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Dokument 1 - E-Dissertationen der UHH

1. oder Grow Molecules eine Konfiguration erstellt worden sein Quit Beendet das Programm 118 B 1 Grafische Benutzerschnittstelle Qsearch _release Actions Options Molecules EI a og Load Clear Write Align Clip 9 Filter 2 2 name nacophore Pe 1 brics 4k 17 1 32621 471 2 brics_4k 26 1 54428 393 Pharmacophore olecular Properties Name Score i Status Runs Property Value 1 Volume 0 271208 Temperatura undef aa gj Name EE Score undef Ae 4 2 Maximum at 0 2 Acceptor 0 0274539 Al Aromatic 0 00258524 Display none 1 1000 3 Molecular 393 496 4 Ringsystems 5 4 Aromatic 0 29585 skiprun 5 Stereo Cen O 5 Aromatic 0 341242 C Start 6 Max CRTB 2 Abbildung B 1 1 Grafische Benutzerschnittstelle nach dem Start 1 Molek l Liste 2 Pharmakophoreigenschaften 3 Suchkontrolle 4 Molek leigenschaf ten 5 3D Anzeige 119 D Benutzerhandbuch B 1 2 Men punkt Options Hier lassen sich Optionen f r die 3D Darstellung ver ndern Es ist m glich Wasserstof fatome auszublenden und die Hintergrundfarbe zu ver ndern Dar ber hinaus sind hier Versionsinformationen des Programms einsehbar B 1 3 Molek l Liste In der Molek l Liste wird eine Menge von Molek len verwaltet Wenn eine Suche l uft werden die Ergebnismolek le hier angezeigt Mit der Liste kann ber verschiedene Me thoden interagiert werden Klicken ein
2. Daher wurde ein Satz an schnellen Ablehnungskriterien erstellt um Modifikationen die in solchen Molek len resultieren schnell zur ckzuweisen So kann die aufwendige Aus richtung an dem Pharmakophor bersprungen werden was einen positiven Einfluss auf die Geschwindigkeit des Programms hat Die Kriterien die f r die schnelle Ablehnung Anwendung finden sind hier zusammengefasst und werden sowohl in Bezug auf ihre Relevanz und ihre Berechnung erl utert Volumen Die Gr e der Molek le wird ber das Volumen in benutzerdefinierten Gren zen gehalten Es wird wie in Abschnitt 4 5 beschrieben ber die NAOMI Atomtypen berechnet so dass keine Koordinaten f r die Berechnung notwendig sind Der Aufwand Zus tzliche Modifikationen auf der Ebene von funktionellen Gruppen werden im Entdekorierungs schritt durchgef hrt vgl Abschnitt 5 4 3Dabei hat es sich als praktikabel erwiesen die relativen H ufigkeiten des Hinzuf gens und des Entfer nens von Fragmenten gleich zu halten da ansonsten die Molek le stetig anwachsen beziehungsweise schrumpfen 47 5 Methoden der Ausrichtung von Molek len an den Pharmakophor w chst quadratisch mit der Gr e der Molek le Daher ist es w nschenswert Molek le zu berspringen die ohnehin zu gro f r das geforderte Volumen sind Zu kleine Molek le werden vom Benutzer in der Regel als nicht relevant betrachtet da mithilfe des Pharmakophorvolumens implizit auch die Gr e der erwa
3. 7 Zusammenfassung und Ausblick In dieser Arbeit wurde eine neue Methode f r virtuelles de novo Design von Wirkstoffen vorgestellt und die breite Anwendbarkeit der Methode anhand von vier Anwendungssze narien gezeigt Im folgenden werden sowohl die Methodik als auch die erzielten Ergebnis se abschlie end zusammengefasst und kritisch beleuchtet In dem darauf anschlie enden Ausblick sind interessante und verfolgenswerte Aspekte des de novo Designs zusammen getragen die sich w hrend der Forschungsarbeiten ergeben haben aber au erhalb der Dom ne der durchgef hrten Arbeiten befinden 7 1 Zusammenfassung Methodik Die unter dem Namen Qsearch vorgestellte Methode ist die einzige vollst ndige Beschrei bung eines Ansatzes in dem stochastische Verfahren verwendet werden um chemische Fragmentr ume mithilfe von Pharmakophoren zu durchsuchen Die herausragenden Vor teile der verwendeten Konzepte sind im folgenden aufgef hrt Verwendung eines Pharmakophors e Die Beschreibung der f r die molekulare Erkennung notwendigen Eigenschaften mithilfe eines dreidimensionalen Pharmakophors ist unabh ngig von der Topologie der Molek le die f r seine Erstellung herangezogen wurden Dies ist eine gute Grundlage f r das Erzeugen neuartiger Grundger ste ohne durch die Strukturen von bekannten Molek len voreingenommen zu sein e Das Pharmakophorkonzept ist in der medizinischen Chemie weit verbreitet und stellt durch seine intuitive For
4. b Abbildung 4 3 1 Ein Pharmakophor fiir die Interaktion mit einem Proteinriickgrad cy an und zwei verschiedene molekulare Fragmente die ihn erfiillen a ist ein erw nschtes Fragment da die Richtung der Interaktion eine Was serstoffbr ckenbindung erlauben w rde b ist ein eher unerwartetes Fragment da die beiden Pharmakophormerkmale von verschiedenen Atomen erf llt werden Endpunkt einer Interaktion bezieht Ein elektronisches Pharmakophormerkmal ist dann erf llt wenn ein entsprechender Punkt in ihm liegt Eine Zusammenstellung der model lierten Eigenschaften und ihren korrespondierenden molekularen Motiven ist in Tabelle 4 1 aufgef hrt Einen Spezialfall im implementierten Pharmakophormodell stellt die Modellierung der hydrophoben Eigenschaften dar In Qsearch werden Atome als hydrophob angesehen wenn sie keine Formalladung tragen und weder Wasserstoffbr ckendonor noch akzeptor sind Ein hydrophobes Pharmakophormerkmal ist dann erf llt wenn mindestens ein hy drophobes Atom in ihm liegt und dort gleichzeitig kein polares Atom vorhanden ist Eine ausf hrliche Diskussion der Handhabung von hydrophoben Pharmakophormerkma len findet sich in Abschnitt 6 5 1 4 3 3 Verkn pfung von Pharmakophormerkmalen Um die Richtung einer gew nschten Interaktion mithilfe eines Pharmakophors zu defi nieren reicht es nicht aus zwei voneinander unabh ngige Merkmale zu verwenden So k nnten zwei Pharmakophormerkmale die einen Start
5. den sie verursachen w rden Daher werden verschiedene Techniken eingesetzt um den Raum auf relevante Bereiche zu beschr nken Als vorteilhaft hat sich hierbei die Verwendung von chemischen Fragmentr umen vgl Abschnitt 2 5 erwiesen 34 Sie beschr nken den Suchraum auf Molek le die sich durch die Verkn pfung von vorgegebenen Fragmenten erstellen lassen Bei einer intelligenten Fragmentauswahl l sst sich so der Raum auf einen Teilbereich reduzieren dessen Mo lek le durchschnittlich wirkstoff hnlicher und leichter synthetisierbar sind als bei einer rein zuf lligen Auswahl 32 43 Alternativ zur Reduktion des Suchraums kann auch die Fragestellung eingeschr nkt werden Anstatt komplette Molek le zu konstruieren wird so zum Beispiel nur ein zen trales Strukturelement nach bestimmten Kriterien ausgetauscht wobei die Seitenketten fixiert bleiben 24 Bis vor kurzem wurde dieser Ansatz vor allen Dingen durch die manuel len Kombination und Interpretation verschiedener Methoden umgesetzt 23 bekam aber durch den Einsatz von geometrisch indizierten Fragmentdatenbanken 40 einen neuen Schub Genauso kann der umgekehrte Ansatz verfolgt werden und ein zentrales Grund ger st so mit Seitenketten dekoriert werden dass m glichst gute Interaktionen mit der Zielstruktur ausgebildet werden 44 Dieser Ansatz findet insbesondere in Verbindung mit den Methoden der kombinatorischen Chemie im Bibliotheksdesign Anwendung 45 Als organ
6. nur einfache Mutationen der einzelnen Molek le m glich sind sondern auch sogenannte Crossover Operationen bei denen zwischen den Individuen innerhalb einer Population Informationen ausgetauscht werden 63 Mithilfe von Flux wurden unter anderem neuartige Molek le mit Aktivit t gegen HI Viren vorhergesagt die auch experimentell validiert wurde 64 Des weiteren konnte mit dem Programm auch eine neue Leitstruktur f r das Blockieren von Kalium Kan len vorhergesagt werden die ebenfalls in vitro best tigt wurde DS 3 4 2 NovoFLAP In Kooperation mit der Firma Tripos hat die Firma AstraZeneca das Programm NovoFLAP entwickelt Es liefert offenbar gute Ergebnisse 65 befindet sich aber nur im internen Ein satz weswegen die verwendete Methodik nicht im Detail beschrieben wurde NovoFLAP kombiniert die Anwendung eines evolution ren Algorithmus um Fragmentr ume zu durch suchen mit einer flexiblen Ligandausrichtung um die Fitness der einzelnen Teill sungen zu bestimmen Die Suche in dem Fragmentraum wird mithilfe des Programms EA Inventor durchgef hrt und die Bewertung der Teill sungen mithilfe des Programms FLAP Um ein Molek l zu bewerten das im Verlauf der Optimierung erzeugt wurde verwen det FLAP einen zweiphasigen Algorithmus In der ersten Phase kommen die externen Programme Omega und ROCS zum Einsatz F r jedes erzeugte Molek l wird durch Daylight Chemical Information Systems Inc Irvine CA USA www dayligh
7. o WDI BRICS 4k BRICS_4k BRICS 9k BRICS_ 20k 2 80 B D 5 60 I o _ 40 L oO OH 20 L N o 04 H A 0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3 Heteroatome b Verteilung von Heteroatomen in aromatischen Sechsringen Ringe mit mehr als drei Heteroatomen sind ausgelassen da sie nur selten vorkommen Die Verteilung ist ann hernd identisch mit der im WDI 5 6 5 6 BRICS_4k BRICS 4k BRICS 9k BRICS 20k Prozent der Ringe 5 6 5 6 5 6 Gr e der Ringe c Verteilung der Ringe in dem WDI und den Fragmentr umen Abbildung 6 1 4 Analyse der Eigenschaften von Heterozyklen in verschiedenen Frag mentr umen 76 6 2 COX 2 Inhibitoren starke Uberreprasentation von Ringen mit zwei oder mehr Heteroatomen vorhanden ist die sich so in den Ergebnissen wiederfindet Im Vergleich dazu ist die Verteilung bei den Sechsringen ann hernd gleich Im Zuge dieser Analyse wurde zus tzlich die Verteilung von F nf und Sechsringen in den Fragmenten erforscht wobei sich herausstellte dass innerhalb dieser Fragmente die F nfringe viel st rker repr sentiert sind als im WDI Abbildung 6 1 4 W hrend dort 15 7 der Ringe f nf Atome haben sind es in den BRICS R umen ber 30 Konsequenzen F r Qsearch ergeben sich aus den gefundenen Verteilungen bei den Heterozyklen in den Fragmentr umen zwei Folgen Zum einen entspricht das Verh ltnis von F nf und Sechsringen in den L sungen nicht dem das man bei Wirkstof
