la química computacional y el diseño de fármacos
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La Química Computacional y el Diseño de Fármacos
Perspectiva
• Principios del descubrimiento de fármacos• Descubrimiento de fármacos guiado por computadora• Descubrimiento de fármacos guiado por datos• Técnicas modernas para la identificación y selección de la diana• Técnicas modernas de identificación de pistas
¿Que es un fármaco?
• Se entiende por fármaco, cualquier sustancia biológicamente activa, capaz de modificar el metabolismo de las células sobre las que hace efecto
• Composición definida con un efecto farmacológico
• ¿Cuál es el proceso del Desarrollo y Descubrimiento de Fármacos?
Statement of the Director, NIGMS, before the House Appropriations Subcommittee on Labor, HHS, Education Thursday, February 25, 1999
Una pequeña historia del diseño de fármacos ayudados por computadora
• 1960’s – Interacción del fármaco – revisión del objetivo• 1980’s- Automatización – cribado de alto rendimiento• 1980’s- Bases de datos (tecnología de la información) bibliotecas combinatorias• 1980’s- Computadoras Rápidas - acoplamiento• 1990’s- Computadoras Super Rápidas - ensamblado del
genoma – selección de objetivos basados en el genoma • 2000’s- Manejo de una enorme información – fármacogenomica
Molécula Diana
Línea de células recombinantes
Expresión genética - Fermentación
Purificación de la Proteína
Cristalización
Rayos-X - Sincrotón
Estructura 3D
Estructura 3D
Diseño RacionalMapeo de Epítopes
Ingeniería de Proteínas
NBE
Biblioteca de Moléculas Pequeñas
NCE
NCE (New Chemical Entity) NBE (New Biological Entity)
Fármacos: Proceso de Descubrimiento
• Moléculas Pequeñas– Productos Naturales
• Caldos de fermentación • Extractos de Plantas • Fluidos Animales (e.g., veneno de víbora)
– Productos Químicos Medicinales Sintéticos• Derivados para la Química Medicinal• Derivados de la Química Combinatoria
• Biológicos– Productos Naturales (aislamiento)– Productos Recombinantes– Productos Quiméricos
Descubrimiento vs. Desarrollo
• El Descubrimiento incluye: su concepto, su mecanismo, ensayo, cribado, identificación de la pista, demostración de la pista, optimización de la pista
• El Descubrimiento también incluye pruebas in vivo en animales y demostración concomitante del índice terapéutico
• El Desarrollo comienza cuando se toma la decisión de poner a una molécula en la fase I de las pruebas clínicas
Descubrimiento vs. Desarrollo
• El tiempo desde su concepción hasta la aprobación de un nuevo fármaco es típicamente de 10-15 años
• La vasta mayoría de las moléculas son desechadas en el camino
• El costo estimado de llevar al mercado un fármaco es aproximadamente $800 millones de dólares hoy en día!!
Descubrimiento vs. Desarrollo
Identificar la enfermedad
Aislar la proteína involucrada en la enfermedad (2-5 años)
Encontrar un fármaco efectivo contra la proteína(2-5 años)
Pruebas preclínicas(1-3 años)
Formulación
Pruebas clínicas en humanos
(2-10 años)
Escalamiento
Aprobación de la FDA(2-3 años)
File
IN
D
File
NDA
La tecnología impacta este proceso
Identificar la enfermedad
Aislar la proteína
Encontrar el fármaco
Pruebas preclínicas
GENOMICA, PROTEOMICA & BIOFARM.
