Enflamatuvar hastalıkların tedavisinde kullanılmak üzere yeni kaspaz-1 inhibitörlerinin in silico ve in vitro yöntemlerle araştırılması
Investigation of new caspase-1 inhibitors for use in the treatment of inflammatory diseases by in silico and in vitro methods
- Tez No: 1018466
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZKAN DANIŞ, DOÇ. DR. ÖZAL MUTLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyokimya, Biochemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Marmara Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Biyokimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Enflamasyon, organizma için hayati bir savunma mekanizması olmasına rağmen, bu yanıtın aşırı ve kontrolsüz aktivasyonu otoenflamatuvar ve nörodejeneratif hastalıkların gelişiminde anahtar rol oynamaktadır. Bu patolojik sürecin merkezinde; çeşitli mekanizmalarca tetiklenen NLRP3 enflamazom kompleksinin bir araya gelmesi, bu kompleksin kaspaz-1 enzimini aktif formuna dönüştürmesi, bunun sonucunda kaspaz-1'in pro-IL-1β ve pro-IL-18'i enflamatuvar sitokinler olan IL-1β ve IL-18'e olgunlaştırması ve nihai olarak bir programlanmış hücre ölümü biçimi olan piroptozun meydana gelmesi yer almaktadır. Kaspaz-1, bu kritik konumu nedeniyle önemli bir terapötik hedef olmasına rağmen, günümüzde klinikte kullanımı onaylanmış seçici bir inhibitörü henüz bulunmamaktadır. Mevcut peptit temelli inhibitörlerin düşük metabolik kararlılık ve sınırlı membran geçirgenliği gibi dezavantajlarını aşmak adına; yüksek biyoyararlanım potansiyeline sahip ve seçici yeni küçük molekül inhibitörlerin tasarımı büyük önem taşımaktadır. Bu tez çalışması kapsamında, 29 referans bileşikten oluşan bir veri seti üzerinden farmakofor, iskelet ve elektroyapı benzerliği temelli bir sanal tarama protokolü uygulanmıştır. Bu protokol aracılığıyla çeşitli kütüphanelerinden belirlenen 14.884 özgün bileşik, kaspaz-1 kristal yapısına karşı moleküler yerleştirme çalışmalarına tabi tutulmuştur. Moleküler yerleştirme sonuçlarına göre -8,0 kcal/mol ve altında bağlanma serbest enerjisine sahip 649 bileşik belirlenmiş; bu bileşikler arasından aktif bölgedeki kritik amino asit kalıntıları ile etkileşim kurma kapasitelerine göre öncelikli 30 aday seçilmiştir. Seçilen adaylar yapısal kararlılıklarını test etmek amacıyla moleküler dinamik simülasyonlarına tabi tutulmuştur. Simülasyonlar sonucunda; başlangıç pozunu ve aktif bölge etkileşimlerini yüksek kararlılıkla koruyan üçü kumarin, biri pirazol-benzofuran ve biri de sülfonamid çekirdeğine sahip 5 inhibitör adayı (öncü) bileşik saptanmıştır. Kumarin iskeletinin potansiyel bir farmakofor yapı olarak öne çıkması üzerine çeşitli kumarin türevleri hesaplamalı ve deneysel çalışmalara dahil edilmiştir. Yapılan in vitro çalışmalar sonucunda K14 bileşiğinin 9.88 uM IC50 değeri ile en yüksek inhibitör aktiviteye sahip olduğu belirlenmiştir. Gerçekleştirilen enzim kinetiği analizleri, bu bileşiğin kaspaz-1 üzerinde karışık tipte inhibisyon mekanizması sergilediğini ortaya koymuştur. Deneysel olarak gözlenen bu karışık mekanizmanın ardından yürütülen moleküler dinamik simülasyonları, bileşiğin kaspaz-1'in anahtar tuz köprüsü ve regülasyon kalıntıları ile etkileşerek allosterik bölgede kararlı konformasyona ulaştığını göstermiştir. Hem deneysel kinetik veriler hem de hesaplamalı bulgular, keşfedilen kumarin türevinin özgün bir allosterik inhibitör olduğunu doğrulamaktadır. K14 bileşiğinin klinik öncesi değerlendirmesi amacıyla yürütülen hesapsal ADME analizleri; molekülün hiçbir ilaçlanabilirlik kuralını ihlal etmediğini, referans inhibitör VX-765'e kıyasla çok daha yüksek bir teorik gastrointestinal emilim profiline sahip olduğunu göstermiştir. Bileşiğin sistemik dolaşımdaki kaderini ve taşıma kapasitesini belirlemek amacıyla gerçekleştirilen sığır serum albümini (BSA) ile spektroskopik bağlanma çalışmaları; K14'ün albümine termodinamik açıdan kendiliğinden (ΔG0 = -35.088 kJ/mol) ve hidrofobik etkileşimlerin domine ettiği statik-dinamik karma bir sönümleme mekanizmasıyla bağlandığını ortaya koymuştur. 298 K sıcaklıkta gerçekleştirilen analizlerde, bağlanma sabiti (Ka) 11,56 x 105 M-1 olarak hesaplanmış olup bu değer molekülün plazma proteinleri tarafından taşınması için ideal afinite aralığında olduğunu göstermiştir. In silico moleküler kenetleme ve MD validasyonları, bu güçlü bağlanmanın BSA'nın temel ilaç taşıma cebi olan Site IIA (Sudlow I) bölgesinde gerçekleştiğini doğrulamıştır. Elde edilen bütüncül bulgular, optimize edilmiş farmakokinetik profile ve yüksek oral biyoyararlanım potansiyeline sahip kumarin temelli küçük moleküllerin, peptidomimetik inhibitörlerin zayıf ADME bariyerlerini aşabilecek, kaspaz-1 hedefli seçici yeni nesil allosterik ilaç adayları olarak güçlü bir terapötik potansiyel taşıdığını kanıtlamaktadır.