8. und Endpunkt definieren jeweils von verschiedenen Molek lteilen erf llt werden wenn dies nicht explizit vorgegeben ist vgl Abbildung 4 3 1 Um diesen Fall zu vermeiden k nnen Merkmale verkn pft wer den wodurch gefordert wird dass sie von Interaktionen erf llt werden m ssen die den 39 4 Modellierung gleichen Startpunkt teilen Prinzipiell lassen sich nur Pharmakophormerkmale vom gleichen Typ verkn pfen Eine Ausnahme bilden die Merkmale die Ladungen definieren Negative Ladungen k nnen mit Akzeptor Richtungen und positive Ladungen mit Donor Richtungen kombiniert werden Dies spiegelt die Definition eines geladenen Amins oder einer geladenen Carbons ure mitsamt ihren Ausrichtungen wider Die Anzahl der Merkmale die verkn pft werden k nnen ist nicht auf zwei beschr nkt Ein h ufiges Beispiel ist die Verkn pfung eines Akzeptor Zentrums mit zwei Akzeptor Richtungen um die Position einer Carbonylgruppe zu beschreiben In diesem Fall k nnen nur Atome die mindestens zwei freie Elektronenpaare besitzen dieses kombinierte Merk mal erf llen 4 4 Molekulare Flexibilit t und Konformationen Molek le haben in der Regel keine starren Form sondern zeichnen sich durch geometri sche Flexibilit t aus An sogenannten rotierbaren Bindungen k nnen sich Molek lteile gegeneinander verdrehen wodurch eine Menge an m glichen dreidimensionalen Formen den sogenannten Konformationen f r ein Molek l entsteht Dabei
9. 15 20 25 15 20 25 15 20 25 transf 5 grd transf 10 grd transt 15 grd 1 2 5 10 grd 1 2 5 15 grd 1 2 5 20 grd s s s 10 e 2 e 10 S S S S 2 25 50 75 25 50 75 25 50 75 i 15 20 25 15 20 25 15 20 25 K E SS 1 Iteration V l n r maximale Rotation b 2 Iteration V Ln r max Torsionswinkel V o n u Verteilung zwischen Torsions nde V o n u Verh ltnis zwischen Torsions nde rungen und Transformationen y Anzahl rungen und Transformationen y Starttem Schritte x kalt nach peratur x kalt nach 4 1 0 2 1 1 0 4 1 1 0 6 10grd 10 grd 10grd 15 grd 10 grd 20 grd s s amp 3 a R 8 D S 2 S 8 40 40 tao vm mm 300 1400 1600 1300 1400 1500 1000 1250 1500 1 1280 150 1000 1250 1500 1 2 0 2 1 2 0 4 1 2 0 6 15 grd 10 grd 15grd 15 grd 15 grd 20 grd P 20 x0 g g 8 H D 2 2 2 2 1 vm 1600 300 14001500 1300 1400 1500 1000 1250 1500 mooo 1280 150 1000 1250 1500 1 3 0 2 1 3 0 4 1 3 0 6 20 grd 10 grd 20 grd 15 grd 20 grd 20 grd i a D f 7 10 g R R 5 D 2 1300 1400 1500 1300 1400 1500 1300 1400 1500 s 1000 1250 1500 1000 1250 1500 1000 1250 1500 y c 3 Iteration V l n r max Translation d 4 Iteration V l n r max Rotation V o n u Verh ltnis zwischen Translation V o nn u max Torsions nerung y und Rotation y kalt nach x Anzahl Op Starttemperatur x Anzahl Optimierungs timierungsschritte schritte Ab
10. 27 GILLET V A P JOHNSON P MATA S SIKE und P WILLIAMS SPROUT a program for structure generation Journal of Computer Aided Molecular Design 7 2 127 153 1993 25 CLARK D E D FRENKEL S A Levy J Li C W Murray B ROBSON B Waszkowycz und D R WESTHEAD PRO LIGAND an approach to de novo molecular design 1 Application to the design of organic molecules Journal of Computer Aided Molecular Design 9 1 13 32 1995 25 TEODORO M und I MUEGGE BlIBuilder Exhaustive Searching for De Novo Ligands Molecular Informatics 30 1 63 75 2011 25 31 45 98 PIERCE A C G RAO und G W BEMIS BREED Generating novel inhibitors through hybridization of known ligands Application to CDK2 p38 and HIV pro tease Journal of Medicinal Chemistry 47 11 2768 2775 2004 25 99 Maass P T SCHULZ GASCH M STAHL und M RAREY Recore a fast and versatile method for scaffold hopping based on small molecule crystal structure con formations Journal of Chemical Information and Modeling 47 2 390 399 2007 26 34 70 BLUM L C und J L REYMOND 970 million druglike small molecules for virtual screening in the chemical universe database GDB 18 Journal of the American Chemical Society 131 25 8732 8733 2009 26 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 A Literaturverzeichnis BOHACEK R S C MCMARTIN und W C GUIDA The art and practice of structure based drug design a molecular m
11. 30 31 und von verschiedenen Gruppen weitergef hrt und verfeinert 26 32 Ein chemischer Fragmentraum besteht aus einer Menge von chemischen Fragmenten mit definierten Verkn pfungspunkten und einem Satz an Regeln nach denen diese zu sammengef gt werden k nnen Implizit wird so in einer kompakten Form eine Menge an m glichen Molek lstrukturen definiert die durch das Verkn pfen der Fragmente nach 23 2 Grundlagen den dazugeh rigen Regeln entstehen k nnen Eine entsprechende Auswahl der Verkn p fungsregeln kann im Vergleich zu atombasierten Verfahren die Synthetisierbarkeit der erzeugten Molek le erh hen und die Zusammenstellung der Fragmente die Wirkstof f hnlichkeit verbessern 32 Die meisten Methoden verwenden Fragmentr ume nur als kompakte Beschreibung von chemischen R umen die sie in der Regel enumerieren oder mithilfe von stochastischen Algorithmen durchsuchen Algorithmisch zieht nur FTrees FS 29 Vorteile aus der kombinatorischen Natur der Fragmentr ume Die N tzlichkeit von chemischen Fragmentr umen in der computergest tzten Wirk stoffforschung wurde in vielen Studien gezeigt Sie werden h ufig im de novo Design eingesetzt und haben den atombasierten Ansatz praktisch abgeldst 33 Eine aktuelle bersicht ber aktuelle Anwendungsbeispiele von Fragmentr umen kann zum Beispiel in 34 gefunden werden 24 3 de novo Design In diesem Kapitel wird das Feld des de novo Designs in der virtuellen Wirk
12. 5 Hydroxytryptamin 1B Rezeptor ist im zentralen Nervensystem lokalisiert Seine Inhibition er h ht indirekt die Produktion von Osteoblasten die in der Knochenproduktion involviert sind 68 Eine erh hte Aktivit t hingegen wird mit Depressionen und dem Hang zum Drogenmissbrauch in Verbindung gebracht 69 31 3 de novo Design fensuche wobei die generierten Molekiile aus maximal drei Fragmenten bestehen Um mit der kombinatorischen Explosion umzugehen werden zwei Strategien angewendet die Reduktion der Berechnungskomplexit t einerseits und eine fr he Einschr nkung des Suchraums durch das Verwerfen von Teill sungen die bestimmte Kriterien nicht erf llen andererseits Der Algorithmus zum Aufbau der Molek le verf hrt folgenderma en Jedes Eingabe fragment wird in allen m glichen Orientierungen innerhalb des Pharmakophors als Start punkt platziert Diese Startplatzierung dient als Ausgangspunkt fiir das weitere Wach sen des Molek ls An allen Ankn pfungspunkten dieses Fragments werden alle erlaubten Fragmente in verschiedenen Orientierungen angebaut wobei ihre Konformationen jeweils mithilfe des Programms Omega berechnet werden Nach jedem Anbauschritt werden die Teill sung bewertet und gegebenenfalls verworfen Die Laufzeit der Gesamtmethode ist relativ hoch und bewegt sich zwischen 500 und 72 000 Computerstunden Die Komplexit t der Berechnungen wird dadurch reduziert dass s mtliche Teill sun gen nur mit einem dreidim
13. 982 1300 15 10 0 4 20 53 6 17 9 28 6 a Simulated Annealing b Konformations nderungen Tabelle D 3 Parameters tze f r die Parametrisierungsstudie im zweiten Lauf 126 Tierart o n kalt max max max Rot Trans Tors Rot Trans Tors 20 0 0 990 1300 25 15 0 2A 15 35 7 35 7 28 6 20 0 0 988 1300 20 15 0 4A 15 35 7 35 7 28 6 20 0 0 984 1300 15 15 0 6 15 35 7 35 7 28 6 20 0 0 991 1400 25 15 0 2 15 47 6 23 8 28 6 20 0 0 989 1400 20 15 0 4A 15 47 6 23 8 28 6 20 0 0 985 1400 15 15 0 6 15 47 6 23 8 28 6 20 0 0 992 1500 25 15 0 2 15 53 6 17 6 28 6 20 0 0 990 1500 20 15 0 4A 15 53 6 17 6 28 6 20 0 0 986 1500 15 15 0 6 15 53 6 17 6 28 6 a Simulated Annealing Tabelle D 4 Parameters tze f r die Parametrisierungsstudie im dritten Lauf b Konformations nderungen Tstart Qa n kalt max max max Rot Trans Tors Rot Trans Tors 15 0 0 981 1300 25 10 0 4A 10 50 0 166 33 3 20 0 0 984 1300 20 10 0 4A 15 50 0 166 33 3 25 0 0 986 1300 15 10 0 4A 20 50 0 166 33 3 15 0 0 989 1400 25 10 0 4A 10 50 0 16 6 33 3 20 0 0 988 1400 20 10 0 4A 15 50 0 166 33 3 25 0 0 987 1400 15 10 0 4A 20 50 0 166 33 3 15 0 0 991 1500 25 10 0 4A 10 50 0 166 33 3 20 0 0 990 1500 20 10 0 4A 15 50 0 16 6 33 3 25 0 0 989 1500 15 10 0 4A 20 50 0 16 6 33 3 a Simulate
14. A_ a 1 88855A_c_c 1 S9151A 1 90036F 8 Tabelle D 1 Komplexe aus dem Datensatz von Chan und Labute 89 die zur Parame trisierung der Ausrichtung verwendet wurden 125 D Anhang f r die Parametrisierung der Ausrichtung D eg a n kalt max max max LG Rot Trans Tors Rot Trans Tors 20 0 0 986 700 25 15 0 4A 15 37 5 12 5 50 0 20 0 0 990 700 50 15 0 4 15 25 0 8 3 66 7 20 0 0 994 700 75 15 0 4A 15 50 0 16 7 33 3 20 0 0 990 1000 25 10 0 4A 15 37 5 12 5 50 0 20 0 0 993 1000 50 10 0 4 15 25 0 8 3 66 7 20 0 0 995 1000 75 10 0 4A 15 50 0 16 7 33 3 20 0 0 992 1300 25 5 0 4 15 37 5 12 5 50 0 20 0 0 995 1300 50 5 0 4 15 25 0 8 3 66 7 20 0 0 997 1300 75 5 0 4 15 50 0 16 7 33 3 a Simulated Annealing b Konformations nderungen Tabelle D 2 Parameters tze f r die Parametrisierungsstudie im ersten Lauf Tease a n kalt max max max Rot Trans Tors Rot Trans Tors 10 0 0 993 1300 25 10 0 4 10 45 0 15 0 40 0 20 0 0 990 1300 25 10 0 4 15 45 0 15 0 40 0 30 0 0 989 1300 25 10 0 4 20 45 0 15 0 40 0 10 0 0 991 1300 20 10 0 4 10 50 0 16 7 33 3 20 0 0 988 1300 20 10 0 4 15 50 0 16 7 33 3 30 0 0 986 1300 20 10 0 4 20 50 0 16 7 33 3 10 0 0 988 1300 15 10 0 4 10 53 6 17 9 28 6 20 0 0 984 1300 15 10 0 4 15 53 6 17 9 28 6 30 0 0
15. Anzahl von Heteroatomen in aromatischen Ringen 5 4 1 Identifikation und Eliminierung entbehrlicher funktioneller Gruppen Der erste Teil des Verfahrens um Molek len zu entdekorieren ist die Eliminierung ent behrlicher terminaler funktioneller Gruppen Dieser Schritt dient mehreren Zwecken Zum einen k nnen Molek le bei denen funktionelle Gruppen entfernt wurden die sterischen Vorgaben des Pharmakophors besser erf llen da sie kleiner sind So ist denkbar dass es f r ein Molek l erst m glich wird einen Pharmakophor zu erf llen nachdem aus der erlaubten Form herausstehende funktionelle Gruppen entfernt worden sind Zum ande ren verbessert der Schritt die Akzeptanz der L sungen bei den Anwendern was einerseits durch das Entfernen von funktionellen Gruppen die nicht f r den Pharmakophor not 56 5 4 Nachtr gliche Entdekoration von Molek len wendig sind erreicht wird und andererseits durch das Entfernen von ungew hnlichen Resten die durch das Verkn pfen von Fragmenten entstehen Das Entfernen der funktionellen Gruppen wird in einem iterativen Verfahren vorge nommen Jede terminale funktionelle Gruppe wird daraufhin berpr ft ob sie f r die Erf llung eines Pharmakophormerkmals ben tigt wird und andernfalls aus dem Molek l entfernt Dieser Schritt wird f r jedes Molek l so lange wiederholt bis keine funktionelle Gruppe mehr entfernt werden kann Dadurch werden auch zusammengesetzte Gruppen wie zum Beispiel
