Bielenica1.pdf

(639 KB) Pobierz

BIULETYN

Wydziału Farmaceutycznego

Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego

Biul. Wydz. Farm. WUM, 2010, 1, 1-12

http://biuletynfarmacji.wum.edu.pl/

ZASTOSOWANIE METOD OBLICZENIOWYCH DO WYZNACZANIA

BUDOWY MODELI FARMAKOFOROWYCH RECEPTORÓW 5-HT

5-HT

ORAZ 5-HT

Anna Bielenica*, Jerzy Kossakowski

Katedra i Zakład Chemii Medycznej, I Wydział Lekarski,

Warszawski Uniwersytet Medyczny, ul. Oczki 3, 02 007 Warszawa

*autorka korespondująca, tel./faks: +22

628 0679

; e-mail:

anna.bielenica@wum.edu.pl

Otrzymany 29.12.2009; zaakceptowany 28.01.2010; zamieszczony 23.03.2010

STRESZCZENIE

Prezentowana praca zawiera przegląd modeli farmakoforowych receptorów serotoninowych 5-HT

, 5-HT

oraz 5-HT

, opisanych w czasie ostatniej dekady. Przedstawiono modele ligandów receptora 5-HT

i 5-HT

wyznaczone metodami analizy konformacyjnej i trójwymiarowej analizy QSAR. Hipotezę oddziaływań ligand-

receptor 5HT

uzupełniono o modele skonstruowane na podstawie struktury receptora. Opisy farmakoforów

zostały poparte przykładami znanych aktywnych ligandów i grup związków wykorzystanych do wytworzenia

modeli.

SŁOWA KLUCZOWE:

modele farmakoforowe, ligandy arylopiperazynylowe, receptor 5-HT

, receptor 5-HT

receptor 5-HT

ABSTRACT

COMPUTATIONAL METHODS IN DETERMINATION OF PHARMACOPHORE MODELS OF 5-HT

, 5-HT

AND 5-HT

RE-

CEPTORS

The objective of this article is an overview of existing pharmacophore models for 5-HT

, 5-HT

and 5-HT

re-

ceptors, which have been described during the last decade. Models of 5-HT

and 5-HT

receptors, devel-

oped by conformational analysis and 3D QSAR methods are presented. Hypotheses of the ligand-5-HT

recep-

tor interaction were complemented by models constructed on the basis of the receptor’s structure. Various

pharmacophore concepts are characterized by structures of known active ligands and sets of compounds used

for the generation of models.

KEYWORDS:

pharmacophore models, 5-HT

receptor, 5-HT

receptor

1. Wprowadzenie

Poszukiwanie nowych środków leczniczych jest jed-

nym z największych wyzwań dla przemysłu farmaceutycz-

nego. Wprowadzenie nowego leku na rynek trwa obecnie 7-

12 lat, a koszty tego procesu szacuje się na około 1,2 mld

dolarów [1]. 5 z 40 000 związków przetestowanych na

zwierzętach dochodzi do etapu badań klinicznych na lu-

dziach, i tylko jeden z nich zostaje składnikiem nowego

leku [1]. Zastosowanie komputerowo wspomaganych metod

projektowania leków, czyli projektowanie

in silico,

umoż-

liwia znaczne obniżenie nakładów pieniężnych i skrócenie

czasu trwania procesu.

Wprawdzie modelowanie molekularne obecnie nie

pozwala na dokładne określenie aktywności biologicznej

badanych związków, ale umożliwia wybór potencjalnych

ligandów spośród znanych struktur oraz ich optymalizację

pod kątem oddziaływania z receptorem. Techniki kompute-

rowe znacznie zwiększają przewidywalność w zakresie

toksyczności, reaktywności i właściwości fizykochemicz-

nych badanego związku, minimalizując nakłady na badania

na zwierzętach i syntezę chemiczną [2,3]. Jedynie najbar-

dziej obiecujące pochodne syntetyzuje się i poddaje się

badaniom biologicznym.

