Presentazione di PowerPoint

• Quantitative
Structure-Activity
Relationships
QSAR
Il successo dell’approccio SAR per il drug design dipende non
solo dalla conoscenza e dall’esperienza del chimico
farmaceutico,ma è anche molto legato alla “fortuna”.
SERENDIPITY
La QSAR è un tentativo di eliminare la variabile “fortuna”
e di stabilire relazioni matematiche, sotto forma di equazione,
tra attività biologica e parametri chimico-fisici misurabili,
rappresentativi di proprietà come la lipofilicità, la forma e
la distribuzione elettronica, che influenzano l’attività del
farmaco.
QSAR
Compounds + biological activity
QSAR
New compounds with
improved biological
activity
QSAR
 Lo studio QSAR si può definire come una
relazione matematica tra un’ attività biologica
di un sistema molecolare e le sue
caratteristiche geometriche e chimicofisiche.
 La relazione matematica trovata permette di
stabilire“regole” che possano essere usate per
valutare e predire l’attività di nuovi composti.
QSAR
I parametri chimico-fisici che definiscono le proprietà
molecolari:
1) sono una misura soddisfacente dell’effetto di queste
proprietà sull’attività del composto;
2) sono in forma di numero e derivano da dati empirici ritenuti
correlati alla proprietà che il parametro rappresenta.
E’ dunque possibile misurare o calcolare questi parametri per
una classe di molecole e correlarli ai dati di attività biologica
mediante equazioni matematiche e con l’ausilio di metodi
statistici (analisi di regressione).
QSAR
Due possibili approcci:
 calcolare il valore teorico di uno specifico parametro per un
composto non ancora sintetizzato e, usando l’equazione matematica
che correla l’attività a quel parametro, predire la possibile attività
del composto ignoto;
 determinare in base all’equazione matematica il valore di un
certo parametro, e quindi progettare le strutture con l’optimum di
attività.
Ne consegue una scelta più consapevole dei nuovi composti da
sintetizzare e dunque una riduzione nei costi per lo sviluppo di
un nuovo farmaco.
QSAR
Concetti di Statistica
Input: n descrittori P1,..Pn e il valore dell’attività
biologica (EC50 per esempio) per m composti.
Cpd 1
0.7
P1
3.7
Cpd 2
3.2
0.4
Attività
…
Cpd m
P2
...
Pn
QSAR
Concetti di Statistica
QSAR
Concetti di Statistica

Il problema delle QSAR è trovare coefficienti C0,C1,...Cn tali che:
Attività biologica = C0+(C1*P1)+...+(Cn*Pn)
e l’errore di predizione sia minimizzato all’interno di una lista di m
composti dati.

Le tecniche di “Partial least squares” (PLS) e di regressione lineare
multipla sono usate per il calcolo dei coefficienti dei descrittori
strutturali.

Per entrambe le tecniche si cerca di correlare descrittori chimici e
dati biologici multipli per definire i principali fattori di dipendenza
dell’attività biologica osservata.

La PLS è una generalizzazione della regressione
QSAR
Dall’Esperienza alla Teoria alle Regole
1930‘s, L. Hammett: electronic s constants
1964, C. Hansch e T. Fujita: QSAR
1984, P. Andrews: affinity contributions of functional
groups
1985, P. Goodford: GRID (hot spots at protein surface)
1988, R. Cramer: 3D QSAR
1992, H.-J. Böhm: LUDI interaction sites, docking,
scoring
1997, C. Lipinski: bioavailability; rule of five
1998, Ajay, W. P. Walters and M. A. Murcko; J. Sadowski
and H. Kubinyi: drug-like character
QSAR
• Analisi QSAR classica (Hansch and Free Wilson
analyses).
 Si considerano solo le strutture 2D.
 Il principale campo di applicazione è la variazione dei
sostituenti di uno scaffold comune.
• Analisi 3D-QSAR (CoMFA,GRID):
 Ha uno scopo più ampio.
 Parte da strutture 3D e correla l’attività
biologica con le proprietà 3D dei campi.
 Le molecole sono descritte da proprietà
calcolate direttamente sulla struttura 3D e
non sulle proprietà dei sostituenti, come nella 2D.
QSAR
Analisi di Hansch
QSAR
QSAR
Proprietà chimico fisiche
IDROFOBICITA’
PARAMETRI DI RIPARTIZIONE:
 Coefficiente di ripartizione (P):
parametro usato per misurare il movimento di un farmaco
attraverso le membrane biologiche.