16. CH T T T T T T 0 500 1000 1500 2000 2500 2D Volumen in Abbildung 4 5 2 Vergleich zwischen dem Volumen das mithilfe der Atomtypen berech net wurde und dem Volumen das geometrisch bestimmt wurde 43 4 Modellierung 4 Vaw M S vdw a 5 92B 17 4R 3 8Rya aeM Als Testdatensatz wurde der WDI Datensatz aus 2008 verwendet der 4295 Mole k le enth lt f r die mit dem Programm CORINA 80 3D Koordinaten erstellt wurden Auf dieser Basis wurde das Volumen geometrisch 77 mittels der NAOMI Atomtypen und der Formel nach Zhao berechnet In Abbildung 4 5 2 sind die Abweichungen der je weiligen Methode von der geometrischen Berechnung aufgetragen die als Vergleichswert verwendet wurde Es ist ersichtlich dass die Vorhersage auf Basis der NAOMI Atomtypen weitaus weniger Abweichung von den geometrisch ermittelten Werten mit sich tr gt und dar ber hinaus eine geringere Varianz bei den Abweichungen aufweist Folglich wurde f r die Volumenberechnung in Qsearch dieser Ansatz ausgew hlt World Drug Index Thomson Philadelphia PA USA 44 5 Methoden In diesem Kapitel werden die Methoden beschrieben die im Rahmen des Projektes zum Einsatz gekommen sind Daf r wird zuerst ein allgemeiner berblick ber den Arbeits ablauf in Qsearch gegeben und daraufhin auf spezifische Teilaspekte der Gesamtmethode eingegangen 5 1 Allgemeiner berblick ber die Methode In der Literatur f r das de novo De
17. GASTEIGER J C RUDOLPH und J SADOWSKI Automatic generation of 3D atomic coordinates for organic molecules Tetrahedron Computer Methodology 3 6 Part 3 537 547 1990 42 44 SCHNEIDER G M L LEE M STAHL und P SCHNEIDER De novo design of molecular architectures by evolutionary assembly of drug derived building blocks Journal of Computer Aided Molecular Design 14 5 487 494 2000 45 Dey F und A CAFLISCH Fragment based de novo ligand design by multiobjec tive evolutionary optimization Journal of Chemical Information and Modeling 48 3 679 690 2008 45 KIRKPATRICK S C D GELATT und M P VECCHI Optimization by Simulated Annealing Science New York N Y 220 4598 671 680 1983 45 50 OPREA T I Property distribution of drug related chemical databases Journal of Computer Aided Molecular Design 14 3 251 264 2000 48 WOLBER G und T LANGER LigandScout 3 D pharmacophores derived from protein bound ligands and their use as virtual screening filters Journal of Chemical Information and Modeling 45 1 160 169 2005 49 85 86 95 Hurst T Flexible 83D Searching The Directed Tweak Technique Journal of Chemical Information and Computer Sciences 34 1 190 196 1994 49 PEROLA E und P S CHARIFSON Conformational analysis of drug like molecules bound to proteins an extensive study of ligand reorganization upon binding Journal of Medicinal Chemistry 47 10 2499 2510 2004 49 WEININGER D A
18. PDB 1opj ist ersichtlich dass das zen trale Amid eine Wasserstoffbr ckenbindung mit dem N H des Proteinr ckgrats ausbildet Folglich k nnte das Triazolon des Grundger sts durch ein Imiadzol ersetzt werden das die Donor und Akzeptoratome in der korrekten Position f r das Interaktionsmuster hat Dar ber hinaus k nnte auf Basis der Beobachtung dass sowohl der Pyridin Stickstoff von Imatinib als auch sein benachbarter C H azide Kohlenstoff ebenfalls Wasserstoffbr cken ausbilden der terminale Furanring des generierten Molek ls durch einen 3 substituierten Pyrazolring ersetzt werden um die Interaktionen zu optimieren Fragmenterweiterung Die L sungen des zweiten Experiments wurden dadurch analy siert dass sie in das aktive Zentrum der Tyrosinkinase platziert wurden und mit dem Programm MOE auf Basis der ausgebildeten Interaktionen bewertet wurden Die neun besten L sungen sind in Tabelle 6 3 zu sehen Alle L sungen enthalten ein Ethinyl oder ein Ethinyl mit leichten Modifikationen als Verbindungsst ck welches genau die Er setzung ist die zu Ponatinib gef hrt hat Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich dass mithilfe von Qsearch die acht Fragmente mit einem Ethinylmotiv aus den insgesamt 541 Linker Fragmenten als die geometrisch besten identifiziert werden Die Kristallstruktur von Imatinib ist in Abbildung 6 3 4 mit der f nftplatzierten L sung gezeigt Das gene 91 6 Ergebnisse und Diskussion Abbildung 6 4 1 Der Rev
19. Wirkungs statistisch wirkungen nachweis signifikant Identifikation Generierung von Weiterentwicklung Vorbereitung f r der Zielstruktur Treffern hits zu Leitstrukturen die Klinik Abbildung 2 1 1 Pipeline in der Wirkstoffentwicklung Oben ist die gesamte Pipeline inklusive der klinischen Studien abgebildet unten ist das Fr hstadi um der Forschung in dem neue Substanzen als Wirkstoffkandidaten generiert werden detailliert dargestellt Der Arbeitsablauf ist aus 1 bernommen und graphisch aufbereitet worden Generierung von Treffern Nachdem eine Zielstruktur identifiziert worden ist werden in sogenannten Screening Kampagnen systematisch gro e Mengen an Substanzen expe rimentell auf eine biologische Aktivit t hin berpr ft Eine Substanz die in dieser Phase gefunden wird wird als Treffer oder als hit bezeichnet In diesem Feld werden Methoden des virtuellen Screenings eingesetzt um die experimentellen Methoden zu erg nzen Sie k nnen zum Beispiel dabei helfen Voraussagen ber die potentielle Aktivit t eines Mo lek ls zu treffen Dar ber hinaus spielen computergest tzte Methoden eine gro e Rolle in der Erstellung der chemischen Bibliotheken die in den Screening Experimenten ein gesetzt werden Weiterentwicklung zu Leitstrukturen Sobald hits gefunden wurden wird der chemi sche Raum der sie umgibt extensiv nach Molek len abgesucht die sowohl eine gute Aktivit t als auch gute pharmakokinetische Ei
20. aber erst im letzten Schritt des Algorithmus passiert und NovoFLAP 65 umgeht das Problem dadurch dass es das externe Programm OMEGA verwendet um Konformationen mit regelbasiert zugewiesenen Torsionswinkeln zu erstellen Eine weitere Vereinfachung der Handhabung von Konformationen stellt in Qsearch die vereinfachte Modellierung der Rotierbarkeit an Bindungen dar Doppelbindungen werden von Qsearch als fix angesehen auch wenn an ihnen zwei m gliche Konformationen m glich sind So kann eine Reihe an Konformationen durch den Ausrichtungsalgorithmus nicht erreicht werden Eine aufwendigere Behandlung des Torsionsterms in Qsearch w rde die Qualit t der Ergebnisse dadurch verbessern dass die erzeugten Ergebnisse realistischere Konforma tionen besitzen w rden Daf r ist es denkbar entweder den Term eines Kraftfeldes in der Molek lausrichtungsphase mit heranzuziehen oder auf Basis statistischer Analysen eine Pseudo Energie f r Torsionswinkel zu berechnen die ihre relative H ufigkeit beschreibt Hierf r muss jedoch eine Abw gung zwischen dem Rechenaufwand und den erwarteten Qualit tssteigerungen getroffen werden 6 6 Fragmentr ume und ihre Entdekorierung Der in den Methoden vorgestellte Entdekorierungsschritt hilft Qsearch auch mit stark dekorierten Fragmentr umen umzugehen Allerdings ist dieser Mechanismus nicht f r al le Fragmentr ume gleicherma en geeignet Um die Eignung dieser Methode in Bezug auf die verschiedenen Arten v
21. dass es an der gleichen Position als Akzeptor fungieren kann Nilotinib Nilotinib unterscheidet sich von Imatinib haupts chlich durch die Invertierung des zentralen Amids Diese Invertierung ist in der medizinischen Chemie eine etablierte Technik zur bioisosteren Ersetzung von Amiden 106 da das Sauerstoffatom der Amid gruppe in beiden Orientierungen als Akzeptor fungieren kann In dem Experiment wurde genau diese Invertierung des Amids als m gliche bioisostere L sung erzeugt Die Invertierung des Amids ist als Regel in Qsearch nicht explizit als bioisostere Er setzung formuliert Dass sie trotzdem reproduziert werden konnte zeigt das Potential der Suche mit dreidimensionalen Pharmakophoren in chemischen Fragmentr umen um bioisostere Ersetzungen ohne a priori Wissen zu erzeugen So k nnen durch die Metho de auch nicht offensichtliche bioisostere Ersetzungen generiert werden was eine wichtige Voraussetzung f r Grundger stwechsel darstellt Sorafenib Sorafenib weist im Vergleich zu Imatinib eine Reihe an Modifikationen auf Mit dem Pharmakophor kompatibel sind in diesem Beispiel nur die Ersetzung des Amins durch einen Ether und der Austausch des Amids durch eine Harnstoffgruppe Erstere Ersetzung konnte ohne Probleme reproduziert werden und findet sich als h u figes Muster in den generierten L sungen Allerdings enth lt der Amin Ether Austausch keine relevante Information wenn das Hauptinteresse auf dem Generieren von neuar
22. den jeweiligen Bewertungsfunktionen abgefragt vgl Abschnitt 5 5 4 3 Pharmakophormodell Die Grundlage f r die Bewertung von Molek len in Qsearch stellt ein benutzerdefinierter Pharmakophor dar In diesem Abschnitt werden die elektronischen Merkmale erl utert die in Qsearch verwendet werden um Pharmakophore zu beschreiben Sie basieren auf dem zuvor erl uterten Interaktionsmodell und sind wiederum die Voraussetzung f r die in Abschnitt 5 5 definierte Straffunktion die in den stochastischen Optimierungsalgorith men zum Einsatz kommt 37 4 Modellierung Pharmakophor Zentrum Richtung Akzeptor Schweratom freies Elektronenpaar Donor Schweratom gebundenes Wasserstoffatom Aromatischer Ring Mittelpunkt Normale zur Ringebene Positive Ladung Atom mit Ladung gebundenes Wasserstoffatom Negative Ladung Atom mit Ladung freies Elektronenpaar Hydrophob unpolares Atom Tabelle 4 1 Elektronische Merkmale von Pharmakophoren und ihre Entsprechungen in Molek lstrukturen 4 3 1 Sterische Eigenschaften Die sterische Anteil eines Pharmakophors definiert welchen Raum ein Molek l innerhalb einer Zielstruktur einnehmen darf Er wird in Qsearch ber einen Satz Kugeln modelliert was insbesondere Vorteile im ligandbasierten Design hat wo die erlaubte Form anhand eines oder mehrerer berlagerter aktiver Molek le abgeleitet wird Dabei wird eine Kugel auf jedes Atom platziert und so der Raum bestimmt der f r die Molek le im aktiven Z