Metodyka obliczeniowego projektowania leków obej-

muje przeszukiwanie elektronicznych baz danych struktu-

ralnych, dokowanie ligandów, projektowanie ligandu

novo,

korzystanie z programów obliczających parametry

geometryczne cząsteczek, modelowanie ilościowej zależ-

ności między strukturą związku a jego aktywnością oraz

ostateczne wyznaczanie modelu farmakoforowego [4,5].

Wyznaczenie modelu polega na określeniu podstawowych

elementów strukturalnych, niezbędnych do rozpoznania

ligandu przez receptor i utworzenia stabilnego kompleksu

aktywnego [6].

Przy topograficznym modelowaniu receptorów za-

kłada się, że ligandy łączą się z receptorem zawsze w ten

sam sposób, przy czym konformacja ligandu pozostaje

niezmieniona. Wiadomo jednak, że przyłączenie ligandu

wywołuje zmiany konformacyjne białka receptorowego [7].

Niniejszy przegląd literaturowy ma na celu przybliże-

nie znanych modeli farmakoforowych receptorów serotoni-

nowych 5-HT

, 5-HT

i 5-HT

A. Bielenica et al. /Biul. Wydz. Farm. WUM, 2010, 1, 1-12

2. Metody komputerowo wspomaganego projektowania

leków

Zależnie od danych, którymi dysponuje się przystępując

do projektowania leków, wyróżnić można dwa podstawowe

sposoby postępowania [8,9]:

projektowanie w oparciu o strukturę znanych li-

gandów, przy nieznanej strukturze receptora (co

obejmuje wyznaczenie modelu farmakoforowego,

metody QSAR, QSPR, CoMFA i CoMSIA);

projektowanie w oparciu o znaną budowę prze-

strzenną białka receptorowego, oparte na doko-

waniu.

Najkorzystniejszą sytuację stwarza znajomość za-

równo grupy ligandów o zbadanej aktywności, jak i struk-

tury przestrzennej danego receptora.

2.1. Generowanie modelu farmakoforowego

Według definicji IUPAC, farmakofor to zespół cech

sterycznych i elektronowych koniecznych do osiągnięcia

optymalnych oddziaływań supramolekularnych ze specy-

ficzną strukturą biologiczną (receptorem), niezbędnych do

wyzwolenia (lub zablokowania) jej biologicznej odpowie-

dzi. Farmakofor nie jest rzeczywistą cząsteczką i nie re-

prezentuje rzeczywistego zbioru grup funkcyjnych, sta-

nowi czysto abstrakcyjne pojęcie bazujące na oddziaływa-

niach, głównie niekowalencyjnych, między grupą związków

a daną strukturą białkową [8,10].

Według innej definicji, pojęcie farmakofora odnosi

się do przestrzennej orientacji różnych grup funkcyjnych

lub właściwości związku, niezbędnych do wywołania lub

zablokowania aktywności biologicznej [11]. Farmakofor

zazwyczaj składa się z 3-4 elementów strukturalnych,

takich jak pierścień aromatyczny, grupa hydroksylowa czy

zasadowy atom azotu, rozmieszczonych względem siebie w

ściśle określonych odległościach [5]. Klasyczny przykład

definicji grupy farmakoforowej, wygenerowanej na pod-

stawie znanych struktur różnych ligandów, przedstawiono

na Ryc. 1.

Grupa farmakoforowa może być również określona

jako największy wspólny mianownik dla grupy aktywnych

cząsteczek, uwzględniający akceptory i donory wiązania

wodorowego, oddziaływania hydrofobowe, pierścienie

aromatyczne, grupy dodatnio i ujemnie naładowane. Od-

działywania te reprezentują cechy chemiczne komplemen-

tarne do trójwymiarowej struktury receptora [1,12].

