Основы современного компьютерного дизайна ЛП

3.1. Общая схема компьютерного конструирования нового ЛВ
В начале раздела 1.4 мы уже говорили, что рациональный дизайн ЛВ заключается в конструировании синтетического лиганда (i-L) и активного центра рецепторной биомишени (Rac) путём правильного компьютерного манипулирования их геометрическими (структурными) и энергетическими (силы взаимодействия) параметрами с целью добиться высокой степени комплементарности между рецептором и лигандом, приводящей к высокой биоактивности последнего. В ранних разработках новых ЛВ (см. блок-схемы алгоритма их создания в разделе 1.4), на первом этапе, касающемся возникновения и развития замыслов по лидерной структуре ПЛВ и возможных путей их синтеза, не принимал участия химик-дизайнер, так как первые модели ЛВ изображали на бумаге в двухмерном виде, а их трёхмерное изображение было возможным только в виде наборов механических деталей – моделей Стюарта-Бриглеба и моделей Дрейдинга. Специализация по компьютерному конструированию молекул (молекулярная графика) возникла лишь в последней четверти 20-го века, когда были созданы новые компьютерные технологии, например, программы по псевдотрёхмерной визуализации на экране дисплея структур молекул с их вращением. Были разработаны методы математического и квантово-химического описания динамического распознавательного взаимодействия активных центров сложных белковых структур с ПЛВ. Появление подобных программ выдвинуло молекулярное моделирование и дизайн ЛВ на ведущее место в системах поиска и конструирования новых ЛВ, пестицидов и регуляторов роста. В настоящее время этот квантово-химический подход к разработке новых ЛВ признан весьма плодотворным (но ни в коей мере не исключает экспериментальных действий). Для успешной работы в этой области химик-дизайнер должен владеть химической информацией в электронном виде, т.е., суммой систем по её обработке и использованию (хемоинформатикой). При дизайне потенциально биологически активных веществ химик-дизайнер:

а) определяет пути поиска химических данных, создаёт базы химических данных, хранит их и пользуется ими (при этом используется International Chemical Identifier - программа InChI для названий соединений по правилам ИЮПАК);

б) представляет химические структуры в 2 и 3 формах, их возможные таутомеры, даёт названия соединений;

в) осуществляет анализ больших коллекций химических данных, определяет пути поиска фармакофора;

г) решает задачи по КЗАС и виртуальному дизайну библиотек веществ. В большом числе случаев перед этапом экспериментов по синтезу специалист по молекулярному дизайну создаёт: набор дескрипторов для множества активных молекул; программы по функционально- или структурно-ориентированному дизайну проектируемых молекул и их соответствию требованиям АРМЭТ; определяет виртуальные зависимости биоактивности от строения молекул (КЗАС, АРМЭТ). Предсказание свойств АРМЭТ – очень трудная задача, т.к. ЛВ по пути к цели в организме встречает множество белков, липидов, сахаров и разнообразных метаболитов, а само предсказание основано лишь на простых исходных дескрипторах (размер молекулы ЛВ, липофильность, наличие функциональных групп), которыми пользуются для создания модельных уравнений. Полученные химиком-дизайнером данные затем передаются в виде рекомендаций химику-синтетику для разработки оптимальных методов синтеза лидерных структур ПЛВ. Полученные таким образом соединения поступают фармакологу, который проверяет их в эксперименте на биоактивность, фармакокинетические (АРМЭТ) и фармакодинамические свойства. Если сконструированные вещества не вполне отвечают этим требованиям, например, имеют низкую биодоступность или малое время жизни в организме, то следует новый цикл-итерация: компьютерный дизайн – синтез – фармакология – дизайн - …. В связи с этим современная стратегия алгоритма создания нового ЛВ с включением стадий их компьютерного конструирования выглядит следующим образом.

(Дать на отдельной странице всю блок-схему по пп.1-12 с расширенным новым представлением пп.1-9 по дизайну и виртуальному скринингу)

Схема

1) выбор болезни;

2) выбор биомишени. Для машинного поиска потенциальных мишеней в научной литературе и Интернете существуют программные средства (например, коммерческий пакет программного обеспечения SYBYL) и базы данных по геномам, протеомам, трёхмерной структуре белков, их взаимодействии друг с другом и их метаболизме; кэмбриджские базы данных (CSD) экспериментально полученных методом рентгеноструктурного анализа (РСА) по трёхмерным структурам ферментов и других белковых макромолекул (пока данные РСА получены для 10 тысяч белков. Известно, что протеом организма человека содержит по меньшей мере 0.5 млн белков); автоматическая селекция позволяет снизить на два порядка число потенциальных биомишеней. За ней следует ручной отбор самых перспективных мишений (несколько десятков белков).

3) определение и компьютерное моделирование активного центра мишени (списки баз данных указаны в п. 2); 3D-моделированием по гомологии 3D-участков известных белков или экспрессией белка-мишени с последующим его анализам методом РСА или ЯМР устанавливают 3D-структуру биомишени, выделяя в ней участок (фрагмент, сайт, центр), который должен активно взаимодействовать с ПЛВ-лигандом; знание топологии этих центров в кристаллическом сложном белке делает возможным моделировать с помощью программ компьютерной химии конформационную подвижность биомишени в жидкой фазе организма. Это позволяет выявить границы изменений пространственного строения активных сайтов функционального белка;

4) поиск веществ-лигандов, создание списков виртуальных структур, а также тематических библиотек соединений комбинаторной химией;

5) виртуальный скрининг множества структур-лигандов (предсказание биоактивности и свойств АРМЭТ); имеется много баз данных, но наиболее подходящей является коллекция кристаллографических экспериментально полученных методом (РСА) трёхмерных структур множества низкомолекулярных веществ (более 0.3 млн);

6) химический синтез отобранных структур и экспериментальный скрининг;

7) компьютерная оптимизация лидерной структуры ПЛВ по фармакофору, 3D-QSAR и точному месту связывания (докингу) с рецептором; доступны программные средства по оценке достоверности гипотез связывания R с L в комплекс с привлечением величин виртуальной энергии связывания, контактирующих поверхностей, числу Н-связей; затем отбираются лиганды для синтеза;

8) экспериментальный синтез модифицированных лидеров;

9)предсказание эффективности взаимодействия с белком-рецептором (например, по программе моделирования молекулярной динамики GROMACS); отбор кандидатов в ЛВ и их синтез;

10) доклинические испытания ПЛВ;

11) клинические испытания ПЛВ;

12) разработка промышленной технологии синтеза ЛВ и производства форм его применения;

13) патентование, валидация и сертификация ЛВ;

14) реклама нового ЛВ и фармрынок.

Использование компьютерных технологий на стадиях замысла, скрининга и оптимизации структур ПЛВ позволяет повысить эффективность создания новых ЛВ, снизить трудовые, временные, материальные и энергетические затраты.