Суперкомпьютерная разработка лекарств – новое...

02.12.2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 1

Суперкомпьютерная разработка лекарствСуперкомпьютерная разработка лекарств – – новое лекарство от тромбозановое лекарство от тромбоза

Владимир Борисович Сулимов Научно-Исследовательский Вычислительный

Центр МГУ


Зачем нужно суперкомпьютерное Зачем нужно суперкомпьютерное молекулярное моделирование?молекулярное моделирование?

• Начальная стадия разработки новых лекарств

• Разработка новых материалов с заданными свойствами

• Моделирование для нанотехнологий


Действие лекарства Действие лекарства

Болезнь

Блокировка работы

активного центра

Белок

Активный Центр Белка

Белок Человека Белок Вируса

Органическая

молекула -

ингибитор


Начальный этап разработки нового лекарстваНачальный этап разработки нового лекарства

Ингибитор

Активный Центр Белка-Мишени

Белок

Поиск ингибиторов для активного центра нужного белка


Стадии разработки Стадии разработки нового лекарстванового лекарства

Разработка базового соединенияLead compound

Доклинические испытания базового соединения на животных

Клинические испытания на людях

Ключевой Ключевой Самый дешевый этап

10-15 лет $ 500 000 000

Начальный этап


Одно соединение становитсяразрешенным лекарством

250 Кандидатов в доклинические испытания

5,000 to 100,000 соединений - перебор

in vitro,in vivo

in silico

или

Стадии разработки нового лекарстваСтадии разработки нового лекарства7-15 Лет! $600-$700 M

Клинические испытания

- 80% проходят фазу I

- 30% проходят фазу II

- 80% проходят фазу III

5 кандидатов – клинические испытания

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Начальнаястадия

III

открытиеключевоговещества

II

I


Существующие методы поиска Существующие методы поиска ингибиторов ведут вингибиторов ведут в тупиктупик !!

Затраты на исследования растут линейно

Число новых лекарств на рынке сокращается

Затраты NMEs NewMolecularEntities

Новые МолекулярныеОбъекты


WATER SOLVENT

белок: тысячи атомов

docking

Слабые межмолекулярныевзаимодействия

Scoring – правильная оценка энергии связывания белок-лиганд

Ключевая программа для дизайна лекарств: программа докинга SOL

лиганды: Десятки атомов

Нужна высокая точность:~ 1 kcal/mol ~ 0.05 eV

Связывание происходит в воде

Взаимодействие лиганда с водой

Взаимодействие Лиганда с белком

Взаимодействие белка с водой

Docking – позиционирование лиганда в активном центре белка

Десятки тысяч лигандов

1 лиганд 1 CPU: 1-10 часов


Оригинальная программа докинга Оригинальная программа докинга SOLSOL

Позиционирование лиганда в активном центре заданного белка-мишени:

– Генетический алгоритм поиска глобального минимума – модель эволюции

– Силовое поле MMFF94

– Активный центр белка в виде набора сеток различных потенциалов – жесткий белок

– Учет десольватации: подсчет баланса взаимодействий: лиганда с растворителем, белка с растворителем, комплекса белок-лиганд с растворителем

– Гибкий лиганд и учет его внутренних напряжений

– Изменение числа вращательных степеней свободы лиганда при связывании


Основная проблема докингаОсновная проблема докинга

NH

NH2+NH2

NH

S

OO N

HCH3

O

N

OO

CH3

Типичный лиганд – ингибитор тромбина – АргатробанТипичный лиганд – ингибитор тромбина – Аргатробан

NH

NH2+NH2

NH

S

OO NH CH3

O

N

OO

CH3

Получаем задачу на нахождение глобального минимума в Получаем задачу на нахождение глобального минимума в

пространстве15+6=21 измерений! Систематический перебор пространстве15+6=21 измерений! Систематический перебор

невозможен.невозможен.


