para estar aplicándolos a muestras grandes de compuestos y además no son demasiado potentes en cuanto al muestreo conformacional realizado (recordar clases anteriores). Así es que no se encuentran una buena cantidad de modos de unión para moléculas (ligandos) de cierto tamaño.

6 2) Matcheo (cliques) de átomos de ligando con centros de esferas
Algoritmo de DOCK Búsqueda de moléculas con alto grado de complementaridad de forma con receptor Procedimiento: 1) Generación de imagen negativa del sitio de unión a partir de la superficie molecular (conjunto de esferas solapantes de distinto radio) 2) Matcheo (cliques) de átomos de ligando con centros de esferas 3) Orientación del ligando en el sitio por LSQ fit y chequeo de orientación 4) Minimización energética y scoring 5) Vuelta al paso 2 El aspecto original del algoritmo de DOCK es la representación de la cavidad del receptor mediante un conjunto de esferas solapantes sobre cuyos centros se harán coincidir los átomos del ligando. La idea es encontrar aquellas orientaciones del ligando que minimicen las diferencias entre las distancias entre los átomos del ligando y las distancias entre los centros de las esferas. Las orientaciones se pasan por un chequeo rápido para asegurar que no existen interacciones estéricas inaceptables y luego se aplica un campo de fuerza (de MM) para calcular el score de las mismas, minimizando (moviendo rígidamente la orientación) la interacción ligando-receptor. En primeras versiones, la minimización de energía se realizaba con el método simplex, en versiones posteriores se utiliza conjugate gradients. Se conservan aquellos modos de unión (orientaciones) que poseen un valor de energía (score) menor a cierto valor umbral. La función de scoring es simple y contiene los términos que corresponden a un potencial de van der Waals (Lennard-Jones) y a un potencial electrostático (Coulomb). Se trata de entalpías de interacción y no de energías libres de unión. Las nuevas versiones de DOCK permiten realizar docking flexible, generando conformaciones de los ligandos.

7 2)Algoritmo de AutoDock
Docking flexible: ligando libre y proteína rígida Procedimiento: 1) Construcción de grid-maps en la cavidad proteica. Se crea una grilla por cada tipo de átomo que exista en el ligando (C, N, O, S, H) con información del campo electrostático y las interacciones no polares 2) Definición de diedros rotables en el ligando 3) Generación de conformación en el sitio activo por medio de: -Monte Carlo/SA -Algoritmo genético Lamarckiano 4) Scoring de conformación 5) Vuelta al paso 3 Se calcula también la energía libre de unión En cada punto de la grilla generada, y para cada átomo de prueba (sonda), se asigna un valor de interacción energética entre el átomo y la proteína. Luego, la interacción de cada ligando con la proteína se va a calcular utilizando información de los 8 puntos de la grilla más cercanos a cada átomo del ligando. El uso de estas grillas hace que el tiempo de cálculo sea proporcional a la cantidad de átomos del ligando y no de la proteína. Puesto que AutoDock es un método de docking flexible, en cada paso se deben generar conformaciones del ligando a dockear, variando los valores de los diedros rotables definidos por el usuario. En el caso de utilizar el método Monte Carlo/simulated annealing, se hace lo acostumbrado en este tipo de simulaciones. El ligando se somete a un “random walk” en donde en cada paso se generan, al azar, los tres tipos de movimientos posibles: -traslación del centro de masas -rotación del centro de masas -variación de las posiciones de los diedros rotables. Valiéndose de la grilla, se calcula la interacción para la conformación obtenida y se aplica el criterio de aceptación/rechazo de MC. El carácter de simulated annealing que tiene la simulación supone que la misma está compuesta de una sucesión de etapas en donde la temperatura de simulación se va paulatinamente bajando. Es decir, se comienza a temperatura alta de manera de muestrear mejor (se aceptarán con mayor probabilidad los movimientos) el espacio conformacional accesible al ligando. La variante de exploración que utiliza un algoritmo genético de tipo Lamarckiano supone dos contribuciones distintas. Por un lado, una estrategia estándar de algoritmos genéticos (lo que se denomina búsqueda global) para generar conformaciones candidatas. Y por otro lado un algoritmo de minimización de energía (búsqueda local) para mejorar las geometrías obtenidas por el algoritmo genético. En términos genéticos, se dice que en este caso, el “fenotipo” (la búsqueda local) altera al “genotipo” (la búsqueda global), de ahí la referencia a Lamarck. Los “genes” en este caso deben codificar una variable de estado con información de traslación, orientación y conformación, lo que se implementa utilizando datos de tipo floating point. Otra ventaja de autodock es que la función de cálculo de score incluye, además de los términos estándar (electrostático y van der waals), un término de desolvatación del ligando y un término de pérdida de grados de libertad del ligando por la unión al receptor. Esto posibilita dar una estimación de la energía libre de unión. Las conformaciones que se reportan se agrupan en clusters, según un criterio de semejanza (RMSD) y para cada cluster se identifica la estructura representativa de menor energía.