23. der Defini tionserstellung 1998 bekannten Methoden geschuldet die sich aller dieser Technik be dient haben Die methodische Pionierarbeit wurde dabei von Programmen wie LUDI 35 SPROUT 36 und PRO LIGAND 37 geleistet Inzwischen haben weitere Methoden wie die ersch pfende Analyse aller Molek le eines Fragmentraums 38 oder die Rekombination von bekannten aktiven Substanzen 39 Einzug in das Repertoire der Methoden gehalten Hervorzuheben ist dar ber hinaus die Fragmentersetzung bei der zentrale Komponenten 25 3 de novo Design von Molek len automatisiert ersetzt werden z B in Recore 40 und die ebenfalls dem Feld des de novo Designs zuzuordnen ist 3 2 Der chemische Raum Die Anzahl an theoretisch m glichen Molek len ist enorm Selbst wenn nur Molek le be trachtet werden die aus den organischen Elementen bestehen und chemisch stabil sind bringt deren Aufz hlung moderne computergest tzte Methoden an ihre Grenzen Das zur Zeit anspruchsvollste Projekt die GDB 13 z hlt genau diese Molek le bis zu einer Gr e von 13 Atomen auf und kam nach knapp 40 000 Stunden Rechenzeit auf knapp unter 10 Verbindungen 41 Die Anzahl der m glichen Molek le mit einer Gr e bis 30 Atomen in diesem Fall ohne die Ber cksichtigung von Chlor steigert sich aufgrund der kombinatorischen Explosion auf gesch tzte 100 42 Ersch pfende Berechnungen auf diesen Bibliotheken verbieten sich allein schon durch den zeitlichen Aufwand
24. die durch diese Entfernung neu ge ffneten Linkatome des Restmolek ls werden durch das Symbol L repr sentiert 61 5 Methoden 5 6 1 Bestimmung der kompatiblen Linktypkombinationen Der erste Schritt ist die Bestimmung der Kombinationen von Linktypen die es einem Fragment erlauben f zu ersetzen Ein Fragment g kann f dann ersetzen wenn es mindes tens die Linkatome besitzt um mit allen Linkatomen des Restmolekiils L entsprechend den Regeln des Fragmentraums verkn pft werden zu k nnen Dabei muss beachtet wer den dass ein Linkatom des Restmolek ls zu mehreren anderen Linktypen kompatibel sein kann Die Erzeugung aller m glichen Kombinationen aus einem Satz von m glichen Elemen ten ist ein bekanntes Problem dessen L sung in Algorithmus M mixed radix genera tion von Knuth 92 beschrieben wird Der folgende Algorithmus 5 1 basiert auf dieser L sung und adaptiert sie f r das vorliegende Problem Der Algorithmus generiert das kartesische Produkt aller Mengen von Linkatomen die jeweils zu einem Atom in L kom patibel sind 5 6 2 Verwendung eines Bitmapindexes f r Fragmentraumanfragen Nachdem mit dem oben aufgef hrten Algorithmus 5 1 die Kombinationen von Linktypen bestimmt wurden die ein Fragment besitzen muss um f ersetzen zu k nnen m ssen alle Fragmente aus dem Fragmentraum gefunden werden die eine dieser Kombinationen von Linkatomen besitzen Eine naive Implementation dieser Suche w rde ber alle Frag
25. die Linktypen der Linkatome von f enth lt Die Instantiierung eines neuen Vektors wird durch eckige Klammern dargestellt Die Funktion KOMP 1 liefert die zu l kompatiblen Linktypen als Vektor function GENERIEREKOMPATIBLELINKKOMBINATIONEN LinktypVektor m ke j ae j r lt gt Kompatibilit ten Arbeitsvektor R ckgabewert for in m do k ErweitereUm KoMP l gt Sammeln der kompatiblen Linktypen a ErweitereUm 0 gt Arbeitsvektor mit m mal 0 initialisieren end for while true do ce gt Zusammenstellen der aktuellen Kombination an Linkatomen for i 1 m do c ErweitereUm kf i a 1 end for r ErweitereUm c j ml l while alj k j do gt bertrag wenn n tig alj 0 ee if j 0 then gt Abbruch wenn alle Kombinationen erzeugt wurden return r end if end while alj alg 1 gt Erzeugen der n chsten Kombination end while end function Linkatome Typ l Linkatome Typ la Linkatome Typ lk gt 1 gt 2 m gt 1 gt 2 m gt 1 gt 2 m fi 1 1 1 1 fe 1 1 1 1 1 1 fn 1 1 1 1 1 Tabelle 5 1 Aufbau des Bitmapindexes In den Spalten ist die Anzahl der Linktypen durch ein Bit repr sentiert Voraussetzung ist die Nummerierung der Link typen im Fragmentraums von l bis l und die Nummerierung der Fragmente von f bis fn F r ein Fragment f ist in der Zeile 7 das Bit in der Spal te Et 1 m d d gt 0 gesetzt wen
26. es als L sung ausgegeben 5 2 Modifikation von Molekiilen und schnelle Ablehnung der Pharmakophor erfiillt werden kann wird die Modifikation entweder akzeptiert und als Grundlage f r den n chsten Schritt verwendet oder abgelehnt wobei der n chste Schlei fendurchlauf dann mit dem Molek l aus der letzten Iteration erneut durchgef hrt wird Wenn ein Molek l gefunden wird das alle Pharmakophorbedingungen erf llt so wird es als L sung ausgegeben Der Algorithmus bricht ab sobald eine vorgegebene Anzahl an Schleifendurchl ufen ausgef hrt worden ist 5 2 Modifikation von Molek len und schnelle Ablehnung In dem von Qsearch verwendeten Algorithmus werden kontinuierlich neue Molek le aus Teill sungen erzeugt Daf r wird ein Satz an Operationen verwendet mit denen Mo difikationen an Molek len durch die Ver nderung ihrer zugrunde liegenden Fragmente durchgef hrt werden 7 Die Operation die in jedem Schritt konkret durchgef hrt wird wird jeweils zuf llig bestimmt wobei die relative H ufigkeit der einzelnen Operationen frei eingestellt werden kann Ein Molek l kann durch folgende Operatoren ver ndert werden Hinzuf gen An einem freien Linkatom des Molek ls wird ein Fragment hinzugef gt Entfernen Ein terminales Fragment des Molek ls wird entfernt Ersetzen Ein beliebiges Fragment des Molek ls wird durch ein anderes ersetzt Nicht jedes Molek l ist f r alle Pharmakophore interessant und oder wirkstoff hnlich
27. f r jedes Atom ber d a s die Distanz zur n chsten Kugel berechnet mit der die Form beschrieben worden ist Wenn ein Atom in einer Kugel liegt ist die Distanz als 0 definiert Dal S 3 min d a s se S aeM Die Strafe f r die Nichterf llung von elektronischen Pharmakophormerkmalen wird in der Funktion pei M el P berechnet Die Gesamtstrafe wird ber alle einzelnen Merk male aufsummiert wobei jeweils nur der Wert zu der Interaktion mit der minimalen Strafe betrachtet wird Pei M el P y Dam E Sch li ia M e gi eck ia M e liefert die Interaktionen eines Molekiils M die zu einem Pharmakophormerk mal e kompatibel sind d i e liefert die Distanz eines Interaktionspunktes i zu dem Mittelpunkt des Pharmakophormerkmals e und r e seinen Radius Die Strafe f r die hydrophoben Merkmale setzt sich aus zwei Komponenten zusammen Zum einen wird mit Phya nya M H bestraft wenn sich kein hydrophobes Atom innerhalb des Merkmals befindet und mit Phya poi M H alle hydrophilen Atome bestraft die innerhalb des Merkmals liegen Phya M H prya nya M H Phya poi M H 60 5 6 Suche nach kompatiblen Fragmenten beim Ersetzungsschritt Phya hya M H errechnet sich analog zu pa M E nur dass statt der Koordinaten der Interaktionen die der hydrophoben Atome verwendet werden 2 Phya nya M H X min de vgl TEEN heH h M ergibt die hydrophoben Atome eines Molekiils d h a die Distanz eines A
28. fiir eine bestimmte Zielstruktur zu erzeugen Dabei hat sich die Methodik zur Generierung der Grundger ste in den letzten Jahre von einem atombasierten zu einem fragmentbasierten Ansatz verschoben In dieser Arbeit wird unter dem Namen Qsearch eine neu entwickelte de novo Methode vorgestellt die den fragmentbasierten Ansatz erweitert und die Eingabe intelligent so modifiziert dass der zug ngliche chemische Raum f r die jeweilige Fragestellung dynamisch angepasst wird Dabei wird die Suche in den Fragmentr umen mithilfe von stochastischen Methoden vorangetrieben Die Suchanfragen die in Qsearch verwendet werden um die Anforderungen an die zu generierenden Grundger ste zu formulieren sind dreidimensionale Pharmakophore Pharmakophore sind eine etablierte Methode in der medizinischen Chemie die es er lauben die Schl sselinteraktionen die f r die molekulare Erkennung von kleinen Wirk stoffmolek len durch biologische Makromolek le essentiell sind auf eine intuitive Art und Weise zu charakterisieren Eine ihrer besonderen St rken ist dass sie die relevanten chemischen Eigenschaften unabh ngig von konkreten molekularen Strukturmotiven dar stellen was f r die Verwendung in de novo Methoden vorteilhaft ist da dort m glichst neuartige Molek le als Ergebnis gew nscht sind Die Eingabe f r Qsearch besteht aus einem Pharmakophor und einem Fragmentraum Der Fragmentraum wird mit einer Simulated Annealing Optimierungsprozedur durch
29. gemeinsame Zeit bedanken Adrian Andrea Angela Axel Birte Bj rn Christin Christian Katrin Nadine Ingo Jochen J rg Lennart Melanie Matthias Patrick und Robert Dabei m chte ich mich an dieser Stelle insbesondere alle Mitgliedern des NAOMI Teams daf r danken dass sie mir und meiner Arbeit einen neuen Motivationsschub gegeben haben und ihrem Gelingen ganz entscheidend beigetragen haben Die Arbeit w re in dieser Form niemals ohne Euch m glich gewesen Sascha m chte ich f r eine wunderbare Freundschaft und Zusammenarbeit am ZBH danken Die gemeinsamen Mittagspausen waren f r mich immer ein Tagesh hepunkt Frank geb hrt mein Dank daf r dass er nicht zugelassen hat dass ich mich in der Arbeit verliere und f r den notwendigen Anteil Kultur in meinem Leben gesorgt hat Vielen Dank f r die vielen gemeinsamen Abende Dar ber hinaus m chte ich mich bei der Fa Hoffman La Roche f r die finanzielle Unterst tzung und besonders bei Olivier Roche und Tanja Schulz Gasch f r die befruch tenden Diskussionen und Eingaben bedanken die dem Projekt zum Erfolg verholfen haben Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung ck Binr hrung oe 2 20 AE ae ech a a aAA 1 2 Forschungsrahmen s t adaa a Aona a eaa a aaa a i E a N 1 3 Aufbau der Dissertation 2 Grundlagen 2 1 Arbeitsablauf im Wirkstoffdesign 2 2 2 2 e 2 2 Molekulare Interaktionen oaa aaa e 2r Pharmakophorg oew 24 2 24 Sara ae a ae Soap a are Se 2 4 Molek
