Geri Dön

In silico design of hERG non-blocker compounds with retained pharmacological activity using multi-scale molecular modeling applications

hERG bloker olmayan farmakolojik aktivitesi korunmuş bileşiklerin çok boyutlu moleküler modelleme uygulamaları ile in siliko tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 485207
  2. Yazar: GÜLRU KAYIK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. NURCAN TÜZÜN, DOÇ. DR. SERDAR DURDAĞI
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya, Chemistry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 161

Özet

Bu tezde, bilgisayar destekli moleküler modelleme metodları kullanılarak, hERG blokörü olan bileşiklerin hERG1 K + iyon kanalları (farklı membran potansiyellerinde açık ve açık-inaktif konformasyonel halleri göz önünde bulundurularak) ve ilgili hedef proteinleri ile olan etkileşimleri moleküler seviyede detaylı olarak incelenmiştir. İn siliko yöntemlerden yararlanılarak, literatürden seçilmiş bazı fosfodiesteraz tip 5 (PDE5) enzim inhibitörlerine yönelik olarak hERG1 kanalları için bağlanma afinitelerinin azaltılması amacı ile rehabilitasyon çalışmaları yapılmıştır. Aynı zamanda, bu bileşiklerin hedef proteinleri ile olan etkileşimlerinin aydınlatılması ve bağlanma enerjilerinin korunmasına yönelik olarak da hesaplamalar yapılmış ve incelemelerin sonuçları tezde sunulmuştur. Protein-ligant moleküler kenetlenme, homoloji modelleme, Alanin mutasyon çalışması, E- Farmakofor modelleme, yapısal ve ligant bazlı olarak sanal molekül kütüphanelerinin çeşitli teknikler ile tarama stratejileri, moleküler dinamik (MD) simülasyonlar, MD sonrası analizler (simülasyon trajektörilerinin detaylı olarak incelenmesi-özellikle apo ve holo sistemlerinin konformasyonal davranışları olmak üzere) ve ligantların kompleks yaptığı proteinlere (hERG1 iyon kanalı ve aynı zamanda PDE enzimlerine karşı olan) bağlanma enerjilerinin tayin edilmesi amacı ile MD sonrası yapılan hesaplamalar ((Moleküler Mekanik Poisson Boltzmann Yüzey Alanı (MM-PBSA) ve Moleküler Mekanik Genelleştirilmiş Born Yüzey Alanı (MM- GBSA)) neticesinde, hERG kanallarının merkez iç bağlanma bölgesinde gerçekleşen ilaç-benzeri küçük moleküller ile etkileşimlerinde rol oynayan önemli bloke edici elementler ve aminoasit rezidüleri ortaya konulmuştur. Aynı zamanda, uygulanan çok kademeli sanal tarama protokolleri sonucunda, bazı ilaç-benzeri moleküller (ana reseptör bağlanma afinitesi korunarak hERG bağlanma afinitesi düşürülmüş) sunulmuştur. hERG K + iyon kanalları, insan kalp karıncığı kas hücrelerinin görev aldığı aksiyon potansiyelinin düzenlenmesi işleminde rol üstlenirler. Bu aşamada, hERG kanalları, hücre içi-dışı iyon konsantrasyon gradientlerinden kaynaklanan hücresel elektriksel potansiyeline bağlı olarak genel olarak üç aşamalı bir konformasyonel aşamadan (açık hal, açık-inaktif hal ve kapalı hal olmak üzere) geçerek potasyum akışını sağlarlar. hERG kanallarının içerisinden gerçekleşen potasyum iyonları akışı, hERG kanallarının sahip olduğu seçici filtrenin (SF) sahip olduğu aminoasit rezidülarının (S624, V625,G626, F627, G628) K + iyonları ve su molekülleri ile oluşturabildiği koordinasyon motifi sayesinde gerçekleşir. Bu potasyum akışı, kalp aksiyon potansiyelinin, I Kr komponentine (geciktirilmiş düzeltici K + akışı hızlı bileşeni) önemli bir katkı yapar. hERG kanallarının ve görev aldıkları akışın doğrudan inhibe edilmesi, ciddi ve ölümcül kalp hastalıklarına (örneğin Torsades de pointes (TdP) ve uzun QT sendromu (LQTS)) neden olabilmektedir. Yıllar içerisinde, yol açtıkları kardiyak aritmiyaları sebebi ile birçok ilaç (bazı antihistaminler, antibakteriyeller, antipsikotikler ve antidepresanlar