Generowanie grupy farmakoforowej wymaga znajo-

mości jak największej liczby aktywnych ligandów i/lub

budowy receptora. Istnieje kilka metod budowania farma-

kofora. Jedna z nich opiera się na analizie budowy che-

micznej 3 lub 4 aktywnych związków, zawierających różne

chemiczne struktury wyjściowe [13]. Inna wykorzystuje

około 15 związków o zróżnicowanej strukturze chemicznej

oraz wartości ich IC

lub Ki

, zawierające się w przedziale

większym niż trzy rzędy wielkości. Ugrupowanie farmako-

forowe może być również wygenerowane

de novo,

jeśli

znana jest budowa miejsca wiązania ligandu w receptorze

[1].

metiotepina

spiperon

FARMAKOFOR

propranolol

buspiron

Ryc. 1. Dwupunktowy model farmakoforowy receptora 5-HT

według Hiberta i współpracowników

(agonista:

= 5,37 Å,

= 0,2 Å; antagonista:

= 5,6 Å,

= 1,6 Å) [11,13].

2.2. Analiza QSAR i QSPR

QSAR

(ang. Quantitative Structure-Activity Relation-

ship),

czyli badania ilościowej zależności między strukturą

związku a jego działaniem, opierają się na założeniu, że

właściwości biologiczne leku są matematyczną funkcją jego

parametrów fizykochemicznych (deskryptorów). Z kolei

metody QSPR (ang.

Quantitative Structure-Property Rela-

tionship)

pozwalają na określenie jakościowej relacji mię-

dzy strukturą związku a jego właściwościami fizycznymi

A. Bielenica et al. /Biul. Wydz. Farm. WUM, 2010, 1, 1-12

(momentem dipolowym, temperaturą wrzenia itp.). Obie

metody służą do przewidywania toksyczności związku, przy

czym QSAR odnosi się do biologicznej aktywności poten-

cjalnej substancji leczniczej, natomiast QSPR do jej wła-

ściwości biofizyczno-chemicznych.

W celu wyznaczenia zależności struktura - aktywność,

wybiera się kilka spośród przyjętych deskryptorów, takich

jak [14]:

strukturalne i topologiczne

(liczba atomów, masa

cząsteczkowa, liczba pierścieni aromatycznych,

liczba atomów wodoru i heteroatomów, ilość grup

funkcyjnych, parametry steryczne Tafta

);

elektronowe

(ładunek całkowity, moment dipolowy,

polaryzowalność, energia orbitali molekularnych

HOMO i LUMO, stałe Hammeta

σ,

współczynniki in-

dukcyjne i rezonansowe);

geometryczne

(objętość molekularna, moment bez-

władności, pole powierzchni);

termodynamiczne

(współczynnik podziału 1-okta-

nol : woda logP, rozpuszczalność w wodzie logS,

hydrofobowość podstawników

, refraktywność

molowa

MR).

Podczas ustalania zależności aktywności związku od

jego budowy pod uwagę bierze się pod uwagę najczęściej

łatwo mierzalne parametry - hydrofobowość, właściwości

elektronowe i steryczne [15,16]. Miarą hydrofobowości

związku jest współczynnik podziału logP, który koreluje ze

zdolnością do przenikania przez błony biologiczne. Ma on

duże znaczenie w przypadku leków działających na ośrod-

kowy układ nerwowy, dla których istotnym parametrem

jest zdolność do przechodzenia przez barierę krew-mózg. Z

kolei współczynniki π opisują hydrofobowość poszczegól-

nych grup funkcyjnych. Parametr steryczny Tafta opisuje

właściwości i rozmiar otoczenia molekularnego, w którym

znajduje się dany podstawnik. Stała Hammeta jest miarą

wpływu podstawnika na gęstość elektronową w pierścieniu

aromatycznym.

Analiza QSAR nie bierze pod uwagę trójwymiarowej

struktury cząsteczki ani jej chiralności. Jej głównym zada-

niem jest wygenerowanie równania opisującego zależność

aktywności biologicznej ligandów od wartości poszczegól-

nych deskryptorów. Aktywność biologiczna związku może

być przedstawiona w postaci Ki, IC

, ED

, EC

lub Km

[17]. Analiza Hanscha, najpopularniejsza empiryczna me-

toda QSAR, to metoda wielokrotnej regresji liniowej wyra-

żona przez liniową kombinację od 3 do 12 deskryptorów.