30. generierten L sungen Die reverse Transkriptase ist f r die Umwandlung von einstr ngiger RNA in einstr ngige DNA ver antwortlich Sie wird von Retroviren dazu verwendet ihr RNA Genom in DNA zu transkribieren woraufhin es ber Integrasen in das Genom ihrer Wirtszellen eingebaut werden kann Die Hem mung der reversen Transkriptase kommt unter anderem in der Behandlung von HIV im Rahmen der hochaktiven antiretroviralen Therapie zum Einsatz 108 92 6 4 Parametrisierung von Qsearch kalt nach 12 5 kalt nach 25 0 kalt nach 37 5 o 1300 J L 0 020 J L 0 015 J L 0 010 4 L 0 005 4 L 0 000 1000 0 020 L 5 0 015 L S ong L o 2 0 005 L 0 000 4 L E 700 8 J L 0 020 4 L 0 015 N 5 4 L 0 010 4 L 0 005 4 L 0 000 400 0 020 L 0 015 4 E 0 010 4 L 0 005 4 L 0 000 L T T T T T T T 50 0 50 100 150 200 250 Anzahl generierter Molek le Abbildung 6 4 2 Kerndichtesch tzung f r die Anzahl der generierten L sungen aufge teilt nach den Parameterkombinationen nach f nf Minuten gew hlt Die variierten Parameter beinhalten die Anzahl der Schritte pro Lauf 400 700 1000 1300 und den Abk hlungsplan kalt nach 12 5 25 0 37 5 der Schritte wobei kalt in dem Algorithmus einen Zustand beschreibt der eine Temperatur nahe Null hat und in dem nur noch L sungen akzeptiert werden die zu einer Verbesserung f hren Als Eingabe diente der oben besc
31. hohe Anzahl Fragmente gibt die bis auf ihre Dekoration identisch sind Dies sind vor allen Dingen verschieden dekorierte aromati sche Heterozyklen Dadurch existiert f r jede Grundger stklasse eine gro e Menge an m glichen Molek len die jeweils minimal verschiedene Dekorationen aufweisen Solange sie den Pharmakophor erf llen sind diese Molek le f r Qsearch ann hernd gleichwertig was zur Folge hat dass nderungen die zu quivalenten Grundger sten f hren mit einer hohen Wahrscheinlichkeit akzeptiert und mit zu den L sungen hinzugef gt werden 6 3 BCR ABL Tyrosinkinase Inhibitoren Chronische myelonische Leuk mie und Imatinib Die chronische myelonische Leuk mie ist eine Krankheit die durch den Austausch die sogenannte Translokation von Genabschnitten zwischen den Chromosomen 9 und 22 in pluripotenten Stammzellen entsteht 103 Dabei wird das Chromosom 22 um einen Ab schnitt verk rzt der am Chromosom 9 wieder angef gt wird wobei die Gene BCR und ABL1 zu einem neuen BCR ABL verkn pft werden das aufgrund seines Entdeckungs ort auch Philadelphiachromosom genannt wird Das durch die Fusion neu entstandene Gen wird in eine Tyrosinkinase mit erh hter Aktivit t umgesetzt Diese Aktivit t u ert sich in einer unverh ltnism ig starken Vermehrung von wei en Blutk rperchen und f hrt zum Krankheitsbild der chronisch myelonischen Leuk mie Ende der neunzi ger Jahre wurde der Wirkstoff Imatinib Gleevec
32. lange Kohlenstoffketten oder Methoxygruppen durch den Algorithmus abgedeckt Eine Auflistung aller funktionellen Gruppen die durch den Algorithmus ent fernt werden ist in Abbildung 5 4 1 zu finden Voraussetzung um festzustellen welche Gruppen f r die Erf llung eines Pharmako phors wichtig sind und welche Gruppen im Entdekorierungsprozess entfernt werden k n nen ist eine grobe Ausrichtung des Molek ls an den Pharmakophor In Qsearch findet daher die Entdekorierung nach 50 der Ausrichtung statt um mit hoher Wahrschein lichkeit auf einer Konformation zu arbeiten in der Molek l das bereits so orientiert ist dass erkennbar ist welche funktionellen Gruppen zu welchen Pharmakophormerkmalen korrespondieren 5 4 2 Verringerung der Anzahl von Heteroatomen in Heterozyklen Ein weiterer Teil der Entdekorierungsstrategie die in Qsearch zum Einsatz kommt ist die Verringerung der Anzahl von Heteroatomen in aromatischen Heterozyklen Dabei werden Heteroatome in aromatischen Ringen durch Kohlenstoffatome ersetzt wenn der Pharma kophor dies zul sst und keine sterischen Probleme durch die Wasserstoffatome entstehen die f r die Abs ttigung der neu eingef hrten Kohlenstoffatome angef gt werden m ssen Die Heteroatome die ersetzt werden sollen m ssen dabei sowohl in Bezug auf ihre Geometrie als auch auf ihre Valenzen zu Kohlenstoff quivalent sein Ersteres trifft f r alle Heteroatome zu da in regul ren aromatischen Systemen alle
33. resultieren und die durch die Beobachtung des Algorithmus bei der Optimierung gepr gt sind So sind k rzere L ufe mit schnellen Abk hlungszeitpl nen zu bevorzugen L ngere L ufe resultieren darin dass viele Variationen eines Grundger sts generiert werden und lang samere Abk hlungen darin dass insgesamt weniger Grundger ste generiert werden da der Algorithmus mehr Zeit in einem Stadium verbringt in dem praktisch alle nderun gen angenommen werden Daher werden die einzelnen Optimierungsl ufe mit jeweils 700 Schritten durchgef hrt und die Parameter so gew hlt dass die Temperatur nach 12 5 kalt ist F r die Starttemperatur wurde der Wert 8 0 gew hlt 6 5 Einschr nkungen der Methode 6 5 1 Hydrophobizit t Eine wichtige Einschr nkung des verwendeten Chemiemodells ist die Abbildung der Hy drophobizit t Sie wird durch die IUPAC folgenderma en definiert Als Hydrophobizit t wird das Aneinanderlagern von nicht polaren Gruppen oder Molek len in w ssriger Umgebung bezeichnet die durch die Neigung von Wasser nicht polare Molek le auszuschlie en verursacht wird bersetzt aus 109 Hydrophobe Interaktionen beruhen auf zwei Effekten wobei die St rke des ersteren im Vergleich zum zweiten vernachl ssigbar ist Zum einen induzieren hydrophobe Regionen sich gegenseitig Bipole die sich dann ber ihre komplement ren Ladungen anziehen Dieser Effekt wird unter dem Namen London Kr fte gef hrt und is
34. stark dekoriert sind Es gibt jedoch auch molekulare Muster die relativ selten in den Fragmenten vorkommen Dazu geh ren sp hybridisierte Akzeptoratome und vor allen Dingen Gruppen mit Formalladungen Ein schnelles Ablehnen von Molek len ohne diese Funktionalit ten erm glicht es den Such raum auf f r den jeweiligen Pharmakophor relevantere Teile zu beschr nken Dass das Volumen h her ist als das des Pharmakophors ist der Handhabung der sterischen Eigenschaf ten geschuldet Da dabei nur die Atommittelpunkte berpr ft werden und nicht die Kugeln die die Ausdehnung der Atome beschreiben k nnen Molek le deren Atome an der Grenze der erlaubten Form liegen ein gr eres Volumen als der Pharmakophor selbst haben 48 5 3 Ausrichtung an den Pharmakophor 5 3 Ausrichtung an den Pharmakophor Um Aussagen dar ber machen zu k nnen ob ein Molek l einen Pharmakophor erf l len kann muss sein Konformationsraum mit Hinblick auf die Kompatibilit t zu dem Pharmakophor berpr ft werden Hierf r gibt es eine Reihe an computergest tzten Ver fahren deren Methoden sich in zwei verschiedene Ans tze aufteilen lassen F r den ers ten Ansatz wird eine m glichst repr sentative Menge von Konformationen erzeugt die starr mit dem Pharmakophor berlagert werden Diese Methode kommt zum Beispiel in LigandScout 85 und NovoF LAP 65 zum Einsatz Im zweiten Ansatz wird der Konfor mationsraum der Molek le dynamisch im Rahmen eine
35. 0Phase Schr dinger LLC New York NY USA www schrodinger com 95 6 Ergebnisse und Diskussion Catalyst Phase LigandScout MOE Qsearch H3C kat Hg H H H Hi Hi H H o o o nicht E S ee er angegeben ef o Abbildung 6 5 1 Nebeneinanderstellung verschiedener Hydrophobizit tskonzepte nach Spitzer et al 18 und Wolber et al 112 F r jedes Programm sind in den Spalten anhand verschiedener Molek le die Platzierungen der lo kalisierten Beschreibung der Hydrophobizit t dunkelgr n dargestellt Qsearch verwendet als einzige Methode eine atombasierte Beschrei bung in der die hydrophoben Eigenschaften nicht zusammengefasst werden Die anderen Methoden platzieren die hydrophoben Eigenschaf ten als Kugeln nach funktionellen Gruppen und oder entlang von Koh lenstoffketten 6 5 Einschr nkungen der Methode abbilden m ssen F r Qsearch wurde bewusst ein anderer Ansatz gew hlt um die Hydrophobizit t zu beschreiben Daf r ausschlaggebend waren einerseits die vielen unbeantworteten Fragen beim Konzept der hydrophoben Gruppen und andererseits die schlechte Eignung des Konzepts f r das de novo Design mit dem sich die 0 g Programme nicht besch ftigen Beim de novo Design lassen sich n mlich in der Regel polare Strukturmotive in einem Nachbearbeitungsschritt einfach durch geometrisch quivalente apolare Strukturen erset zen wenn sie in Regionen liegen in denen hydrophobe Elemente erw nscht sind im einf
36. 114 115 116 117 118 119 120 116 ROCHE O und R M RODRIGUEZ SARMIENTO A new class of histamine H3 receptor antagonists derived from ligand based design Bioorganic amp Medicinal Chemistry Letters 17 13 3670 3675 2007 95 WOLBER G T SEIDEL F BENDIX und T LANGER Molecule pharmacophore superpositioning and pattern matching in computational drug design Drug Disco very Today 13 1 2 23 29 2008 95 96 KAUZMANN W Some factors in the interpretation of protein denaturation Ad vances in Protein Chemistry 14 1 63 1959 97 REULECKE I G LANGE J ALBRECHT R KLEIN und M RAREy Towards an integrated description of hydrogen bonding and dehydration decreasing false positives in virtual screening with the HYDE scoring function ChemMedChem 3 6 885 897 2008 97 FRIESNER RA R B MURPHY M P REPASKY L L FRYE J R GREENWOOD T A HALGREN P C SANSCHAGRIN und D T MAINZ Extra precision glide docking and scoring incorporating a model of hydrophobic enclosure for protein ligand complexes Journal of Medicinal Chemistry 49 21 6177 6196 2006 97 ALLEN F H The Cambridge Structural Database a quarter of a million cry stal structures and rising Acta Crystallographica Section B Structural Science 58 3 380 388 2002 97 KLEBE G und T MIETZNER A fast and efficient method to generate biologically relevant conformations Journal of Computer Aided Molecular Design 8 5 583
37. 20 variiert und die Schrittzahl 1000 1250 1500 sowie die Starttemperatur 15 20 25 ver ndert In den Ergebnissen l sst sich ablesen dass 10 sowohl f r die maximale Torsions nde rung als auch die maximale Rotation zu den meisten korrekt ausgerichteten Molek len f hrt Teildiagramm links oben und sich ein Wert von 20 bei der Starttemperatur als vorteilhaft erweist Da die Ergebnisse von 1250 und 1500 Schritten vergleichbar sind wurde eine Optimierungsdauer von 1250 Schritten festgelegt um den Rechenaufwand in Qsearch zu beschr nken Finale Parameter F r die finalen Parameter wurden bei den Konformations nderungen ein Verh ltnis f r Translation Rotation Torsions nderungen von 1 3 1 6 und maximale nderungen von 0 4A 10 und 10 respektive gew hlt F r die stochastische Optimierung haben sich eine Starttemperatur von 20 eine Schrittzahl von 1250 und ein a Wert von 0 988 bew hrt 5 4 Nachtr gliche Entdekoration von Molek len Qsearch zeichnet sich durch einen gesonderten Entdekorierungsschritt w hrend der Aus richtungsroutine aus In diesem Schritt werden funktionelle Gruppen die bei einem Mo lek l nicht f r die Erf llung des Pharmakophors vonn ten sind ebenso wie berfl ssige Heteroatome aus aromatischen Ringen entfernt Dadurch wird die Menge an Molek len die in einem Fragmentraum enthalten ist dynamisch um solche Molek le erweitert die f r einen spezifischen Pharmakophor besonders interessant