dahil olmak üzere) piyasadan çekilmiştir ve/veya kullanımları kısıtlandırılmıştır. Bu ilaçlara örnek olarak terfenadine, cisapride, astemizol, thioridazine, haloperidol, sertindole ve pimozide verilebilir. Bu yüzden, FDA (Amerikan Gıda ve İlaç Dairesi) yeni ilaç geliştirme aşamalarında yapılan testlerde ilaçların hERG taramasından geçirilmesini 2007 yılında zorunlu kılmıştır. Tezde, seçilen ilaçlara uygulanan in siliko rehabilitasyon çalışmalarının sonuçları, bu sebeple yeni ve güvenli ilaç tasarım çalışmalarına bir katkı olarak değerlendirilebilir. Bu tezde çalışılan ilaçlar (sildenafil-Viagra TM , vardenafil-Levitra TM , tadalafil- Cialis TM ve vesnarinone)-vesnarinone haricinde (PDE3 inhibitörü)-PDE5 inhibitörüdürler ve erektil fonksiyon bozukluğunu tedavi amacı ile kullanılırlar. PDE enzimleri, insan organizmasında çok geniş doku ve organlara yayılmış ve birçok hastalığın da tedavisinde kullanılan ilaçların etki ettiği ana reseptör olma özelliğine sahiptirler. Bu enzimlerin biyolojik fonksiyonları, substrat (3',5'-siklik guanozin monofosfat (cGMP) ve/veya 3',5'-siklik adenozin monofosfat (cAMP)) bağlanma bölgelerinde gerçekleştirdikleri katalitik degradasyon reaksiyonları üzerinden bu substratların sitoplazmik konsantrasyon seviyelerini düzenlemektir. Bu tezde uygulanan çok kademeli moleküler modelleme teknikleri neticesinde, ilaç olma özelliğine sahip (farmakokinetik özellikleri moleküler modelleme uygulamaları ile tahmin edildikten sonra) yeni ve güvenilir (hERG1 ve PDE5 bağlanma enerjileri moleküler kenetlenme ve MM-PBSA ve MM-GBSA hesaplamaları ile kontrol edilmiştir) PDE5 inhibitörleri olarak tadalafil ve sildenafil benzeri moleküller ortaya konulmuştur. İlaçların, ana reseptörlerine karşı olan bağlanma afinitelerinin korunarak hERG bloke etme özelliklerinin düşürülmesi çalışmalarının yanısıra, PDE6 ve PDE11 enzimlerine karşı olan aktiviteleri de çalışılmıştır. Çünkü, PDE6 ve PDE11 enzimlerinin katalitik kısımlarının PDE5 ile aminoasit sekansı ve 3-boyutlu sekonder yapılarındaki benzerlikleri ve bu benzerliklerin neticesinde ise PDE5 inhibitörü olarak kullanılan ilaçların bu izoenzimlere karşı aktivite gösterdiği bilinmektedir. Bu izoenzimlere karşı olan bağlanma yatkınlığı neticesinde bazı yan etkiler (görme bozukluğu, kas ağrıları, vb.) görülebilmektedir. Özetle, tez süresince, birçok bilgisayar destekli modelleme araçları ile birlikte moleküler modelleme teknik ve yaklaşımlarından yararlanılmış, yeni ve yan etkileri azaltılmış (ana reseptöre olan-PDE5-etki mekanizması korunarak) güvenilir ilaç- benzeri moleküller ortaya konulmuştur. Bununla birlikte, önemli ve kritik protein- ligant etkileşimleri detaylı bir şekilde moleküler düzeyde çalışılmış ve tartışılmıştır. Moleküllerin ve etki ettikleri proteinlerin dinamik özellikleri (zaman içerisindeki konformasyonel değişimleri vb.) uygulanan MD simülasyon teknikleri ve MD sonrası trajektörü analizleri ile ortaya çıkarılmıştır. Bu tez, SCI ve SCI-Expanded indeksinde yeralan dergilerde yayını gerçekleştirilmiş üç adet makalenin derlenmesinden oluşturulmuştur. Yayınlanma tarihlerine göre makalelerin içerikleri ve amaçları şu şekilde detaylandırılabilir: Birinci makalenin konusu; sildenafil, vardenafil ve tadalafil ilaçlarının (FDA onaylı birinci jenerasyon PDE5 inhibitörleri), hedef reseptörleri olan PDE5 enzimi ve hERG1 kanal modelleri (açık ve açık-inaktif halleri) ile etkileşimlerinin birden fazla moleküler kenetlenme programı (esnek, rijit ve indüklenmiş protein-ligand kenetlenme yaklaşımları uygulanarak) kullanılarak incelenmesi, bağlanma özellikleri ve bağlanma enerjilerinin ortaya konulması olarak özetlenebilir. Çalışmanın amacı ise, sildenafil