Özet (Çeviri)
Although inflammation is a vital defense mechanism for the organism, excessive and uncontrolled activation of this response plays a key role in the development of autoinflammatory and neurodegenerative diseases. At the heart of this pathological process is the assembly of the NLRP3 inflammasome complex, triggered by various mechanisms; the conversion of the caspase-1 enzyme to its active form by this complex; the subsequent maturation of pro-IL-1β and pro-IL-18 by caspase-1 into the inflammatory cytokines IL-1β and IL-18; and ultimately, the occurrence of pyroptosis, a form of programmed cell death. Despite its critical position, caspase-1 is an important therapeutic target, yet currently, a selective inhibitor approved for clinical use is lacking. To overcome the disadvantages of existing peptide-based inhibitors, such as low metabolic stability and limited membrane permeability, the design of novel selective small molecule inhibitors with high bioavailability potential is of great importance. In this thesis, a virtual screening protocol based on pharmacophore, skeleton, and electrostructure similarity was applied to a dataset of 29 reference compounds. Through this protocol, 14,884 unique compounds selected from various libraries were subjected to molecular docking studies against the caspase-1 crystal structure. According to the molecular docking results, 649 compounds with binding free energies of -8.0 kcal/mol and below were identified; among these, 30 priority candidates were selected based on their capacity to interact with critical amino acid residues in the active site. The selected candidates were subjected to molecular dynamics simulations to test their structural stability. As a result of the simulations, 5 inhibitor candidate (precursor) compounds were identified that maintained their initial position and active site interactions with high stability: three with a coumarin core, one with a pyrazole-benzofuran core, and one with a sulfonamide core. Given the emergence of the coumarin skeleton as a potential pharmacophore structure, various coumarin derivatives were included in computational and experimental studies. In vitro studies revealed that compound K14 exhibited the highest inhibitory activity with an IC50 value of 9.88 µM. Enzyme kinetic analyses showed that this compound displays a mixed-type inhibition mechanism on caspase-1. Following this experimentally observed mixed mechanism, molecular dynamics simulations demonstrated that the compound interacts with key salt bridge and regulatory residues of caspase-1, achieving a stable conformation in the allosteric region. Both experimental kinetic data and computational findings confirm that the discovered coumarin derivative is a unique allosteric inhibitor. Computational ADME profiling conducted for the preclinical evaluation of compound K14 demonstrated that the molecule strictly adhered to all drug-likeness rules with zero violations, exhibiting a significantly higher theoretical gastrointestinal absorption profile compared to the reference clinical inhibitor VX-765. Spectroscopic binding studies with Bovine Serum Albumin (BSA), performed to determine the systemic fate and transport capacity of the compound, revealed that K14 binds to BSA spontaneously from a thermodynamic perspective (ΔG0 = -35.088 kJ/mol) through a combined static-dynamic quenching mechanism dominated by hydrophobic interactions. In the analyses conducted at 298 K, the binding constant (Ka) was calculated as ) 11,56 x 105 M-1, indicating that this value lies within the ideal affinity threshold required for effective plasma protein transport. In silico molecular docking and MD validations confirmed that this robust binding occurs within the Site IIA (Sudlow's Site I) pocket, which is the primary drug-transport site of BSA. These comprehensive findings demonstrate that coumarin-based small molecules, characterized by optimized pharmacokinetic profiles and high oral bioavailability potential, possess strong therapeutic potential as next-generation selective allosteric caspase-1 inhibitors capable of overcoming the poor ADME barriers historically associated with peptidomimetic agents.
Benzer Tezler
- Bağırsak hasar modellerinde kemik iliği mezenkimal kök hücre ve bağırsak mezenkimal kök hücrelerin rejeneratif ve immün modülatuvar etkilerinin karşılaştırılması
Comparison of regenerative and immune modulatory effecets of bone marrow and intestinal mesenchymal stem cells i intestinal damage models
BURCU PERVİN
Doktora
İngilizce
2025
BiyolojiHacettepe ÜniversitesiKök Hücre Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FATİMA AERTS KAYA
- İmiquimod ile indüklenen psöriazis fare modelinde loganinin NLRP3 inflamazom aktivitesi üzerinden etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of loganin on NLRP3 inflammasome activity in imiquimod-induced psoriasis mouse model
CAFER TAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Histoloji ve EmbriyolojiVan Yüzüncü Yıl ÜniversitesiHistoloji ve Embriyoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EDA AÇIKGÖZ
- Production of antibacterial biobased blends for biomedical use
Biyomedikal alanlarda kullanılmak üzere antibakteriyel özellikli biyobazlı harmanların eldesi
METE DERVİŞCEMALOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR
- Investigation of il-27 secreting regulatory B cells(i27breg) and i27breg derived exosomes
Il-27 üreten regülatör B hücreleri (ı27breg) veı27breglerden elde edilmiş eksozomların araştırılması
SUDENUR ARSOY
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Allerji ve İmmünolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
PROF. DR. AYÇA SAYI YAZGAN
- Tip 2 diabetes mellitus obez ve non obez hastalarda immünopatolojık mekanizmaların karşılaştırılması
Comparison of immunopathological mechanisms between obeseand non-obese type 2 diabetes mellitus patients
FADWA EMAD ABDALKAREEM ALHAYALI ABDALKAREEM ALHAYALI
Doktora
Türkçe
2021
İç HastalıklarıGazi Üniversitesiİmmünoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞEGÜL ATAK YÜCEL
PROF. DR. ZAİNAB FADHEL ASHOOR