38. 20k Dichteverteilung 0 0 0 1 02 0 3 0 0 0 1 02 0 3 Warianz in der 3 Dimension erkl rt Abbildung 6 1 1 Kerndichtesch tzung f r die Planarit t der verwendeten Fragmente Aufgetragen ist der Anteil der Varianz der Koordinaten die nach einer Hauptkomponentenanalyse durch die dritte Komponente erkl rt wird Der gr te Anteil der Fragmente besitzt planare Ringsysteme was in den Maxima der Standard BRICS R ume erkennbar ist Gut zu sehen ist ebenfalls dass im angereicherten BRICS_4k Raum der Anteil der Fragmente mit planaren Ringsystemen niedriger ist und daf r ein zweites Maximum vermutlich durch nicht planare Ringsysteme hin zugekommen ist erstellt worden sind Die BRICS R ume sind auf hnlichkeit zu Wirkstoffbibliotheken optimiert wozu auch eine Pr ferenz von aromatischen Ringsystemen geh rt die wieder um ein weit verbreitetes Strukturmotiv in Wirkstoffen sind Folglich sind in den R umen aromatische Ringsysteme ebenfalls stark vertreten Konsequenzen In den von Qsearch erzeugten Ergebnissen l sst sich sehen dass vie le Molek le haupts chlich aus planaren Untereinheiten bestehen und die geometrische Vielfalt gr tenteils durch rotierbare Bindungen zwischen ihnen zustande kommt Diese Eigenschaften sind insbesondere bei den Ergebnissen f r den BCR ABL Pharmakophor ausgepr gt Diskussion Das Entwerfen von Fragment und Molek lbibliotheken die ein breites Spektrum an Geometrien abdecken
39. 606 1994 97 BRAMELD K A B KUHN D C REUTER und M STAHL Small molecule con formational preferences derived from crystal structure data A medicinal chemistry focused analysis Journal of Chemical Information and Modeling 48 1 1 24 2008 97 GRIEWEL A O KAYSER J SCHLOSSER und M RAREY Conformational Samp ling for Large Scale Virtual Screening Accuracy versus Ensemble Size Journal of Chemical Information and Modeling 49 2303 2311 2009 97 MORLEY S D R J ABRAHAM I S HAWORTH D E JACKSON M R SAUN DERS und J G VINTER COSMIC 90 an improved molecular mechanics treatment 121 122 123 124 A Literaturverzeichnis of hydrocarbons and conjugated systems Journal of Computer Aided Molecular De sign 5 5 475 504 1991 98 PEARCE B C D R LANGLEY J KANG H HUANG und A KULKARNI E novo an automated workflow for efficient structure based lead optimization Journal of Chemical Information and Modeling 49 7 1797 1809 2009 99 PEGG S C J J HARESCO und I D KUNTZ A genetic algorithm for structure based de novo design Journal of Computer Aided Molecular Design 15 10 911 933 2001 99 MAKHIJA M T R T KASLIWAL V M KULKARNI und N NEAMATI De novo design and synthesis of HIV 1 integrase inhibitors Bioorganic amp Medicinal Che mistry 12 9 2317 2333 2004 99 WETZEL S K KLEIN S RENNER D RAUH T I OPREA P MUTZEL und H WALDMANN Interactive exploration of chemica
40. A D C CLARY R H CRABTREE J J DANNENBERG P HOBZA H G KJAERGAARD A C LEGON B MENNuCCI und D J NESBITT Definition of the hydrogen bond IUPAC Recommendations 2011 Pure and Applied Chemistry 83 8 1637 1641 2011 16 BOEHM H J The development of a simple empirical scoring function to estima te the binding constant for a protein ligand complex of known three dimensional structure Journal of Computer Aided Molecular Design 8 3 243 256 1994 16 36 KUMAR S und R NussINov Close range electrostatic interactions in proteins Chembiochem a European Journal of Chemical Biology 3 7 604 617 2002 16 105 A Literaturverzeichnis 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 106 SEEBECK B I REULECKE A KAMPER und M RAREY Modeling of metal interaction geometries for protein ligand docking Proteins 71 3 1237 1254 2008 16 CERNY J und P HOBZA Non covalent interactions in biomacromolecules Phy sical Chemistry Chemical Physics PCCP 9 39 5291 5303 2007 16 HUNTER C A J SINGH und J M THORNTON Pi pi interactions the geometry and energetics of phenylalanine phenylalanine interactions in proteins Journal of Molecular Biology 218 4 837 846 1991 16 RELLA M C A RUSHWORTH J L Guy A J TURNER T LANGER und R M JACKSON Structure based pharmacophore design and virtual screening for novel angiotensin converting enzyme 2 inhibitors Journal of Chemic
41. Anzahl der Linkatome ist kein allumfassendes Ma zur Beschreibung der topologischen Diversit t in Fragmentr umen Es ist denkbar dass Fragmente nur ein oder zwei Linkatome besitzen aber durch gr ere interne Verzweigungen komplexe Topologien aufweisen Um die topologischen Diversit t in Fragmentr umen beurteilen zu k nnen m sste ein Ma sowohl f r die interne Topologie von Fragmenten als auch f r die Topologien die durch das Verkn pfen von Fragmenten entstehen k nnen erarbeitet wer den Allerdings ist auch ohne dieses Ma zu vermuten dass in den BRICS R umen die Anzahl an nicht terminalen Fragmenten f r eine breite Abdeckung an diversen Grund ger sten zu niedrig ist Wie jedoch das optimale Verh ltnis der Anzahl an Linkatomen in den Fragmenten aussieht muss Teil weiterer Forschungsarbeiten sein 6 1 3 Chemische Diversit t I Hydrophobizit t Bedeutung Wie in Abschnitt 6 5 1 beschrieben ist die Hydrophobizit t einer der wich tigsten Faktoren um die Eignung einer Substanz als Leitstruktur zu beurteilen Dabei gibt es mehrere M glichkeiten um die Hydrophobizit t von Molek len zu beschreiben In den Lipinski rule of 5 Regeln 97 die als Faustregel f r die orale Bioverfiigbarkeit von Wirkstoffen verwendet werden wird sowohl der Oktanol Wasser Partitionskoeffizient als auch die Anzahl an Donor und Akzeptoratomen als Ma verwendet Das Hydropho bizit tskonzept von Qsearch basiert auf letzterem weswegen die Hyd
42. DR Datensatz generiert wurden und die ber 32 Regeln neu verkn pft werden k nnen NovoFLAP wurde erfolgreich innerhalb von AstraZeneca im Rahmen einer Forschungs kampagne f r den 5HT p Rezeptor verwendet wobei neue Molek le auf Basis eines fixen Startfragments entworfen wurden Die Molek le die von dem Programm vorge schlagen wurden sind nachtr glich von medizinischen Chemikern leicht modifiziert wor den und dienten als Grundlage einer neuen Strukturklasse von nanomolaren Inhibitoren des 5HT g Rezeptors 70 3 4 3 BlBuilder Das Programm BIBuilder 38 wurde 2011 von der Firma Bohringer Ingelheim vorgestellt Es ist eine der wenigen Anwendungen in denen das Problem des de novo Designs mit Ber cksichtigung dreidimensionaler Informationen durch eine ersch pfende Suche gel st wird Abgesehen von FlexNovo 31 wird die ersch pfende Suche ansonsten haupts chlich f r die Rekombination von bekannten aktiven Molek len also in sehr kleinen Fragmen tr umen verwendet 46 BIBuilder durchsucht den Fragmentraum im Rahmen einer Tie 10 Triphic AstraZeneca Pharmaceuticals Wilmington DE USA Nicht ver ffentlicht Die Arbeitsweise von Triphic wird als analog zur CLIP 67 beschrieben das hnlichkeitwerte auf Basis von Subgraphen bestimmt MDL Drug Data Report Symyx Technologies Inc Sunnyvale CA USA www accelrys com 12Der Datensatz wurde von Tripos und AstraZeneca entwickelt aber nicht ver ffentlicht 13Der
43. EIDHART Virtual Screening for Bioactive Mole cules by Evolutionary De Novo Design Angewandte Chemie International ed in English 39 22 4130 4133 2000 23 30 RAREY M und M STAHL Similarity searching in large combinatorial chemistry spaces Journal of Computer Aided Molecular Design 15 6 497 520 2001 23 24 34 45 Toporov N P und P M DEAN Evaluation of a method for controlling molecular scaffold diversity in de novo ligand design Journal of Computer Aided Molecular Design 11 2 175 192 1997 23 28 29 33 49 98 107 A Literaturverzeichnis 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 108 DEGEN J und M RAREY FlexNovo structure based searching in large fragment spaces ChemMedChem 1 8 854 868 2006 23 27 31 34 45 DEGEN J C WEGSCHEID GERLACH A ZALIANI und M RAREY On the art of compiling and using drug like chemical fragment spaces ChemMedChem 3 10 1503 1507 2008 23 24 26 99 HARTENFELLER M und G SCHNEIDER De novo drug design Methods in Mole cular Biology Totowa NJ United States 672 299 323 2011 24 KUTCHUKIAN P S und E I SHAKHNOVICH De novo design balancing novelty and confined chemical space Expert Opinion on Drug Discovery 5 8 789 812 2010 24 26 27 BOEHM H J The computer program LUDI a new method for the de novo design of enzyme inhibitors Journal of Computer Aided Molecular Design 6 1 61 78 1992 25
44. F 100 10 269649 S 110 Aro 16 393415 N 110 Aro 8 985621 1 300 27 629973 S 020 19 260432 O 110 8 426245 S 110 15 883807 O 200 Aro 9 117693 P 300 16 137557 O 200 Planar 8 279259 O 100 Conjugated 11 341938 C1 100 19 324749 N 001 10 584680 N 300 Aro 6 869936 N 300 6 944602 N 101 8 512860 Br 100 23 743314 N 200 9 778527 S 200 Planar 19 010300 C 300 10 027208 O 200 8 528727 P 500 11 223993 S 220 12 151092 N 210 6 536502 O Deloc 10 675000 P 400 9 795130 S 300 15 399694 S 100 21 424138 N 010 12 008186 N 400 4 034228 N 210 Aro 5 941945 C 300 6 691167 C 101 11 113931 N Aro Deloc 7 033592 P 310 13 578819 1 100 29 929109 C 400 6 504041 S 200 19 284731 N 020 6 807981 C 210 Aro 8 569893 C 210 8 597978 N 300 Planar 6 644852 N Deloc 6 293964 O 110 Aro 6 560777 N 110 8 867856 S 210 15 462231 O 010 10 364912 Tabelle C 1 NAOMI Atomtypen und ihre berechneten Volumenbeitrage 124 D Anhang f r die Parametrisierung der Ausrichtung 117423A_ a 10 48119A a 5 48266A a 2 48276A _8 48519A a 1 48521A c 1 48554A b b 8 49486A_1 50550A a 1 50671A_b_2 50878A_a 1 50893A_a_ 30 50943B 1 51388A_ a 1 51397A_a_2 51436A_b_3 51528A_b 1 51715A a 1 52735A _1 53189A_3 53392B_ 6 53881lA_a_a_2 55629A _ b 1 55833A_a_67 55876A _c 2 55876A d b 1 55924A c 2 56129A _ a 7 56129A _b 1 56245A_1 56514A a 3 56695B_6 63621A_1 69423A 2 69548A_ 2 81362A_b_5 88855