Докинг – задача поиска глобального Докинг – задача поиска глобального минимума энергииминимума энергии

• на многомерной поверхности >10 измерений

• с большим числом локальных минимумов

• Только полный перебор гарантирует нахождение глобального минимума

• Для докинга это невозможно:– Пусть 15 измерений– По каждому измерению 10 точек– Всего 1015 точек – 1015 вычислений энергии связывания


Модель белка – программа SOL_Grid • Белок жесткий• Белок представлен сеткой потенциалов• Сетка потенциалов вычисляется

заранее• Сетка – это набор «сеток» потенциалов

для разных типов атомов и разных типов взаимодействий

• Область докинга – куб размера -101Х101Х101 точек- длина ребра куба: 22 Ангстрем


Программа Программа SOL-GridSOL-Grid


BLUE – NATIVE POSITION FROM PDB

RED – DOCKED POSITION

DOCKING RESULT vs. PDB POSITION (SIALIDASE B, PDB:1A4Q)

RMSD:1.6Å


Положение молекулы лекарства-антикоагулянта (аргатробана) в активном центре тромбина

- Экспериментальные положения атомов

- Положения атомов молекулы после докинга

Высокая точность докинга:RMSD = 1.5 Å


Программный комплекс для поиска новых ингибиторовразработан в НИВЦ МГУ в 2005-2007 гг.

Структура ПК Структура ПК KeenBASEKeenBASE


Схема работы ПК Схема работы ПК KeenBASEKeenBASEВыявление из набора лигандов молекул избирательно

взаимодействующих с белком-мишенью


Вычисления ПК Вычисления ПК KeenBASEKeenBASE

• Распределенные вычисления на основе технологии X-Com

• Апробация докинга с распределенными вычислениями X-Com: несколько городов, до 1120 CPU, докинг одной молекулы от нескольких часов до десяти и больше часов на 1 CPU


МетакомпьютингМетакомпьютинг

Подключение большого количества удаленныхкомпьютеров через Интернет для решения одной задачиГрид-технология X-Com• Тысячи молекул

• Для хорошего качества докинга надо 1 – 10 часов на 1 CPU

• Концентрация вычислительных ресурсов по всему миру


Правильная 3х-мерная структура молекул-Правильная 3х-мерная структура молекул-лигандов – основа успеха поиска ингибиторовлигандов – основа успеха поиска ингибиторов

• До того, как новое соединение синтезировано, невозможно экспериментально определить его 3х-мерную структуру

• Единственный способ a priori определить структуру молекулы - квантовохимический расчет с учетом электронных корреляций

• Высокая точность расчета энергии молекулы ≈ 1 ккал/моль

• Структура молекул правильно рассчитываются только методами квантовой механики (химии)

• Вывод: конструировать лекарства надо с использованием методов квантовой механики (химии)


Связывание 9-аминокислотного эпитопа на поверхности белка главного комплекса гистосовместимости 1 класса (гаплотип HLA-A2)

Презентация эпитопа белком главного комплекса гистосовместимости (MHC) рецептору на поверхности CD8+ T-лимфоцита (TCR).

Предсказание связывания олигопептидных эпитопов с белками главного комплекса гистосовместимости на основе докинга – путь к рациональному компьютерному дизайну вакцин. В том числе вакцин против рака.

эпитоп

Применение докинга для дизайна синтетических вакцин - инновация


Команда разработчиков ингибиторов тромбинаКоманда разработчиков ингибиторов тромбина

• Научно-Исследовательский Вычислительный Центр МГУ имени М.В.Ломоносова – молекулярные дизайнеры, применение суперкомпьютеров

• Институт Органической Химии имени Н.Д.Зелинского РАН, Москва – синтез новых органических соединений

• Гематологический Научный Центр РАМН, Москва – измерение ингибирующей активности новых соединений, биофизики, биохимики

• В.Б.Сулимов, А.Н.Романов, О.А.Кондакова, Е.И.Синауридзе, А.А.Бутылин, И.В.Грибкова, А.С.Горбатенко, А.А.Боголюбов, И.Ю.Титов, Е.В.Полунин, Ю.В.Кузнецов, И.В.Тайдаков, В.В.Воеводин, С.И.Соболев, Ф.И.Атауллаханов

Приглашенный доклад на конгрессе IDDST: International Drug Discovery Science and Technology 7-13 ноября 2007, Xi’an, China


Травмы, отравления, болезни: Травмы, отравления, болезни: переливание кровипереливание крови

Риск тромбоза – образования

тромбов в крови

Капельница - промывание

крови, введение различных растворов.