Równanie Hanscha pozwala przewidzieć aktywność związku

jeszcze niezbadanego pod kątem aktywności farmakolo-

gicznej. Pozwala to zaplanować syntezę związków o naj-

bardziej pożądanych właściwościach [12,14].

Stosuje się wiele komputerowo wspomaganych metod

QSAR. Jedną z nich jest geometria odległości, która po-

zwala na wyszukanie farmakofora dla receptora o niezna-

nej budowie, jeśli znana jest mała grupa związków biolo-

gicznie czynnych. Natomiast inna metoda, stosowana przez

Hopfingera, zwana analizą kształtu cząsteczkowego, umoż-

liwia wyznaczenie aktywnych konformacji potencjalnego

związku czynnego farmakologicznie oraz jego molekular-

nego kształtu podczas wiązania z receptorem [14].

2.3. Analiza CoMFA i CoMSIA

CoMFA (ang.

Comparative Molecular Field Analysis)

oraz CoMSIA (ang.

Comparative Molecular Similarity Index

Analysis)

to metody trójwymiarowej analizy QSAR (3D

QSAR). Podstawą analizy CoMFA jest założenie, że aktyw-

ność biologiczna związku jest funkcją ogólnego kształtu i

wielkości cząsteczki oraz jej właściwości elektronowych

[15]. CoMSIA jest rozszerzeniem metodologii CoMFA i po-

zwala na porównywanie struktur molekularnych związków o

podobnych właściwościach, co umożliwia znalezienie ogól-

nych cech cząsteczki istotnych dla wiązania z receptorem

[17,18].

W metodzie CoMFA do obliczenia pól sterycznych i

elektrostatycznych wokół cząsteczki korzysta się z poten-

cjałów Coulomba i Lennarda-Jonesa, natomiast analiza

CoMSIA wykorzystuje do tych obliczeń funkcję Gaussa,

podając dodatkowo wielkości pól hydrofobowych i wodo-

rowych [19,20]. Obliczone wartości poszczególnych pól

siłowych traktuje się następnie jako niezależne, choć silnie

skorelowane ze sobą deskryptory.

Wynik analizy CoMFA można przedstawić w postaci

kolorowej mapy konturowej otaczającej cząsteczkę, co

pozwala na wizualną identyfikację obszarów odpowiedzial-

nych za uprzywilejowane i nieuprzywilejowane wiązania z

receptorem [19,21]. Metoda wymaga, aby wszystkie anali-

zowane związki były rozpatrywane w takich pozycjach i

orientacjach, jakie przyjmują w miejscu wiążącym recep-

tora. Osiąga się to poprzez dopasowanie każdej z nich do

wspólnego farmakoforu [22].

3. Ligandy receptora 5-HT

N-podstawione pochodne alkilo-1-arylopiperazyn sta-

nowią jedną z najważniejszych klas ligandów receptora 5-

[23,24,25,26]. W ostatnich latach ukazało się wiele

prac poświęconych aktywności farmakologicznej tej grupy

związków. Intensywne badania zależności struktura-aktyw-

ność dowodzą, że aktywność jest wynikiem obecności

grupy arylowej przy atomie N

pierścienia piperazyny oraz

łańcucha alkilowego [27,28,29] alkoksylowego [30,31],

alkenylowego [32,33] lub układu cykloheksylowego przy N

[34,35,36,37]. Niektórzy autorzy podkreślają również rolę

końcowego hydrofobowego ugrupowania cyklicznego w

stabilizacji kompleksu ligand-receptor poprzez oddziaływa-

nia π-π oraz dipolowe [23,37,38,39]. Inne prace dowodzą

natomiast, że ta część cząsteczki nie wpływa znacząco na

powinowactwo i selektywność [40].

W Tabeli 1 przedstawiono przykładowe ligandy recep-

tora 5-HT

, w tym analogi znanych leków przeciwdepre-

syjnych i przeciwlękowych, takich jak buspiron czy tando-

spiron, o strukturze giętkiej (związki

I-VII)

lub ograniczonej

swobodzie konformacyjnej (VIII-IX).