La sua determinazione dipende dal “sistema solvente” :
• n-ottanolo/acqua è il più usato, moltissimi i dati a disposizione
(ripartizione nel tratto GI);
• olio di oliva/acqua (ripartizione nella membrana ematoencefalica);
• cloroformio/acqua (ripartizione nella membrana buccale).
 Costante di sostituenti idrofobici (p):
rappresenta il contributo di ciascun gruppo sostituente della
molecola al coefficiente di ripartizione ed è generalmente
determinato nel sistema n-ottanolo/acqua.
QSAR
QSAR
PARAMETRI ELETTRONICI:
 Costante di Hammett (s)
La distribuzione degli e- in un farmaco ne influenza la
distribuzione nei tessuti e l’attività biologica.
Come regola generale farmaci non-polari e polari in forma non
ionizzata sono più facilmente trasportati attraverso le
membrane rispetto a quelli polari e ionizzati.
Una volta raggiunto il sito d’azione, la distribuzione di e- nella
struttura influenza il tipo di legame che si stabilisce con il
target.
QSAR
Hammett (1940): primo tentativo di quantificare gli effetti
elettronici dei gruppi sostituenti dell’acido benzoico
X
X
COOH
COO-
+
+
H
X = gruppi elettron attrattori Equilibrio spostato a destra
X = gruppi elettron donatori
Equilibrio spostato a sinistra
Hammett ha calcolato le costanti (sX) per vari sostituenti
dell’acido benzoico
KX
sX  log
K
K = Costante di dissociazione dell’acido benzoico
KX = Costante di dissociazione dell’acido benzoico
sostituito
QSAR
La costante di Hammet è una misura
dell’effetto elettron-attrattore o elettrondonatore di un sostituente ed è stata
determinata misurando la dissociazione di
una serie di acidi benzoici sostituiti in
confronto con la dissociazione dell’acido
benzoico.
Essa rappresenta la somma degli effetti sia
induttivi che di risonanza (mesomerici) del
sostituente.
QSAR
PARAMETRI STERICI:
 Parametro sterico di Taft (Es)
• Le dimensioni del farmacoforo di una classe di molecole
devono essere complementari a quelle del sito target.
• La definizione dei parametri sterici è stato il primo
tentativo di mettere in relazione un parametro misurabile,
correlato a forma e ingombro di una molecola, alle dimensioni
del sito target e all’attività biologica.
log k(XCH2COOR)
ES 
log k( CH3COOR)
ES viene calcolato in base alle costanti
relative di idrolisi di metil etanoati asostituiti.
La costante di Taft del sostituente X rappresenta la misura
dell’effetto del sostituente sulla densità di carica del centro
reattivo rispetto al protone (X = H).
QSAR
 Refrattività molare (MR)
Un’altra misura dei fattori sterici è fornita dal parametro
della refrattività molare, che è una misura del volume
occupato da un atomo o un gruppo di atomi.
Si calcola con la seguente equazione:
(n x n - 1)M
MR 
(n x n  2) 
n = indice di
rifrazione
M = peso molecolare
 = densità
Il rapporto M/ definisce un volume, mentre il termine
(n x n-1)/(n x n+2) fornisce un fattore di correzione che
definisce quanto facilmente il sostituente possa essere
polarizzato.
QSAR
REQUISITI DI BASE negli STUDI QSAR
1) Tutti gli analoghi appartengono a classi affini
2) Tutti gli analoghi hanno lo stesso meccanismo
d’azione
3) Tutti gli analoghi si legano al target in modo
comparabile
4) L’effetto di una sostituzione con un isostere può
essere predetto
5) L’affinità di legame è correlata alle energie di
interazione
6) L’attività biologica è correlata all’affinità di legame
QSAR
Proprietà Molecolari in QSAR
• Altre proprietà molecolari (descrittori) che
sono state incluse negli studi QSAR includono
proprietà calcolate come:
–
–
–
–
energia HOMO
ovalità
polarizzabilità
volume molecolare
– Area di superficie
di VdW
 energia LUMO
 area superficiale
 cariche sugli atomi
 superficie accessibile al
solvente
refrattività molare
QSAR
Descrittori Quanto-Meccanici in QSAR
QSAR
Proprietà Molecolari in QSAR
• Altre proprietà molecolari (descrittori) che sono
state incluse negli studi QSAR includono
proprietà misurate come:
–
–
–
–
–
densità
 pKa
energia di ionizzazione p.e.