molekülünün fragment-bazlı sanal tarama tekniği kullanılarak belirli bir fragmentin çıkarılıp bu fragment yerine eklenen fragmentler ile oluşturulan bir moleküler sanal kütüphanenin moleküler kenetlenme hesapları ile taranması ve MD simülasyon ile MM-GBSA analizleri neticesinde hERG afinitesi düşürülmüş ve PDE5 aktivitesi korunmuş sildenafil-benzeri moleküllerin açığa çıkarılması şeklinde verilebilir. Ayrıca, hERG kanalının bağlanma bölgesinden seçilmiş bazı aminoasit rezidüleri için sildenafilin bağlanmasına yönelik olarak Alanin mutasyon çalışması da yapılmıştır. Bu aşamadaki amaç hangi amoasitlerin sildenafilin bağlanmasına daha çok katkı yaptığının aydınlatılmasıdır. Seçilen rezidüler teker teker Alanin aminoasit rezidüsüne dönüştürülmüş ve moleküler kenetlenme çalışmaları elde edilen bu mutant hERG kanalları ile tekrarlanmıştır. Ortaya çıkan bulgular (moleküler kenetlenme skorları) ile doğal-tipteki (wild) sonuçlar karşılaştırılmış ve sildenafilin bağlanması bağlamındaki kritik rezidüler açığa çıkarılmıştır. İkinci makalede ise, diğer bir PDE5 inhibitörü olarak kullanılan tadalafil molekülü ele alınmıştır. Geniş bir ilaç-benzeri moleküler veri tabanına ligand-bazlı bir tarama tekniği uygulanarak (Tanimoto benzerlik katsayısı ile MACCS yapısal moleküler parmakizi araçlarının kombine edilmesi vasıtasıyla) tadalafile %80 oranında yapısal benzerlik gösteren moleküller filtrelenmiştir. Filtrenen bu moleküllerin, PDE5, PDE6, PDE11 ve hERG kanallarına esnek moleküler doking çalışmaları yürütülmüştür. Bundan önce, PDE6 ve PDE11 enzimlerinin deneysel üç boyutlu yapılarının henüz keşfedilememesi sebebiyle 3D homoloji modelleri yapılmıştır. Seçilen bazı moleküllerin MD simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Buradaki temel amaç, filtrelenen tadalafil-benzeri moleküllerin PDE5/PDE6 ve PDE5/PDE11 seçiciliklerinin korunabilmesi ve ayrıca bazı hERG afinitesi düşürülmüş moleküllerin önerilmesidir. Bunun için, seçilen moleküller ile hERG kanallarının hem açık hem de açık-inaktif hallerine moleküler kenetlenme çalışmaları yapılmış ve sonuçlar yayınlanmıştır. Üçüncü makalede ise, vesnarinon molekülünün (PDE3 inhibitörü) hERG kanallarının iç boşluk kısmına (açık ve açık-inaktif halleri gözönünde bulundurularak) bağlanması ile ilgili olarak, değişik skorlama fonksiyonları kullanılarak yapılan moleküler kenetlenme çalışmaları sonuçlarının incelenmesi, birbirleri ile karşılaştırılması ve peşinden gerçekleştirilen MD simülasyonların ve MM-PBSA analizlerin yardımı ile vesnarinon molekülünün hERG kanalları ile olan etkileşimlerinin analiz edilmesi ve en olası bağlanma oriyantasyonunun açığa çıkartılması hedeflenmiştir. Elde edilen moleküler kenetlenme skorları, MM-PBSA hesaplamalarından gelen bağlanma enerjileri, simülasyonlardan elde edilen protein- ligant arasındaki Lennard-Jones (van der Waals) ve Elektrostatik (Coloumb) enerjileri ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca her bir simülasyon yörüngesi için yapılan simülasyon süresindeki detaylı ligand/protein RMSD (karekök ortalama sapma değeri) ve PCA (Temel Bileşenler Analizi) analizleri ile elde edilen bulgular detaylandırılmıştır. Buradan elde edilen sonuçlar, hERG-ilaç molekülü etkileşimlerinin daha iyi anlaşılabilmesi, bu bağlamda kritik önem taşıyan aminoasit rezidülerinin aydınlatılması (hem protein-ligant kenetlenme hem de MM-PBSA sonrası yapılan rezidü başına dekompozisyon hesaplamaları vasıtasıyla) ve bunların neticesinde elde edilen bulgular ile beraber uygulanan in siliko modelleme tekniklerinin, hERG bağlanması rehabilite edilmek istenen moleküllere genel anlamda bir örnek teşkil edebilmesi bakımından önem taşıması olarak özetlenebilir.