8 Docking flexible: ligando libre y proteína rígida Procedimiento:
3)Algoritmo de MOE Docking flexible: ligando libre y proteína rígida Procedimiento: 1) Análisis conformacional: modificación de diedros del ligando por métodos sistemáticos (ligandos pequeños) o métodos aleatorios (ligandos grandes) 2) Ubicación (placement): generación de pose en el sitio de unión usando estrategias similares a las de DOCK (matcheo de átomos de ligando y esferas en el sitio de unión): -Alpha triangle -Triangle matcher -Proxy triangle -Alpha PMI 3) Filtrado farmacóforico (opcional): filtrado de la pose encontrada utilizando información farmacofórica previa. Se eliminan poses que no cumplan con los lineamientos del farmacóforo El paso 1 del procedimiento puede evitarse si junto a los ligandos a dockear, se provee una base de datos conformacional de los mismos. Esto no es lo usual. En el método Alpha Triangle lo que se hace es superponer tripletes de átomos en la conformación del ligando con tripletes de esferas (previamente definidas) en la cavidad de unión. El triplete de átomos en el ligando y en la cavidad se elige al azar. La variante Triangle matcher es muy similar a la Alpha Triangle sólo que la elección de los tripletes a matchear es sistemática y no aleatoria. El método de Proxy triangle se utiliza solamente para ligandos medianos o grandes, donde existen una mayor cantidad de conformaciones. Se realizan superposiciones previas de los confórmeros para ahorrar tiempo. En Alpha PMI lo que se hace es alinear los momentos principales de inercia de las conformaciones con un subconjunto de esferas del sitio de unión, seleccionadas al azar.

9 -Refinado por force field -Refinado por grilla (gridmin)
3)Algoritmo de MOE 4) Scoring: evaluación energética de la pose obtenida. Distintas funciones de scoring: -London DG -Affinity DG -Alpha HB scoring 5) Refinamiento: minimización energética de la pose dentro del sitio manteniendo el receptor fijo: -Refinado por force field -Refinado por grilla (gridmin) 6) Re-scoring: las mismas funciones de scoring del paso 4 se utilizan para puntuar la conformación obtenida en el paso 5 7) Vuelta al paso 2 La función de London DG calcula la energía libre de unión a partir de una sumatoria de términos que incluyen: contribución entrópica rotacional y traslacional, pérdida de flexibilidad del ligando por la unión al sitio, imperfecciones geométricas de enlaces de H y ligaciones metálicas y energías de desolvatación. La función Affinity DG aporta la contribución entálpica a la energía libre de unión mediante una combinación lineal de factores que representan cada uno un tipo de interacción no enlazante distinta: enlace de H, iónica, hidrofóbica, metálica, etc. Por último, la función Alpha HB scoring consta de la combinación lineal de dos términos solamente. Uno de ellos mide el ajuste geométrico al sitio (interacción atractiva y repulsiva) mientras que el otro mide los enlaces de H. Se detectan los posibles sitios de interacción por enlace de H del ligando y se evalúa la región vecina de cada sitio en busca de grupos consistentes en el receptor. El refinado por force field es básicamente una minimización de energía estándar, similar a las ya vistas en el curso. La novedad es que se incluye el efecto del solvente utilizando el modelo generalizado de Born. El refinado por grilla (gridmin) es muy similar al método anterior solamente que es más rápido al utilizar una grilla para el cálculo de las interacciones electrostáticas, es decir, el cálculo no se hace con los átomos explícitos de la proteína, sino que cada punto de la cavidad (grilla) posee un potencial electrostático pre-asignado (similar a AutoDOCK). Los pasos de scoring y re-scoring se utilizan también para rankear conformaciones y filtrar.

10 Otros programas de docking:
-Affinity (Accelrys) -FlexX (algoritmo de construcción incremental) -Fred (rígido) -Gold (ligando + sitio activo flexible) -Surflex -Glide (virtual screening) El rasgo original de FlexX es que descompone al ligando en fragmentos más chicos antes de comenzar a generar confórmeros.