Hvaporizzazione
 indice di rifrazione
peso molecolare
 momento di dipolo (m)
Hidratazione
 potenziale di riduzione
Coeff. ripartizione (P) = log PX - log PH
QSAR
Computer-aided Drug Design
• E’ possibile sovrapporre la struttura
tridimensionale di una molecola al suo potenziale
sito d’azione.
Questo processo è definito “docking”.
• Permette di valutare l’ “accomodamento” della
molecola nel sito d’azione e, inoltre, si possono
evidenziare i potenziali punti di interazione
molecola-target che determinano il binding
QSAR
Gbinding  RT . log K D
Binding free energy
Temperature
gas constant
Equilibrium
dissociation
constant
Gbinding = f (Interactions)
3D QSAR
Campi molecolari 3D
Premessa: la sovrapposizione sterica ed elettronica di molecole
congeneriche che si legano allo stesso sito recettoriale
non è sufficiente se si cerca una descrizione più dettagliata delle
proprietà strutturali di un recettore.
Occorre anche definire le regioni idrofobiche, le regioni di
trasferimento di carica e vari tipi di interazioni polari.
Una mappa del recettore con questo tipo di informazioni 3D
è di aiuto nel comprendere i risultati sperimentali e, soprattutto,
nel predire strutture nuove attive e ancora sconosciute.
Una mappa recettoriale può essere costruita
mediante la generazione di campi molecolari 3D
3D QSAR
Campi molecolari 3D
Un campo molecolare è rappresentato da una
griglia cubica 3D.
Viene generato usando vari programmi
Ciascun pixel (o nodo) della griglia rappresenta
forze attrattive e repulsive tra una molecola
target e un atomo sonda (probe) che simula, ad
es., le proprietà idrofobiche o di donazione di
legame H.
Partner di interazione possono essere acqua,
ottanolo o altri solventi.
3D QSAR
Programmi usati per generare campi
molecolari 3D
• MEP – Molecular Electrostatic Potential (unit
positive charge probe).
• MLP – Molecular Lipophilicity Potential (no
probe necessary).
• GRID – total energy of interaction: the sum of
steric (Lennard-Jones), H-bonding and
electrostatics (any probe can be used).
• CoMFA – standard: steric and electrostatic,
additional: H-bonding, indicator, parabolic and
others.
3D QSAR
Comparative Molecular Field
Analysis (CoMFA) - 1988
Allineamento sommario dei composti
Calcolo delle energie di interazione tra le
molecole di interesse e un probe in
corrispondenza dei nodi della griglia
virtuale (interazioni non covalenti).
Definizione dei campi di interazione.
3D QSAR
Comparative Molecular Field
Analysis (CoMFA) - 1988
La posizione 3D relativa dei campi nello spazio
intorno alle molecole viene trovata con metodi
statistici e chemiometrici (PLS) iterativi che
permettono di trovare la migliore equazione che
correli l’attività biologica con le differenti
variabili, ridotte durante il processo da
“filtri”opportuni che eliminano le variabili non
chiaramente correlabili con l’attività biologica
stessa.
3D QSAR
CoMFA
Calcolo dei coefficienti dell’equazione di
QSAR
Ottimizzazione del criterio di sovrapposizione
(sulla base di una corrispondenza di campi di
interazione molecolari e non con procedura di
accoppiamento atomo-per-atomo)
3D QSAR
CoMFA molecular fields
I campi molecolari sono:
Interazioni steriche (Lennard-Jones)
Interazioni elettrostatiche (Coulombic)
Un “probe” è un atomo di C sp3 con carica
+1.0
3D QSAR
Presupposti
 L’effetto è prodotto dalla molecola e non dai suoi metaboliti.
 La conformazione proposta è quella bioattiva.
 Il binding site è lo stesso per tutti composti inseriti nel
modello.
 L’attività biologica è ampiamente spiegata da effetti entalpici
 I termini entropici sono simili per tutti i composti.
 Il sistema è considerato all’equilibrio e gli aspetti cinetici non
sono generalmente considerati.
 Farmacocinetica: effetti del solvente, diffusione e trasporto
non vengono considerati.
3D QSAR
Problemi
 Sovrapposizione: le molecole dovrebbero
essere allineate in modo ottimale........
 Le molecole sono comunque flessibili
 Quale è la conformazione bioattiva?
 Conformazione in vacuo
 Conformazione nel cristallo
 Conformazione in soluzione acquosa
 Conformazione sul sito d’azione
3D QSAR
 La conformazione bioattiva non è sempre quella
determinata dalla cristallografia o dalle tecniche
computazionali.
