QSAR 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.

New compounds with improved biological activity 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 chimico-fisiche. 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: 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.

Concetti di Statistica QSAR Concetti di Statistica Input: n descrittori P1,..Pn e il valore dell’attività biologica (EC50 per esempio) per m composti. Pn ... P2 P1 Attività 3.7 0.7 Cpd 1 0.4 3.2 Cpd 2 … Cpd m

Concetti di Statistica QSAR Concetti di Statistica

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 Costante di Hammett (s) 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 = 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 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 elettron- donatore 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 Parametro sterico di Taft (Es) 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. ES viene calcolato in base alle costanti relative di idrolisi di metil etanoati a-sostituiti. 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 = indice di rifrazione M = peso molecolare r = densità Il rapporto M/r 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 Tutti gli analoghi appartengono a classi affini REQUISITI DI BASE negli STUDI QSAR Tutti gli analoghi appartengono a classi affini Tutti gli analoghi hanno lo stesso meccanismo d’azione Tutti gli analoghi si legano al target in modo comparabile L’effetto di una sostituzione con un isostere può essere predetto L’affinità di legame è correlata alle energie di interazione L’attività biologica è correlata all’affinità di legame

Proprietà Molecolari in QSAR Altre proprietà molecolari (descrittori) che sono state incluse negli studi QSAR includono proprietà calcolate come: energia HOMO  energia LUMO ovalità  area superficiale polarizzabilità  cariche sugli atomi volume molecolare  superficie accessibile al solvente Area di superficie refrattività molare di VdW

Descrittori Quanto-Meccanici in 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

Computer-aided Drug Design 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 DGbinding = f (Interactions) Equilibrium Binding free energy dissociation constant Binding free energy Temperature gas constant DGbinding = f (Interactions)

Campi molecolari 3D 3D QSAR 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

Campi molecolari 3D 3D QSAR 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.

Programmi usati per generare campi molecolari 3D 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.

Comparative Molecular Field Analysis (CoMFA) - 1988 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.

Comparative Molecular Field Analysis (CoMFA) - 1988 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.

CoMFA 3D QSAR 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)

CoMFA molecular fields 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.

Sovrapposizione: le molecole dovrebbero Sovrapposizione: le molecole dovrebbero essere allineate in modo ottimale........ Le molecole sono comunque flessibili Quale è la conformazione bioattiva? 3D QSAR Problemi 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.

GRID 3D QSAR 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), H-bonding e elettrostatici: EXYZ= ELJ+Eel+Ehb

GRID 3D QSAR 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.

Mappatura del recettore 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.

Descrittori di VOLSURF 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 regioni idrofobiche/idrofiliche) Varie: (energia minima di interazioni locali, distanze di energia minima, bilancio idrofilico-lipofilico HS/LS, momenti anfifilici, parametri di packing, H-bonding, polarizzabilità).