CRIBADO DE ALTO RENDIMIENTO
MODELADO MOLECULAR
CRIBADO VIRTUAL
QUIMICA COMBINATORIA
MODELOS ADME IN VITRO & IN SILICO
Potencialmente produce muchas más dianas, personalizadas o no
Cribado de hasta 100,000 compuestos por día para probar su actividad contra la
proteína
Usar una computadora para predecir la actividad
Producir rápidamente un vasto número de compuestos
Las graficas y modelos por computadora ayudan a mejorar la actividad
Modelos computarizados y de tejidos comienzan a reemplazad las pruebas en animales
Genómica, Proteómica & Biofarmacéuticos
Comprendiendo la liga entre enfermedades, el montaje genético
y la expresión de las proteínas
Genómica• La genómica está acelerando nuestra compresión de cómo
están relacionados el ADN, los genes, las proteínas y su función, tanto en condiciones normales y de enfermedad
• El proyecto del Genoma Humano ha mapeado los genes del ADN en humanos
• Se espera que este conocimiento provea de muchas más proteínas potenciales
• Permite la posible “personalización” de las terapias
ATACGGATTATGCCTA funciones
Chips Genéticos
• Los “chips genéticos” nos permiten buscar por cambios en la expresión de una proteína en diferentes individuos en una variedad de condiciones, y ver si la presencia de fármacos cambia esa expresión
• Hace posible el diseño de fármacos para diferentes fenotipos
Compuestos administrados gente / condiciones
e.g. obeso, cáncer, caucásico
Perfil de expresión
(cribado de 35,000 genes)
Microarreglos
• Genes “impresos” en vidrio• Una variedad de genomas
humanos y animales• Medirán cuanto de cada
fragmento de ADN está presente en una muestra desconocida
• Un chip de genoma humano contiene 14,500 genes humanos bien caracterizados
• $300-$500 por chip• www.affymetrix.com
Producción del GeneChip
Uso del GeneChip
Biofarmaceúticos
• Fármacos basados en proteínas, péptidos o productos naturales en lugar de moléculas pequeñas (química)
• Promovidos por las compañías biotecnológicas
• Los biofarmaceúticos se pueden descubrir más rápidamente que las terapias normales de moléculas pequeñas
• Las biotecnológicas se están empatando con las compañías farmacéuticas más importantes
Cribado de alto rendimiento
El cribado de compuestos en ambiente corporativo quizá sea de millones para ver si alguno muestra actividad contra la proteína causante de la enfermedad
Cribado de alto rendimiento
• Las compañías farmacéuticas tienen ahora millones de nuestras de compuestos químicos
• El cribado de alto rendimiento puede probar 100,000 compuestos por día
• Puede ser que solo algunos miles de estos compuestos lleguen a mostrar alguna actividad contra la proteína
• El químico medicinal necesita escoger inteligentemente las 2 o 3 clases de compuestos que muestren la promesa de ser fármacos que puedan seguir desarrollándose
Implicaciones Informáticas
• Tener la capacidad de almacenar la estructura química y los datos biológicos para millones de puntos– Representación computacional de la estructura 2D
• Tener la capacidad de organizar miles de compuestos activos en grupos de relevancia– Agrupar estructuras similares y relacionarlas a la
actividad
• Capacidad de aprender tanta información como sea posible a partir de los datos (minería de datos)– Aplicar métodos estadísticos a las estructuras y
correlacionar la información
Herramientas para la minería de datos
Cribado Virtual
• Construir un modelo computacional de la actividad para una diana en particular
• Usar un modelo para valorar los compuestos de bibliotecas “virtuales” o reales
• Usar esta valoración para decidir cual hacer, o pasar a través de un cribado real
Modelos computacionales de la actividad
• Métodos de Aprendizaje– E.g. Redes Neuronales, Redes de Bayes, Redes de
Kahonen– Se entrenan con compuestos de actividad conocida– Predicen la actividad de compuestos “desconocidos”
• Métodos de Valoración– Compuestos con perfil basado en propiedades relativas a
la diana
• Acoplamiento Rápido– Rápidamente “acoplar” representaciones 3D de
moléculas en representaciones 3D de proteínas, y valorar de acuerdo en que tan bien se acoplan
Química Combinatoria
• Al combinar “bloques de construcción” molecular, podemos crear un gran número de moléculas diferentes muy rápidamente
• Usualmente involucra a una molécula “plataforma”, y grupos de compuestos que han reaccionado con la plataforma para colocar diferentes estructuras en “puntos de unión”
Ejemplo de Biblioteca Combinatoria
NH
R1
R2R3
Plataforma grupos-“R”
R1 = OH OCH3
NH2
Cl COOH
R2 = fenilo OH NH2
Br F CN
R3 = CF3
NO2
OCH3
OH fenoxy
Ejemplos
NH
OH
CF3
OH
NH
OH
OCH3
NH
C
OH
OHO
CF3
NH
C
OH
OHO
O
Para esta pequeña biblioteca el número de posibles compuestos es de5 x 6 x 5 = 150
Puntos de Química Combinatoria
• Cuales grupos-R escoger
• Cuales bibliotecas hacer– ¿“Llenar” la colección existente de compuestos?– ¿Orientadas a un proteína en particular?– ¿Tantos compuestos como se posible?