Özet (Çeviri)

hERG K + ion channels are responsible in the regulation process of the action potential of human ventricular myocyte by contributing the rapid component of delayed rectifier K + current (I Kr ) component of the cardiac action potential. The direct inhibition of hERG channels/current raises cardiac diseases, i.e., serious life- threatening arrhythmias further leading to Torsades de pointes (TdP) and long QT syndrome (LQTS). Various drugs have been withdrawn from the drug markets such as terfenadine, cisapride, astemizol or restricted in their use icluding thioridazine, haloperidol, sertindole, and pimozide due to hERG-related life-threatening cardiac arrhythmias. In this thesis, molecular interactions between human ether-à-go-go-related gene (hERG) blocker compounds and pore domains of hERG1 K + ion channels (in its voltage driven open and open-inactivated conformational states) together with their target proteins were investigated using computational modeling methods. In silico drug rehabilitation studies were conducted for the selected compounds (i.e., some phosphodiesterase 5-type enzyme (PDE5) inhibitors) as well with an aim of reducing their hERG1 blocking affinity while keeping their principal enzymes' activity. Using computational approaches such as homology modeling, protein-ligand docking, Alanine mutagenesis studies, E-pharmacophore modeling, structure- and ligand- based virtual screening strategies (such as rapid screening of drug-like molecular database with molecular similarity approaches and fragment based in silico design of novel compounds using fragment libraries), molecular dynamics (MD) simulations, post-MD analyses via considering the detailed analysis of the trajectories-especially conformational behaviours of both the apo and holo systems-and post-MD computations ((e.g., Molecular Mechanics Poisson-Boltzmann Surface Area and Molecular Mechanics Generalized Born Surface Area (MM-PBSA and MM-GBSA, respectively)) for evaluating the binding energies of the studied ligands towards the hERG channels and also towards PDE enzymes have enabled to get insight into the important blocking elements of hERG channels in terms of drug association with its central inner cavities. Additionally, some drug-like hits (with reduced hERG blocking affinity and kept principal target activity) were presented in the consequence of the multi-step virtual screening protocols. Hence, the consequences of the derived outcomes from this thesis may be helpful in the effort for designing novel and safe drugs. The studied drugs, herein, (e.g., sildenafil-Viagra TM ,vardenafil-Levitra TM , tadalafil- Cialis TM and vesnarinone) are all PDE5 inhibitors used in the treatment of erectyle dysfunction except for vesnarinone which is used as a PDE3 inhibitor). Phosphodiesterase (PDE) type enzymes are important biological elements of human organisms and found in many tissues and organs. Their biological function in human organism is to regulate the cytoplasmic concentration levels of intracellular second messengers, 3',5'-cyclic guanosine monophosphate (cGMP) and/or 3',5'-cyclic adenosine monophosphate (cAMP) via catalytic degradation reactions occuring in their substrate pockets. At the end of the applied multi-scale modeling applications, tadalafil and sildenafil-like molecules having drug-like properties (tested using pharmacokinetic modeling applications) have been identified and proposed as novel and safe potential PDE5 inhibitors. In addition to the hERG direct blocking investigations, selectivity of tadalafil-like hits has also been tested against PDE6 and PDE11 isoenzymes which have been identified as the causes of the side-effects of the used PDE5 inhibitor drugs in the market. In summary, through the duration of this thesis, various computational modeling tools have been utilized and applied in the investigation of novel and safe drugs (with reduced side-effects towards hERG channels and also towards the related PDE- isoenzymes) whilst keeping their principal target activities. Besides, the critical protein-ligand interactions have been illuminated at the molecular level along with the dynamics of the studied drugs and their target proteins. This thesis comprises of three chapters that present three scientific articles that have been published at peer-reviewed journals. In the first article (Chapter 2), various computer aided drug-designing and computational molecular modeling techniques were used for the investigation of the action mechanisms of the FDA approved drugs, sildenafil-Viagra TM , vardenafil- LevitraTM and tadalafil-Cialis TM with their target protein, PDE5 and also hERG1 channels. In addition, fragment-based virtual screening strategy was employed in order to obtain potent and safe sildenafil-like molecules. Second article (Chapter 3) focuses on the development of potent tadalafil-like molecules via combination of ligand-based screening and structure-based modeling protocols. hERG1 binding affinities of the selected compounds together with tadalafil were evaluated via flexible molecular docking computations. In addition, PDE5/PDE6 & PDE5/PDE11 selectivities of the compounds were studied and important structural binding patterns such as the critical residue-ligand interactions were highlighted. Third article (Chapter 4) deals with vesnarinone (used a PDE3 inhibitor agent)-hERG complex systems and time-dependent dynamical behaviour of vesnarinone at the pore domains of hERG channels in its open and open-inactivated states. By the use of molecular docking, MD simulations and detailed post-MD analysis computations, possible binding modes of vesnarinone within the central cavities of the channels were proposed. Also, crucial hERG residues in terms of vesnarinone binding were further highlighted which may help to design safe and novel drug-like molecules. In Chapter 5, overall interpretation of the results and potential further works are briefly presented.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    765710