 La chimica computazionale viene applicata all’analisi
conformazionale.
 Nuove tecniche sono state sviluppate per predire
l’effetto dei cambiamenti conformazionali
sull’efficacia della procedura di docking.
3D QSAR
 L’analisi CoMFA inizia con la classica mappatura del
farmacoforo, necessaria per identificare una
conformazione bioattiva per ciascuna molecola.
 Una volta fatto l’allineamento, vengono calcolati i
campi di interazione molecolare intorno a ciascuna
molecola.
 Questi campi sono valutati nei punti di intersezione
di una griglia 3D che circonda tutte le molecole.
3D QSAR
 Il campo sterico descrive dove la molecola è collocata nello
spazio.
 Il campo elettrostatico descrive l’influenza delle cariche
atomiche parziali sulle caratteristiche elettroniche dello
spazio circostante.
 Successivamente si calcolano le relazioni tra attività
biologica e campi molecolari mediante una tecnica di analisi
statistica multivariata (PLS).
 Infine viene calcolato il contributo all’attività biologica di
ciascun valore di energia per ciascun punto della griglia e si
disegna la superficie di contorno, a dare la visualizzazione
3D.
3D QSAR
GRID
Calcola la griglia dei campi delle interazioni
molecolari
Estrae descrittori 3D
Uso di 60 “probes” differenti.
Calcola l’energia totale di interazione come
somma di effetti sterici (Lennard-Jones), Hbonding e elettrostatici:
EXYZ= ELJ+Eel+Ehb
3D QSAR
GRID
Parametrizzazione molto accurata
I parametri sono basati su dati cristallografici
sperimentali (direzione, tipo e forza di una certa
interazione sono classificati in base a quanto visto in
“cristalli”).
La fusione dei dati ottenuti permette di identificare
le “features” farmacoforiche. Queste informazioni
vengono esportate sui programmi per la generazione
(e ridefinizione) del farmacoforo (ad es. Catalyst®)
3D QSAR
3D QSAR
3D QSAR
GRID
Le molecole (o il farmacoforo) sono collocate nella
griglia 3D
Si calcolano le energie di interazione tra molecola e
probe per ciascun punto della griglia.
Il campo risultante viene analizzato mediante il
calcolo delle superfici di contorno isoenergetiche per
ogni livello di energia.
Il confronto tra le superfici delle varie conformazioni
farmacoforiche e tutti i differenti probes porta alla
definizione di una mappa recettoriale comune ad una
classe di farmaci.
3D QSAR
Mappatura del recettore
L fase successiva consiste nel trasferire i campi di
interazione in un modello recettoriale costituito da
singoli amminoacidi isolati con proprietà chimiche che
rendano conto dei differenti tipi di legame presenti
nel farmacoforo.
La posizione tridimensionale relativa dei siti di legame
degli aa è definita sulla base dei risultati ottenuti con
GRID.
Si ricava un modello recettoriale detto
“pseudorecettore” in cui si identificano la natura e la
disposizione relativa degli aa chiave del sito.
GRID 3D maps
3D QSAR
VOLSURF
Il programma VOLSURF predice le proprietà
ADME basandosi su modelli precalcolati.
I modelli inclusi sono:
•
•
•
•
Solubilità
Assorbimento attraverso Caco-2 cells
Permeazione della barriera ematoencefalica
Distribuzione
3D QSAR
VOLSURF
• VolSurf legge campi molecolari, li traduce in
descrittori molecolari semplici mediante
tecniche di processamento di immagini.
• Questi descrittori caratterizzano dal punto
di vista quantitativo dimensione, forma,
polarità e idrofobicità delle molecole e il loro
bilancio.
3D QSAR
Descrittori di VOLSURF
 Dimensione
e forma:
(volume V, area superficiale S, rapporto volume superficieV/S,
globularità S/Sequiv (Sequiv è l’area superficiale di una sfera di volume V).
 Idrofilicità:
(area superficiale idrofilica HS, fattore di capacità HS/S).
 Idrofobicità
 Momenti di interazione energetica:
(vettori che vanno dal centro della massa al centro delle
idrofobiche/idrofiliche)
regioni
 Varie:
(energia minima di interazioni locali, distanze di energia minima,
bilancio idrofilico-lipofilico HS/LS, momenti anfifilici, parametri di
packing, H-bonding, polarizzabilità).