• El perfil computacional de las bibliotecas puede ayudar– “Bibliotecas virtuales ” pueden ser evaluadas en la
computadora
Búsqueda de Estructuras
• 2D búsquedas de subestructuras• 3D búsquedas de subestructuras• 3D búsquedas conformacionalmente flexibles
2D Búsqueda de Subestructuras
• Grupos funcionales• conectividad
– Aromático substituido con halógenos y un grupo carboxilo
[
F
,
C
l
,
B
r
,
I
]
O
O
2D Búsqueda de Subestructuras
• Buscar:– Aromático substituido
con halógenos y un grupo carboxilo
N
O
O
Cl
O
O
Cl
N
N
N
O
O
F
F
O
F
O
O
N
I
O
N
Query
N
O
O
N NO
O
O
O
N N
N
N
NN
N
N O
N
N
O
O
NO
O
N
OO
2D Búsqueda de Subestructuras
2D Búsqueda de Similitud
OHN
N
OH
NH
N NH2
O
N NH
N
NH2
NH
N
NH2
NH
N
N NH
N
NH
OH
Query
3D Búsqueda de Subestructuras
• Relaciones espaciales• Define intervalos para
distancias y ángulos• Conformación almacenada
– generalmente la de más baja energía
C
(
u
)
O
(
s
1
)
O
(
s
1
)
A
A
[
O
,
S
]
O
3.6 - 4.6 Å
3.3 - 4.3 Å
6.8 - 7.8 Å
O
O N
a
b
c
a = 8.62 0.58 Angstroms
b = 7.08 0.56 Angstroms
c = 3.35 0.65 Angstroms +-
+-
+-
O
O
O
O
OO
N
O
O
O
N
N
N O
O
O
O
O
O
N
N
N
N
S
OO
O O P O
O
O P O
O PO
O
O
ON
N
N
N
N
OO
O O
O
N
N
N
O
N
O
OO
3D Búsqueda de Subestructuras
Búsquedas Conformaciónalmente Flexibles
• Rotar alrededor de uniones que giran libremente
• Muchas conformaciones• Multa por baja energía• Obtener muchos más
aciertos• Los huéspedes se
adaptan al anfitrión y el anfitrión se adapta a los huéspedes
O
Cl
H
O
Cl
H
3.2Å
4.3Å
Búsquedas Conformaciónalmente Flexibles
O
Cl
H
O
Cl
H
3.2Å
4.3Å
3603002401801206000
1
2
3
4
5
6
Dihedral angle
Ste
ric
Energ
y (
kca
l/m
ol)
Pequeña multa energética
Modelos ADME in vitro & in silico
• Tradicionalmente, animales son usados para las pruebas pre-humanas. Sin embargo, esta pruebas resultan caras, consumen tiempo y son éticamente indeseables
• Las técnicas ADME (Absorbtion, Distribution, Metabolism, Excretion) pueden ayudar a modelar como el fármaco interactuará con el cuerpo
• Estos métodos pueden ser experimentales (in vitro) usando cultivo de tejidos, o in silico, usando modelos computacionales
Modelos ADME in silico • Los métodos computacionales pueden
predecir propiedades importantes del compuesto para ADME, e.g.
– LogP, una medida de lipofilicidad– Solubilidad– Permeabilidad– Metabolismo del Citocromo p450
• Estimados promedio se pueden hacer para millones de compuestos, reduciendo el “desgaste” – el coeficiente de fallas de los compuestos en la última fase
Calculo de propiedades en la Red
http://www.molinspiration.com/cgi-bin/properties
Dibujar una estructura …
Regreso de los resultados …
LogP
Área de Superficie Total Polar
# de átomos
Peso Mol.