3.1. Modele farmakoforowe wyznaczone metodami ana-

lizy konformacyjnej

Receptor 5-HT

jest obecnie najlepiej poznany spo-

śród receptorów serotoninowych z grupy 5-HT

, ze względu

na swoje kliniczne znaczenie w leczeniu stanów lękowych i

depresji [44,45]. Opracowano wiele modeli farmakoforo-

wych tego receptora.

A. Bielenica et al. /Biul. Wydz. Farm. WUM, 2010, 1, 1-12

Tabela 1. Ligandy receptora 5-HT

z grupy policyklicznych arylopiperazyn.

Związek

(Buspiron)

Wzór strukturalny

Ki [nM]

Bibliografia

(Tandospiron)

III

(Arypiprazol)

4,2

0,4

0,48

VII

13,4

Pierwszy model zaproponowała grupa Hiberta, sto-

sując graficzną metodę przybliżenia aktywnego analogu

AAA (ang.

Active Analog Approach)

oraz procedurę dopa-

sowania MultiFit, które opierały się na analizie konforma-

cji ligandów należących do różnych klas związków che-

micznych. W ten sposób powstał model dwupunktowy,

bazujący na ogólnych cechach strukturalnych aktywnych

ligandów z tej grupy, charakteryzujących się występowa-

niem pierścienia aromatycznego i zasadowego atomu

azotu [46]. Buspiron, którego część pirymidynylopipera-

zynowa może przyjmować rożne konformacje, posłużył do

opisania modelu zarówno dla agonisty, jak i antagonisty.

Tłumaczy to, dlaczego w obrębie grupy arylopiperazyn

znaleźć można ligandy wykazujące cechy agonistyczne,

częściowo agonistyczne oraz antagonistyczne. Model

Hiberta jest najbardziej uniwersalnym modelem farmako-

forowym receptora 5-HT

, wspólnym dla wszystkich klas

ligandów.

Rozszerzony model receptora 5-HT

opracował Mo-

krosz wraz ze współpracownikami, wprowadzając trzeci

punkt: układ π-elektronowy [47]. Punkt ten odnosił się do

alternatywnego sposobu nakładania

o-podstawionych

arylopiperazyn, w którym wolna para elektronowa atomu

azotu leży w płaszczyźnie pierścienia aromatycznego. W

przypadku bardziej złożonych arylopiperazyn, ich duża

giętkość pozwalała na uzyskanie takich konformacji, w

których wszystkie trzy punkty farmakofora były zajęte i

końcowy fragment amidowy osiągał pozycję odpowiada-

jącą pierścieniowi π-elektronowemu (Ryc. 2).

W trójpunktowym modelu topograficznym zespołu

Chilmonczyka [48] opracowanym dla analogów buspironu,

układ π – elektronowy został zastąpiony imidową grupą

karbonylową. Zdaniem autorów, zdolność ligandu do

przyjęcia konformacji zgiętej odgrywa kluczową rolę w

wiązaniu z receptorem 5-HT

Zastosowanie metod symulacyjnych dynamiki mole-

kularnej w ustalaniu modelu farmokoforowego przedsta-

wił zespół Bronowskiej, wykorzystując analizę konforma-

cyjną analogów buspironu [49]. Związki strukturalnie

zgodne z przyjętym farmakoforem posiadały silnie zgięty

łańcuch

n-butylowy,

przy czym pierścień piperazyny

przyjmował konformację krzesłową lub skręconego krze-

sła.

(

Ryc. 3). W większości przypadków część pirymidy-

nowa oraz łańcuch węglowodorowy znajdowały się w

A. Bielenica et al. /Biul. Wydz. Farm. WUM, 2010, 1, 1-12

pozycji ekwatorialnej w stosunku do pierścienia pipera-

zyny.

3.2. Modele farmakoforowe wyznaczone metodami 3D

QSAR

Oprócz metod analizy konformacyjnej, przy opraco-

wywaniu modeli topograficznych korzysta się również z

trójwymiarowej analizy QSAR, np. z metody CoMFA lub

programów „Compass” i „Catalyst”. Ostatni z wymie-

nionych jest obecnie najpowszechniej używany do gene-

rowania farmakoforów receptora 5-HT

[11].