    Bitkilerde yaygın olarak bulunan bazı antosiyaninlerin anti-diyabetik aktivitelerinin In Silico analizler yoluyla araştırılması

    Investigation of the anti-diabetic activities of someanthocyanins common in plants through in silico analysis

    CİHAN DEMİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    BiyokimyaKilis 7 Aralık Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BEKTAŞ TEPE

  2. Tez No

    491210

    Discovery of novel at1 inhibitors using computational methods

    Hesapsal yöntemler kullanılarak yeni at1 inhibitörlerinin keşfi

    IŞIK KANTARCIOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    BiyomühendislikBahçeşehir Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SERDAR DURDAĞI

  3. Tez No

    876534

    Investigation of the mechanisms of hERG1 blocker toxins as anti-cancer agent with molecular modeling techniques

    Anti kanser ajan olarak hERG1 bloker toksinlerin etkime mekanizmalarının moleküler modelleme teknikleri ile incelenmesi

    BERİL ÇOLAK GÜNAY

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MİNE YURTSEVER

    PROF. DR. SERDAR DURDAĞI

  4. Tez No

    796268

    Kalıtsal huntington hastalığı için aday ilaç moleküllerinin insiliko olarak dizayn edilmesi

    In silico design of candidate drug molecules for heredity huntington disease

    NARMIN MAMMADOVA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    BiyoteknolojiÜsküdar Üniversitesi

    Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. VİLDAN ENİSOĞLU ATALAY

  5. Tez No

    352259

    In silico design of novel and highly selective cyclooxygenase-2 inhibitors

    Bilgisayar destekli ilaç tasarımı kullanarak seçici siklooksijenaz-2 inhibötörü tasarımı

    TUĞBA MEHMETOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    BiyofizikKadir Has Üniversitesi

    Hesaplamalı Biyoloji ve Biyoinformatik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KEMAL YELEKÇİ

Geri Dön