Regla-de-5violaciones
# uniones Rot.
Potencial farmacológico (N/D)
Disciplinas en el Descubrimiento de Fármacos
• Medicina
• Fisiología/patología
• Farmacología
• Biología molecular/celular Automatización/robótica
• Química medicinal, analítica, y química combinatoria
• Química estructural y computacional
• Bioinformática
Bioinformática - una Revolución
Experimento Biológico Datos Información Conocimiento Descubrimiento
Coleccionar Caracterizar Comparar Modelar
Inferir
Secuencia
Estructura
Ensamblado
Sub-celular
Celular
Organos
Alto -orden
Year90 05
Poder de Cómputo
Tecnología de secuenciación
Data1 10 100 1000 100000
95 00
Proyecto Genoma Humano
Genoma E.Coli
Genoma C.Elegans
1 Genoma Pequeño/Mes
ESTs
Genoma Levadura
Gene Chips
Estructura viral
Ribosoma
Modelo pasos metabólicos de E.coli
Complejidad Tecnología
Mapeo del Cerebro
Circuitos Genéticos
Modelo Neuronal
Modelo Cardiaco
Genoma Humano Completo
# Gente/Sitio Red
(C) Copyright Phil Bourne 1998
106 102 1
Bibliotecas Combinatorias
• Miles de variaciones a partir de una plataforma fija
• Buenas bibliotecas abarcan áreas muy grandes del espacio conformacional y químico - diversidad molecular
• Diversidad en – interacciones estéricas, electrostáticas, e hidrofóbicas...
• Deseo de ser tan amplias como los compuestos del índice “Merck” de cribado azaroso
• El diseño de bibliotecas de diseño ayudadas por computadora aún está en su infancia
Modelado Molecular
• Visualización 3D de las interacciones entre los compuestos y las proteínas• “Acoplamiento” computacional de los compuestos con las proteínas
Visualización 3D • La cristalografía de rayos-X y la espectroscopia de
RMN pueden revelar la estructura 3D de las proteínas y compuestos que se les unen.
• La visualización de estos “complejos” de proteínas y potenciales fármacos pueden ayudar a los científicos a comprender el mecanismo de acción del fármaco y para mejorar el diseño de un fármaco.
• La visualización usa modelos de “bolas y palitos” para los átomos y sus uniones, así como para desplegar sus superficies.
• La visualización Estereoscópica está disponible.
Software de Acoplamiento Disponible
DOCK (Kuntz et al, 1982, Ewing & Kuntz 2001)AutoDock (Olson et al 1990, Morris et al 1998)ICM (Abagyan et al 1994)FlexX (Rarey et al 1996)Hammerhead (Welch et al 1996)GOLD (Jones et al 1997)MCDock (Liu & Wang 1999)SLIDE (Kuhn et al 2002) FRED (McGann et al 2002)Surflex (Jain 2003)GemDock (Yang & Chen 2004)Glide (Friesner et al 2004)Yucca (Choi 2005)
…
Algoritmos de Acoplamiento
• Búsqueda Estocástica:– Algoritmo Genético, Monte Carlo recocido simulado– AutoDock, MCDock, ICM, GOLD, Glide
• Construcción Incremental :– Fragmentos rígidos con uniones rotables– Incremental : ángulos de torsión preferidos– DOCK, FlexX, SLIDE, Surflex
• Multiconformero:– Genera un conjunto de conformeros de baja-energía– Acoplamiento Rígido – FLOG, FRED, Yucca
Acoplamiento con un Algoritmo Genético
• Colocar a un compuesto en el área aproximada donde el acoplamiento ocurre
• El algoritmo genético codifica la orientación del compuesto y sus uniones de torsión
• Optimizar la unión con la proteína– Minimizar la energía– Puentes de hidrógeno– Interacciones hidrofóbicas
• Puede se empleado para el “cribado virtual”
Visualización de Demosen
Acoplamiento Molecular
Acoplamiento Proteína-Proteína
Acoplamiento Proteína-Ligando
Moléculas en Movimiento
http://www.moleculesinmotion.com/jmol/protein_intro/index.html
Instalar JMOL (jmol.org), Java 4 WinXP, ActiveControlX y J2SE v5.0 runtime
Referencias• Cohen N. Guidebook on Molecular Modeling in Drug Design, Academic Press (1996)
• Cramer C.J. Essentials of Computational Chemistry: Theories and Models, John Wiley & Sons (2002)
• Schlick T. (Ed) Molecular Modeling and Simulation, Springer Verlag (2002)
• Leach A.R. (Ed) Molecular Modeling: Principles and Applications, Prentice Hall (2001)
• van de Waterbeemd H., Testa B. (Eds) Computer-Assisted Lead Finding and Optimization: Current Tools for Medicinal Chemistry, John Wiley & Sons (1997)
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