Актуальность поиска новых ингибиторов Актуальность поиска новых ингибиторов тромбина (постановка задачи)тромбина (постановка задачи)

• Тромбин – основной фермент системы свертывания крови, превращающий растворимый белок плазмы фибриноген в нерастворимый фибриновый сгусток

• Чрезмерное образование тромбина приводит к тромбозам

• Для предупреждения тромбозов в клинике в настоящее время используют только гепарин

• Гепарин (Heparin) ускоряет действие природного ингибитора тромбина ATIII

• Гепарин → ATIII → Ингибирование тромбина


• При низкой концентрации ATIII введение гепарина не подавляет активность тромбина

• В некоторых важных случаях Гепарин не может быть использован (Heparin Induced Thrombocytopenia)

• При недостатке ATIII единственная возможность остановить работу избыточного тромбина – добавить в систему его прямой ингибитор.

• Сейчас существует только один прямой низкомолекулярный синтетический ингибитор тромбина, аргатробан – разрешен к применению в США, Японии, Германии, Франции и др.

Аргатробан:Аргатробан: IC50 = 125 наномолей


Алгоритм разработкиАлгоритм разработки

Докинг молекул из баз данных доступных соединений (синтезированы, их можно купить или

заказать бесплатно)


Открыт и запатентован новый класс прямых Открыт и запатентован новый класс прямых ингибиторов тромбина – основа нового лекарства ингибиторов тромбина – основа нового лекарства

от тромбозаот тромбоза

На разработку понадобилось около 1,5 лет THROMBINTHROMBIN

Ингибирующая активность

новых ингибиторов

IC50=2 наноМоля значительно выше, чем у аргатробана

IC50=125 наноМолей

На рисунке показано положение 4-х новых ингибиторов в активном центре тромбина


Экономия затрат на разработку:Экономия затрат на разработку:

– При экспериментальном поиске пришлось бы синтезировать 6000 новых соединений – кандидатов

– В настоящей работе новый класс ингибиторов был открыт после синтеза 20-ого соединения!

– При экспериментальном переборе всех 6000 кандидатов только на синтез 6000 новых соединений потребовалось бы минимум $6 000 000.

– В настоящей разработке затраты на синтез составили около $ 20 000


Применение суперкомпьютеров для Применение суперкомпьютеров для разработки новых лекарств:разработки новых лекарств:

• Повышает эффективность разработки– Ускоряет стадию разработки lead compound’а– Существенно удешевляет разработку– Повышает разнообразие молекул-кандидатов

в lead compound’ы• Создает основу для регулярной конвейерной

разработки новых лекарств против различных болезней

• Обеспечивает лекарственную безопасность России

• Может привести к существенному удешевлению лекарств


The EndThe End

• …Surely every medicine is an innovation; and he that will not apply new remedies, must expect new evils…

• …Каждое лекарство есть инновация; а кто не хочет применять новые средства, должен ждать новых бед…

Francis Bacon

(1561-1626) OF INNOVATIONS

Мы можем избежать многих новых бед.Надо только, чтобы разработчики лекарств поняли возможностимолекулярного моделирования и использования компьютеров

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/65/Francis_Bacon.jpg


Scheme of the substrate hydrolysis by Scheme of the substrate hydrolysis by thrombinthrombin

АМС

АМС

Thrombin

Fluorogenic substrate

Fluorescent product (AMC)


N

NOH

3 genes for rotations as a whole

3 genes for translations as a whole

4 genes for innerrotations

CROMOSOME

a1

a2

a3

a4

a5

a6

a7

a8

a9

a10

10 ia

Программа докинга SOL PHENOTYPE GENOTYPE

Эволюция популяции особей

Особь – положение лиганда в активном центре белкаОсобь – положение лиганда в активном центре белка


