ArbeitsgruppenAG Carlomagno
Entwicklung von der Wirkstoffdesign-Methode INPHARMA

Development of drug design methodologies

Die neue NMR-basierte Methode INPHARMA, welche von unserer Gruppe entwickelt wurde, ermöglicht das Erfassen des relativen Bindungsmodus von Liganden mit niedriger Affinität an ein gemeinsames Target. Das Verfahren erfordert zwei kompetitiv bindende Liganden und eine Modellstruktur des Apo-Rezeptors. INPHARMA basiert auf der Beobachtung von Interliganden-, Spin-Diffusions-vermittelten NOE-Daten (Nuclear Overhauser Effect) zwischen den beiden Liganden L1 und L2. Da die Liganden kompetitiv binden, stammen solche NOEs nicht von einer direkten Magnetisierungsübertragung zwischen L1 und L2, sondern von einem Spin-Diffusionsprozess, der durch die Protonen der Rezeptorbindungstasche vermittelt wird und sind daher von den spezifischen Wechselwirkungen von jedem der beiden Liganden mit dem Protein abhängig (Fig. 1). Daher kann durch eine Anzahl solcher intermolekularer NOE-Peaks die relative Orientierung der beiden Liganden in der Rezeptorbindungstasche bestimmt werden. In Übereinstimmung mit vorhandenen SBDD-Workflows werden die aus den INPHARMA-NOEs abgeleiteten experimentellen Informationen dazu verwendet, den richtigen Bindungsmodus unter vielen möglichen Bindungsorientierungen auszuwählen, welche durch molekulares Docking erhalten wurden.

Abb. 1 Schematische Darstellung des INPHARMA NOEs Prinzip.

 

INPHARMA wurde in Zusammenarbeit mit Sanofi-Aventis an einem System validiert, das aus mehreren Liganden besteht, die an die katalytische Untereinheit der Protein Kinase A (PKA) und der Cyclin-abhängigen Kinase 2 (CDK2) binden (1-3). Die Verfügbarkeit von Kristallstrukturen für dieses System hat es uns ermöglicht, die Effizienz und Genauigkeit von INPHARMA zu überprüfen. Zusätzlich haben wir INPHARMA zur Bestimmung des Bindungsmodus von Epothilon A, Discodermolid und Tubulysin an Tubulin verwendet (4-6).

Diese Methodik hat in der pharmazeutischen Industrie erhebliches Interesse geweckt. Der tägliche Fortschritt der pharmazeutischen Forschung ist häufig limitiert durch die Schwierigkeit hochauflösende Kristallstrukturen des Zielrezeptors in einem Komplex mit seinen Liganden mit niedriger Bindeaffinität (lead compounds) zu erhalten. Üblicherweise werden diese durch Hochdurchsatz-Screenings oder durch Fragment-basierte lead discovery Methoden identifiziert. Dementsprechend profitiert SBDD von Methoden wie INPHARMA, die Rezeptor-Ligand-Strukturen von neuen Liganden oder Fragmenten mit Hilfe von bekannten Co-Kristallstrukturen eines Referenzliganden bereitstellen, wodurch die strukturelle Einordnung verschiedener chemischer Ligandenserien ermöglicht wird.

Die aus den INPHARMA NOEs abgeleiteten experimentellen Informationen werden derzeit dazu verwendet den korrekten Bindungsmodus unter all den möglichen Bindungsorientierungen auszuwählen, welche durch molekulares docking berechnet wurden. Die selektierten Bindungspositionen werden nach ihrer Übereinstimmung zwischen den theoretischen INPHARMA-NOEs, die für jedes Paar von TL_1- und TL_2-Komplexmodellen berechnet wurden, mit den experimentell erhaltenen Daten bewertet und sortiert. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es einfach in typische SBDD-Arbeitsabläufe integriert werden kann. Die Ergebnisse der INPHARMA-Analyse hängen jedoch von der Verfügbarkeit eines Strukturmodells für den Apo-Rezeptor und von der Leistung des verwendeten docking-Programms ab, das wiederum von der Qualität der Rezeptorstruktur abhängt. Um diese Einschränkungen zu überwinden, entwickeln wir derzeit die Methodik in zwei Richtungen: 1. Es soll ermöglicht werden mit Hilfe der INPHARMA-Daten direkt eine Struktur des Protein-Ligand-Komplexes zu berechnen, jedoch basierend auf einem niedrig aufgelösten Modell des Apo-Rezeptors. 2. Es soll ermöglicht werden die INPHARMA-Daten so zu verwenden, dass eine Ligandenüberlagerung ohne Rezeptorstruktur durchgeführt werden kann.