45. HANI Tyrphostins and other tyrosine kinase inhibitors Annual Review of Biochemistry 75 93 109 2006 84 NAGAR B O HANTSCHEL M A YOUNG K SCHEFFZEK D VEACH W BORNMANN B CLARKSON G SUPERTI FURGA und J KURIYAN Struc tural basis for the autoinhibition of c Abl tyrosine kinase Cell 112 6 859 871 2003 85 NOGRADY T und D F WEAVER Medicinal Chemistry Oxford University Press New York NY USA 3 Auflage 2005 88 LINDBERG J S SIGURDSSON S LOWGREN HO ANDERSSON C SAHLBERG R NOREEN K FRIDBORG H ZHANG und T UNGE Structural basis for the inhibitory efficacy of efavirenz DMP 266 MSC194 and PNU142721 towards the HIV 1 RT K108N mutant European Journal of Biochemistry FEBS 269 6 1670 1677 2002 92 PERNO C F G MOYLE C TSOUKAS W RATANASUWAN J GATELL und M SCHECHTER Overcoming resistance to existing therapies in HIV infected pati ents the role of new antiretroviral drugs Journal of Medical Virology 80 4 565 576 2008 92 WATERBEEMD H VAN DE R E CARTER G GRASSY H KUBINYI Y C MAR TIN M S TUTE und P WILLET Glossary of terms used in computational drug design IUPAC Recommendations 1997 Pure And Applied Chemistry 69 5 1137 1152 1997 94 BLEICHER K H H J BOHM K MULLER und A I ALANINE Hit and lead generation beyond high throughput screening Nature Reviews Drug Discovery 2 5 369 378 2003 95 115 A Literaturverzeichnis 111 112 113
46. J ZUEGGE W GUBA M KANsy A ALANINE K BLEICHER F DANEL E M GUTKNECHT M ROGERS EVANS W NEID HART H STALDER M DILLON E SJOGREN N FOTOUHI P GILLESPIE R Goopnow W HARRIS P JONES M TANIGUCHI S TsuJII W VON DER SAAL G ZIMMERMANN und G SCHNEIDER Development of a virtual screening method for identification of frequent hitters in compound libraries Journal of Medicinal Chemistry 45 1 137 142 2002 30 FECHNER U und G SCHNEIDER Flux 2 comparison of molecular mutation and crossover operators for ligand based de novo design Journal of Chemical In formation and Modeling 47 2 656 667 2007 30 SCHULLER A M SUHARTONO U FECHNER Y TANRIKULU S BREITUNG U SCHEFFER MW GOBEL und G SCHNEIDER The concept of template based de novo design from drug derived molecular fragments and its application to TAR RNA Journal of Computer Aided Molecular Design 22 2 59 68 2008 30 99 DAMEWOOD J R J C L LERMAN und B B MASEK NovoF LAP A ligand based de novo design approach for the generation of medicinally relevant ideas Journal of Chemical Information and Modeling 50 7 1296 1303 2010 30 49 98 101 GRANT J A M A GALLARDO und B T PICKUP A fast method of molecular shape comparison A simple application of a Gaussian description of molecular shape Journal of Computational Chemistry 17 14 1653 1666 1996 31 RHODES N P WILLETT A CALVET J B DUNBAR und C HUMBLET CLIP similar
47. Methoden sind diese wegen den N herungen in den Modellen die sie verwenden um die chemischen Gegebenheiten zu beschreiben weniger exakt Die Wirkstoffforschung ist ein iterativer Prozess der in verschiedene Stufen aufgeteilt ist wobei auf jeder einzelnen Stufe computergest tzte Methoden unterst tzend zum Ein satz kommen k nnen In dem Prozess zeichnen sich die fr hen Phasen in die auch der Gegenstand dieser Forschungsarbeit f llt unter anderem dadurch aus dass noch wenig Informationen zu einem konkreten Problemfall vorliegen Dabei kann es sich zum Beispiel um Strukturformeln von bekannten aktiven Molek len handeln oder auch um Hinweise die von vergleichbaren Zielstrukturen stammen Das Ziel in dieser Phase ist auf Grund lage der zusammengetragenen Informationen weiteres Wissen zum Beispiel in Form von biologisch aktiven Molek len zu gewinnen Die computergest tzten Verfahren die in dieser Phase eingesetzt werden machen sich zunutze dass ihre Berechnungen nicht mit physikalisch vorliegen Molek len durchge f hrt werden m ssen sondern rein virtuell vorgenommen werden Dieser Vorteil l sst sich auf zweierlei Weisen ausspielen Zum einen lassen sich so sehr gro e Substanzbiblio 10 1 2 Forschungsrahmen theken kosteng nstig auf aktive Eintr ge berpr fen und zum anderen ist es so m glich Vorhersagen ber neuartige Molek le treffen ohne sie vorher synthetisiert zu haben Das Generieren neuartiger chemische
48. Molek len verbunden LUDI verwendet sowohl f r die Startfragmente als auch f r die Verbindungsfragmente eine fest definierte Bibliothek die durch Benutzer erweitert werden kann Allerdings basiert die Verkn pfung der Fragmente nicht auf einem retro synthetischen Regelwerk wie den RECAP Regeln 27 sondern auf einer Verbindung an freien Wasserstoffatomen Abgesehen von der historischen Bedeutung von LUDI werden viele Elemente des In teraktionsmodells das in dem Programm zum Einsatz gekommen ist in Qsearch aufge griffen 3 3 2 FlexNovo Das Programm FlexNovo 31 basiert auf dem inkrementellen Aufbau von Molek len des FlexX Algorithmus 49 Als Eingabe dient hier ebenso wie bei LUDI die dreidimensionale Struktur des aktiven Zentrums Daf r wird ein k greedy Verfahren das als Tiefensuche gestaltet ist verwendet um die Liganden im aktiven Zentrum inkrementell aufzubauen Der Name der rezeptorbasierten Methoden leitet sich daher dass die Zielstruktur h ufig aber nicht immer ein biologischer Rezeptor ist 27 3 de novo Design Der Algorithmus startet mit der automatisierten Platzierung von Fragmenten in dem aktiven Zentrum 50 wobei versucht wird m glichst gute Interaktionen zwischen dem Fragment und der Zielstruktur auszubilden Von allen platzierten Fragmenten werden die k besten f r die weiteren Berechnungen ber cksichtigt In den folgenden Schritten werden diese Fragmente zu vollst ndigen Molek len ausgebaut inde
49. Pharmakophorbasierte Leitstruktursuche in chemischen Fragmentraumen mit stochastischen Methoden Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Dr rer nat an der Fakult t f r Mathematik Informatik und Naturwissenschaften der Universit t Hamburg eingereicht beim Fachbereich Informatik von Tobias Lippert aus Darmstadt Hamburg Dezember 2011 Erster Gutachter Prof Dr Matthias Rare Universit t Hamburg Zweiter Gutachter Prof Dr Andrew Torda Universit t Hamburg Tag der Disputation 24 08 2012 Abstract Virtual de novo design is employed in pharmaceutical research to help in the pursuit of new ligands for a chosen target by creating partially novel molecular scaffolds The methods which are applied in this field recently shifted from atom based to fragment based approaches where so called chemical fragment spaces are used to generate molecu lar structures In this work a new method for de novo design is presented under the name Qsearch It makes use of stochastic methods to navigate chemical fragment spaces under the constraints of three dimensional pharmacophores and augments the fragment space approach by modifying the input such that the fragment space is adapted intelligently for a specific pharmacophore Pharmacophores are an established method in medicinal chemistry which allow to char acterize key interactions which are essential for molecular recognition of small molecules by their biological ta
50. Quelle von neuartigen Grundger sten verwendet wird 2 1 Arbeitsablauf im Wirkstoffdesign Die Entwicklung von neuen Wirkstoffen ist ein komplexer mehrstufiger Prozess der oft mit dem Bild einer Pipeline beschrieben wird Auf der einen Seite der Pipeline stehen als Eingabe diverse Quellen f r biochemisches Wissen und auf der anderen Seite Wirkstof fe als Ausgabe die nach aufwendigen klinischen Studien als Medikamente Anwendung finden Der gesamte Prozess ist in Abbildung 2 1 1 aufgezeichnet F r diese Arbeit ist vor allem der erste Abschnitt relevant der sich mit der Entwicklung von Vorschl gen f r neue Wirkstoffen besch ftigt und wird daher im folgenden erl utert Die einzelnen Teil berschriften beziehen sich dabei auf die o g Abbildung Identifikation von Zielstrukturen In dieser Phase werden biologische Strukturen iden tifiziert die f r die Ver nderung eines Krankheitsverlaufs relevant sind und die in den darauf folgenden Schritten durch Wirkstoffe beeinflusst werden sollen Computergest tz te Methoden k nnen unter anderem in Druggability Studien oder auch in der Analyse von systembiologischen Netzwerken eingesetzt werden um Voraussagen ber das Potential einer Zielstruktur zu treffen 13 2 Grundlagen Fr hstadium Pr klinische Phase I Phase II Phase III Phase IV Forschung Studien in Vertr glichkeit Wirksamkei Wirksamkei Langzeit Aufbau von Tiermodelle Sicherheit Dosierung Dosierung neben Wissen
51. WEININGER und J L WEININGER SMILES 2 Algorithm for generation of unique SMILES notation Journal of Chemical Information and Computer Sciences 29 2 97 101 1989 50 CHAN S L und P LABUTE Training a scoring function for the alignment of small molecules Journal of Chemical Information and Modeling 50 9 1724 1735 2010 51 52 125 113 A Literaturverzeichnis 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 114 BERMAN H M J WESTBROOK Z FENG G GILLILAND T N BHAT H WEIS sic I N SHINDYALOV und P E BOURNE The Protein Data Bank Nucleic Acids Research 28 1 235 242 2000 51 85 LEACH A R Molecular Modelling Pearson Prentice Hall Harlow UK 2 Auflage 2001 59 70 95 KNUTH D The Art of Computer Programming Volume 2 Seminumerical Algo rithms Addison Wesley Boston USA 1997 62 SPIEGLER I und R MAAYAN Storage and retrieval considerations of binary data bases Information Processing amp Management 21 3 233 254 1985 62 DREPPER U What Every Programmer Should Know About Memory Linux Wee kly News 2007 65 KNUTH D The Art of Computer Programming Volume 4A Combinatorial Algo rithms Addison Wesley Boston USA 2011 65 67 BRAMELD K A Shape Diversity in Fragment Library Design Theory and Prac tice In FBLD 2010 Philadelphia PA USA 2010 70 71 LIPINSKI C A F LOMBARDO B W DOMINY und P J FEENEY Experimental and