Modified Genetic Algorithm

Matingpool

selectionGeneration N

elite eliteDirect transfer of elite

MUTATIONS

crossover

crossover

Transfer

Directtransfer

CROSSOVER

Generation NEXT

в Mating Pool выбираютсяособи с наилучшей энергиейсвязывания


Surface Generalized BornSurface Generalized Born

Formulation:

ji

ji

ijjiij

ji

outin

pol

c

rr

qqG

, 2

12

2 exp

11

2

1

selfi

i

outini G

q 211

2

1


Surface Generalized BornSurface Generalized Born

Formulation

4,

3

1

ndSr

nrI

n

Snn

40

11

nnn

outin

selfi IAAG


Self-polarization energiesSelf-polarization energies: rigorous PCM vs S-GB: rigorous PCM vs S-GBHIV integrase catalytic domain (2374 atoms). Correlation HIV integrase catalytic domain (2374 atoms). Correlation

coefficient is coefficient is 0.9997070.999707. Maximal deviation is 1.90 kcal/mol. RMS is . Maximal deviation is 1.90 kcal/mol. RMS is 0.319 kcal/mol.0.319 kcal/mol.

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

Gself, calculated by PCM (kcal/mol)

Gs

elf, c

alc

ula

ted

by S

-GB

(kcal/

mo

l)


0 4 8 12 16

0,04

0,08

0,12

0,16

0,20

D450 n

M, o

pti

c u

nit

s

Time, min

Inhibitor HC-019s-IOCconcentration:

0 2.5 nM 25 nM

0 4 8 12 16

0,04

0,08

0,12

0,16

0,20

D450 n

M, o

pti

c u

nit

s

Time, min

Inhibitor HC-019s-IOCconcentration:

0 2.5 nM 25 nM

Присутствие ингибитора замедляетс Присутствие ингибитора замедляетс скорость гидролиза хромогенного скорость гидролиза хромогенного

субстрата тромбиномсубстрата тромбином

0 500 1000 1500 20000

20

40

60

80

100

IC50

=130 nM

Hyd

roly

sis

in

hib

itio

n,

%[HC-018s-IOC], nM

0 500 1000 1500 20000

20

40

60

80

100

IC50

=130 nM

Hyd

roly

sis

in

hib

itio

n,

%[HC-018s-IOC], nM


Коррекция гемодилюционной гиперкоагуляции путем Коррекция гемодилюционной гиперкоагуляции путем введения в ПЗР низкомолекулярного ингибитора введения в ПЗР низкомолекулярного ингибитора

тромбина НС-025тромбина НС-025s-IOCs-IOC

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.00

50

100

150

200

250

300

3501

2

34

ЭТ

П (

60')

, %

Степень разбавления плазмы, раз

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.00

50

100

150

200

250

300

3501

2

34

ЭТ

П (

60')

, %

Степень разбавления плазмы, раз

Концентрация низкомолекулярного ингибитора тромбина в физиологическом растворе:

1 – 0

2 – 0.25 мкМ

3 – 0.5 мкМ

4 – 1.0 мкМ


Изменение ЭТП в плазме крыс после кровопотери и Изменение ЭТП в плазме крыс после кровопотери и переливания им стандартного физиологического переливания им стандартного физиологического раствора или раствора с добавлением ингибитора раствора или раствора с добавлением ингибитора

тромбинатромбина

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

NaCl NaCl + ингибитор 19s

Изм

енен

ие

ЭТ

П,

в %

от

исх

од

но

гоВремя послепереливания:

2 мин 10 мин 30 мин 60 мин

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

NaCl NaCl + ингибитор 19s

Изм

енен

ие

ЭТ

П,

в %

от

исх

од

но

гоВремя послепереливания:

2 мин 10 мин 30 мин 60 мин

Суперкомпьютерная разработка лекарств – новое...

Documents