Metodę CoMFA po raz pierwszy zastosowała grupa

badaczy pod kierunkiem Glennona [50], wykorzystując do

tego bazę 50 pochodnych arylopiperazyny. Zostały one

zaprojektowane na podstawie rentgenowskiej analizy

strukturalnej NAN-190, jednoczesnego agonisty i antago-

nisty receptora 5-HT

(Ryc. 4) Wynikiem obliczeń było

przedstawienie trójpunktowego modelu topograficznego,

w którym uwzględniono pozycje pierścienia aroma-

tycznego, obu atomów azotu piperazyny oraz pierwszego

atomu węgla łańcucha alifatycznego.

Van Steen wraz ze współpracownikami tworząc mo-

del farmakoforowy wykorzystali dane dotyczące zależ-

ności struktura - aktywność oraz wyniki analizy CoMFA dla

dwóch grup heterobicyklicznych arylopiperazyn, zawie-

rających różne podstawniki N

-aryloalkilowe i N

-alkilowe

[51]. Pod uwagę wzięto jedynie całkowicie rozciągnięte

konformacje. Różnice w aktywności związków względem

receptora 5-HT

w 98 % przypisano czynnikom sterycz-

nym. Stwierdzono, że obszar przestrzennie nieuprzywile-

jowany znajduje się w odległości 3,5 Å od atomu N

pipe-

razyny, natomiast obszar sterycznie korzystny dla od-

działywań z receptorem w odległości 7,3 Å (Ryc. 5).

Ryc. 2. Konformacje arylopiperazyn: (A) ortogonalna;

(B) planarna; (C) model farmakoforowy Mokrosza i

współpracowników (d

= 4,3-6,6 Å,

= 5,0-5,4 Å;

7,1-9,1 Å,

= 98,6°; I, II – układy π–elektronowe) [47].

Ryc. 3. Model farmakoforowy receptora 5-HT

według Bronowskiej i współpracowników [49].

(CH

X = -(CH

)

, -(CH

)

n = 1, 2, 3, 4

R = H,

o-OCH

m-Cl, m-CF

p-F, p-NO

Ryc. 4. Modelowe związki wykorzystane w analizie CoMFA przez zespoły Glennona [50] i Testy [52]:

(A) NAN-190, oraz Lopez - Rodriguez [53]: (B) arylopiperazynylowe pochodne bicyklohydantoiny.

Grupa Testy poddała analizie szereg ligandów recep-

tora 5-HT

, należących do pięciu klas związków chemicz-

nych: pochodnych serotoniny, aminotetralin, arylopipera-

zyn, aryloksypropanoloamin i tetrahydropirydynyloindoli

[52]. Autorzy uwzględnili nie tylko standardowe wartości

pól sterycznych i elektrostatycznych, ale również poten-

cjał liofilowości (MLP). Za związek modelowy wybrano

zoptymalizowaną strukturę NAN-190 (rozciągnięty łańcuch

węglowy, grupa arylowa prostopadła do pierścienia pipe-

razyny). W rezultacie zaproponowany został ogólny mo-

del, wspólny dla kilku klas związków, określający regiony

różnego typu oddziaływań w obrębie grup farmakoforo-

wych (Ryc. 6).

Badając selektywność ligandów wobec receptorów

5-HT

/α

dla szeregu arylopiperazynowych pochodnych

bicyklohydantoiny, grupa naukowców skupiona wokół

Lopez-Rodriguez ustaliła czteropunktowy model CoMFA

[53]. Otrzymana mapa konturowa potwierdzała wcze-

śniejsze ustalenia badaczy dotyczące zależności struk-

tura-aktywność [54]:

podstawniki elektroujemne w pozycji

orto

lub

me-

pierścienia fenylowego zwiększają powino-

wactwo do receptora 5-HT

;

podstawniki w pozycji

para

(p-F i

p-NO

) mają

wpływ negatywny;

Plik z chomika:

Trelek2415

Bielenica1.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: