计算机辅助共价抑制剂设计

计算机辅助共价抑制剂设计

导语:

非共价相互作用,包括静电相互作用、氢键、范德华相互作用和疏水性接触都有助于配体与受体、酶和离子通道的亲和力和特异性。因此,药物的开发主要依靠优化非共价相互作用来提高对靶标的效力和选择性。然而,许多制药公司和学术团体采用的这种方法忽略了一类药物:可以与酶或受体形成共价键的药物。

随着共价药物的发展,研究人员已经认识到与其非共价药物相比,在某些情况下,共价药物的一些性质可能是有益的。例如,共价相互作用的长效特征抑制酶抑制剂被天然底物置换。 当生物化学途径涉及抑制天然底物的积聚时,共价药物允许以比用于相同靶标的非共价药物低得多的浓度实现相同的药理学应答显得非常重要。

除了毒性问题之外,共价抑制剂的表征技术不足阻碍了共价配体的发展。事实上,根据“常规”非共价抑制剂的酶学、结合动力学、药代动力学和药效学的所有知识,解释与共价抑制相关的数据可能是有偏见和错误的。

 

计算机辅助共价抑制剂设计:

1.计算药物设计

尽管计算工具广泛用于非共价药物设计,但共价药物的计算方法很少。已经为非共价药物推出了数以千计的定量构效关系(QSAR)模型和对接研究,而对于共价药物却没有报道,很少的程序或方法可用于药物化学界。应该澄清的是,计算方法是补充和受益于其他结构技术,如晶体学。

2.量子力学方法

计算药物的反应性和酶-药物复合物的稳定性将使医药化学家能够以适当的停留时间来设计和微调药物。2007年,Oballa及其同事使用密度泛函理论(DFT)来评估含腈片段对CatK抑制剂设计的反应性。他们得出结论,基于DFT的方法可以用作预测腈对半胱氨酸的反应性。这些方法显示出计算方法预测共价反应性并开始被利用的潜力。

研究表明DFT应用于预测化合物的反应性,尚未被广泛研究和应用于酶反应的性质。亲电反应性和蛋白质残基亲核亲和力的整体性质在预测自然界共价反应中是必不可少的。该方法可以容易地扩展到预测激酶半胱氨酸和共价抑制剂之间的反应。量子力学(QM)方法已被证明可用于预测共价配体的反应性。尽管QM计算量随着系统中原子数量的增加而下降,但提取参数或产生预测模型可以为共价化合物库的筛选提供有用的信息。

3.基于配体的方法

药物发现中常见的计算方法是QSAR。然而,传统的QSAR模型是针对非共价抑制剂开发的,因此不考虑共价键对结合能的贡献。为了解决这个问题,Shokhen及其同事开发了两个描述符(W1和W2),测量了亲核残基和羰基之间形成键的能量。当中间体保持阴离子时,W1测量结合能,W2 测量与质子化结合的能量。这些描述符来源于模型系统的半经验计算,作为验证,研究人员对凝血酶和组织蛋白酶D进行了回顾性研究,发现W1和W2对于最佳预测是至关重要的,尽管这是使用QSAR与共价药物的第一步。

4.分子对接之共价键建模

基于对接的药物设计已经成为许多学术和工业药物化学组合的常见做法。分子对接程序预测配体的结合模式和相对亲和力,并依赖于两个基本步骤:

1)取样配体-蛋白质复合物的构象空间;

2)使用评分函数对取样的构象进行排序以预测可能的结合模式,或者在虚拟筛选的情况下,将活性与非活性化合物区分开。每个对接程序都使用自己的方法来确定最有希望的候选药物。

过去,共价药物开发和投入很少,大多数药物发现项目都集中在非共价配体的开发上。导致了针对非共价化合物的虚拟高通量筛选(vHTS)和对接方法非常少。相比之下,有效鉴定共价活性物质的方法不发达,并且不如鉴定非共价配体的那样准确。对共价药物的兴趣越来越多,使得共价对接方法的发展激增,以加强药物的发现和设计。几个最流行的对接程序已被修改以适应共价对接,并且出现了几个专注于共价对接的新的对接程序。共价对接程序如DOCK、 DOCKTITE、CovDock、AutoDock、FlexX、FITTED、GOLD和CovalentDock 。

5.QM/MM研究

量子力学/分子力学(QM/MM)方法利用QM的高精度和MM的可扩展性。QM/MM方法利用QM用于要求高水平细节的蛋白质和配体的区域,而对于其余部分则使用MM。因此,QM/MM方法能够以高精度和适中的计算成本研究具有共价配体的酶的详细结合机制,能量障碍和相互作用。这提供了一种解决对接方法限制的途径,其不包括使用QM而涉及结合动力学和热力学的一些复杂因素。

为了应对在对接中处理极化和共价相互作用的挑战,Rohrig等研究人员开发了QM/MM即时对接算法。这种方法使用经典对接程序生成的姿势,然后采样这些姿势用QM/M方法重新优化并重新评分。他们的算法在锌数据集和血液蛋白数据集上得到验证。当以适度的计算方式开始随机配体构象搜索时,它们的算法在锌和血液蛋白数据集上比经典的对接程序(AutoDock、vina和GOLD)表现得更好。

案例:

使用QM/MM方法与对接程序协同改进药物开发过程涉及的不可逆的基于乙烯基砜的rhodasin抑制剂K11777。计算表明,K11777可逆和较短停留时间的衍生物将更具生物活性。为了开发潜在的候选药物,研究人员用QM/MM方案筛选了K11777的各种衍生物,并鉴定出在结合rhodasin仅略微放热的衍生物。然后通过QM/MM和QM建模预测对轻度放热的可逆分子进行非共价对接研究,再然后进一步优化非共价复合物以改善抑制剂亲和力。在此步骤之后,QM /MM和分子动力学模拟再次运行,以进一步支持所做的修饰。设计结束后,进行实验验证。

该方案成功应用于鉴定rhodasin的纳摩尔亲和抑制剂。研究人员建议,他们的QM / MM协议在研究和优化来自共价对接筛选的最有希望的候选药物方面非常有用。该方案的主要限制是对共价抑制剂结合的晶体结构的要求。

总结:

无论是偶然发现还是设计修饰,目前在市场上存在许多通过共价作用模式成功的药物。尽管发现过程的许多方面由非共价和共价药物共享,但还有几个重要的附加因素,包括停留时间、亲核反应性和共价键形成能。靶标和反应基团的选择以及合适的技术对抑制剂的适当表征对于对是否继续或终止对给定化学系列的探索做出明智的决定至关重要。特别是结合动力学在这个问题上是至关重要的。事实上,虽然共价抑制可以大大减少用于改善药物的药代动力学参数所花费的时间,但其重要性以及药效学也不减少。

 

参考资料:

1.De Cesco S, Kurian J, Dufresne C, et al. Covalent inhibitors design and discovery[J]. European Journal of Medicinal Chemistry, 2017.

2.Chaskar P, Zoete V, Röhrig U F. On-the-Fly QM/MM Docking with Attracting Cavities[J]. J. Chem. Inf. Model, 2017, 57(1): 73-84.

3.Schirmeister T, Kesselring J, Jung S, et al. Quantum chemical-based protocol for the rational design of covalent inhibitors[J]. J. Am. Chem. Soc, 2016, 138(27): 8332-8335.

4.部分图片来自网络。