52. achsten Fall dadurch dass die Heteroatome durch Kohlenstoff ersetzt werden Die zu fr he Ber cksichtigung von hydrophoben Regionen hingegen schr nkt die Freiheit des Algorithmus bei der Generierung von neuen Grundger sten stark ein insbesondere wenn die verwendeten Fragmente wie die der BRICS R ume sehr polar sind Trotzdem ist eine Verbesserung der Behandlung von hydrophoben Merkmalen wichtig Auch wenn sie keinen Vorteil bei der Generierung von neuen Grundger sten bieten so ist doch die Akzeptanz der L sungen bei den Benutzern h her wenn sich in den von ihnen postulierten hydrophoben Regionen entsprechende Gruppen finden Dies k nnte zum Beispiel durch einen der Suche nachgelagerten Schritt automatisiert werden in dem die L sungen den Erwartungen angepasst werden 6 5 2 Torsionsmodell Ein wichtiges Kriterium f r die Qualit t der Ergebnisse ist dass die Konformationen der von Qsearch erstellten Molek le physikalischen Gegebenheiten entsprechen Studien in denen die hinterlegten Strukturen der Cambridge Structural Database 116 statistisch ausgewertet wurden zeigen dass es entlang bestimmter chemischer Bindungen pr fe rierte Torsionswinkel gibt die in Molek len eingenommen werden 117 118 In Qsearch wird hingegen angenommen dass alle Winkel gleichberechtigt sind So k nnen in den ge nerierten Molek len ung nstige Konformationen vorkommen die es dem Molek l zwar erlauben den Pharmakophor zu erf llen aber durch
53. al Information and Modeling 46 2 708 716 2006 17 95 KIER L B Molecular orbital calculation of preferred conformations of acetylcho line muscarine and muscarone Molecular Pharmacology 3 5 487 494 1967 17 KIER L B MO Theory in Drug Research Academic Press New York 1971 17 VAN DRIE J H Monty Kier and the Origin of the Pharmacophore Concept In ternet Electronic Journal of Molecular Design 6 271 279 2007 17 WERMUTH G C R GANELLIN P LINDBERG und L A MITSCHER Glossary of terms used in medicinal chemistry IUPAC Recommendations 1998 Pure And Applied Chemistry 70 5 1129 1143 1998 17 18 25 PAULI W Uber den Zusammenhang des Abschlusses der Elektronengruppen im Atom mit der Komplexstruktur der Spektren Zeitschrift fuer Physik 31 1 765 783 1925 18 SPITZER G M M Heiss M MANGOLD P MARKT J KIRCHMAIR G WoL BER und K R LIEDL One concept three implementations of 3D pharmacophore based virtual screening distinct coverage of chemical search space Journal of Che mical Information and Modeling 50 7 1241 1247 2010 18 38 96 97 LANGDON S R P ERTL und N BROWN Bioisosteric Replacement and Scaffold Hopping in Lead Generation and Optimization Molecular Informatics 29 5 366 385 2010 19 20 65 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 A Literaturverzeichnis REICH H J und D J CRAM Multiple Electrophilic Substitution Reactions
54. am 20 folgende Formulierung Das Ringsystem in diesen Molek len ist hochgradig starr und kann als Grundger st dienen um die funktionellen Gruppen geometrisch gegenein ander so auszurichten dass systematische Untersuchungen des Einflusses von Ringschl ssen und funktionellen Gruppen auf die physikalischen und chemi schen Eigenschaften m glich werden bersetzt aus 20 Diese einfache Definition beschreibt das Konzept des Grundger sts ein ber verschiedene Molek le invarianter Teil der funktionelle Gruppen geometrisch zueinander positioniert Allerdings l sst sie eine formale Definition der Elemente die zu einem Grundger st ge z hlt werden m ssen und welche nicht vermissen Eine solche Definition wurde erst in den sp ten neunziger Jahren von Bemis und Murcko 21 angegangen Sie basiert auf der Reduktion der Komplexit t von Molek len durch Nichtbeachtung von Element und Bin dungsinformationen sowie dem Verwerfen von Seitenketten In dieser Definition werden Atome in Klassen eingeteilt aus denen sich das Grundger st erstellen l sst Ringsysteme Die Zweifach Zusammenhangskomponenten eines Molek ls wenn es als molekularer Graph betrachtet wird Verbindungsatome Die Atome die auf einem Pfad zwischen zwei Ringsystemen liegen und zu keinem Ringsystem geh ren Seitenketten Die Atome die weder in Ringsystemen noch Verbindungsatome sind Grundger st Die Vereinigung aller Atome in einem Molek l die entweder ein
55. argetspezifischen Fragmentraums nicht gefunden werden konnten F r die Grundger stklasse in der der zentrale sp hybridisierte Kohlenstoff als zen trales Verzweigungsatom dient Klasse d in Tabelle 6 2 wurden nur Molek le mit planaren Stickstoffatomen generiert Hier zeigt sich wie die Ergebnisse von Qsearch als Grundger ste gelesen werden sollten Die relevante Information in diesen Molek len ist dass ein zentrales planares Verbindungsatom die aromatischen Ringe so positionieren kann dass sie den Pharmakophor geometrisch erf llen Spezifischere Informationen wie zum Beispiel das Element des Atoms sind in diesem Fall weniger interessant vor allen Dingen da es in diesem Fall nicht f r die Erf llung der elektronischen Pharmakophor merkmale ben tigt wird Um im zweiten Versuch bei den Ergebnissen eine Diversit t zu erreichen die mit der 83 6 Ergebnisse und Diskussion des ersten Versuchs vergleichbar ist musste die Laufzeit von 8 auf 16 Minuten verdoppelt werden In dieser Zeit wurde fiir das zweite Experiment ungefahr die gleiche Anzahl an Grundger sten erzeugt wobei allerdings jede Grundger stklasse deutlich mehr Repr sentanten beinhaltet was sich durch die Verteilung der Fragmente in dem Fragmentraum erkl ren l sst In dem targetspezifischen Fragmentraum war durch die geringe Fragmen tanzahl die Zahl der Molek le pro potentiellem Grundger st beschr nkt wohingegen es im BRICS Aki Fragmentraum es eine sehr
56. arison of topological descriptors for similarity based virtual screening using multiple bioactive reference structures Organic amp Biomolecular Chemistry 2 22 3256 3266 2004 29 HERT J P WILLETT D J WILTON P ACKLIN K AZZAouI E JACOBY und A SCHUFFENHAUER Comparison of fingerprint based methods for virtual scree ning using multiple bioactive reference structures Journal of Chemical Information and Computer Sciences 44 3 1177 1185 2004 29 KIRCHMAIR J S DISTINTO P MARKT D SCHUSTER G M SPITZER K R LIEDL und G WOLBER How to optimize shape based virtual screening choosing the right query and including chemical information Journal of Chemical Informa tion and Modeling 49 3 678 692 2009 29 FECHNER U und G SCHNEIDER Flux 1 a virtual synthesis scheme for fragment based de novo design Journal of Chemical Information and Modeling 46 2 699 707 2006 30 45 VISWANADHAN V N A K GHOSE G R REVANKAR und R K ROBINS Ato mic physicochemical parameters for three dimensional structure directed quantita tive structure activity relationships 4 Additional parameters for hydrophobic and 62 63 64 65 66 67 68 69 A Literaturverzeichnis dispersive interactions and their application for an automated superposition of cer tain naturally occurring nucleoside antibiotics Journal of Chemical Information and Modeling 29 3 163 172 1989 30 ROCHE O P SCHNEIDER
57. auf den Markt gebracht der die krankheitsverursachenden Tyrosinkinasen gezielt blockiert und der Krebsforschung auf diesem Feld einen gro en Schub gegeben hat Das Blockieren von Tyrosinkinasen findet inzwischen in der Therapie von verschiedenen Krebsarten Anwendung 104 3Eine automatische Zusammenfassung von quivalenten Grundger sten w re an dieser Stelle hilfreich bei der Interpretation der Ergebnisse hilfreich und wird im Ausblick in Abschnitt 7 2 diskutiert 84 6 3 BCR ABL Tyrosinkinase Inhibitoren Imatinib Pharmakophor F r die Berechnungen wurde ein Pharmakophor f r die BCR ABL Tyrosinkinase 85 ver wendet der spezifisch f r das Interaktionsmuster von Imatinib ist In der dazugeh rigen Publikation wurde gezeigt dass mithilfe des Pharmakophors alle Imatinib Molekiile in der Protein Data Bank 90 PDB automatisch erkannt werden k nnen Der Pharmakophor wurde auf Basis der Proteinstruktur der c Abl Tyrosinkinase im Komplex mit Imatinib PDB 10pj 105 reproduziert Er besteht aus vier aromatischen Merkmalen und zwei gerichteten Wasserstoffbr ckenakzeptorfunktionen Die Platzierung der Pharmakophormerkmale auf den einzelnen Molek lteilen ist in Abbildung 6 3 1 dar gestellt Die Form wurde durch das Platzieren von Kugeln mit dem Radius 1 8 auf allen Schweratomen definiert Durchf hrung und Ergebnisse Der Pharmakophor diente zwei verschiedenen Experimenten als Grundlage Zum einen wurde er in einer freie Suche
58. ausgebildeten Interaktionen zu schwach sind um im Pharma kophorkontext beriicksichtigt zu werden Dies sind alle Heteroatome von Nitrogruppen die Stickstoffatome in Aminen sowie die einfach gebundenen Sauerstoffatome in Ethern und Estern Das Zentrum der Interaktion bildet jeweils das polare Schweratom und die Richtungen werden durch die Position der freien Elektronenpaare vorgegeben Wasserstoffbriicken Donoren Das NAOMI Modell 71 stellt ber seine Atomtypklas sifikation die Information zur Verfiigung ob ein Atom als Donor fungieren kann oder nicht Das Zentrum der Interaktion wird auf das Schweratom gesetzt und die Richtun gen werden jeweils durch die Position der an das Atom gebundenen Wasserstoffatome vorgegeben Aromatische Ringe Um die Interaktionen zu beschreiben die durch einen aromati schen Ring ausgebildet werden k nnen werden drei Punkte verwendet die zusammen zwei Interaktionsrichtungen beschreiben Der Startpunkt beider Interaktionen wird in den geometrischen Mittelpunkt des Rings gelegt und die zwei verschiedenen Endpunkte werden jeweils ober und unterhalb der Ringebene platziert Bei Ringsystemen wird dies f r jeden einzelnen aromatischen Ring durchgef hrt Weitere Interaktionstypen Zus tzlich zu den eben genannten gerichteten Interaktions typen werden noch die Formalladungen und hydrophoben Regionen ber cksichtigt die aber nicht explizit modelliert werden Sie werden anhand von Molek leigenschaften in
59. beteiligten Schweratome eine planare Geometrie besitzen Bei der Valenz sind allerdings weitergehende Einschr n kungen zu beachten Kohlenstoff hat in der Kekul formeln Reprasentation von aroma tischen Ringsystemen zwei Einfachbindungen und eine Doppelbindung Betrachtet man die Heteroatome die in aromatischen Heterozyklen vorkommen kann nur Stickstoff eine Einfach und eine Doppelbindung aufweisen Sauerstoff zum Beispiel kann hingegen nur Funktionelle Gruppen die als Substruktur in anderen funktionellen Gruppen enthalten sind werden nicht entfernt Daher kommen in der Abbildung einige Motive fter und oder als Teile von ande ren vor Die Aufteilung in funktionellen Gruppen wird durch das NAOMI Molek lmodell 71 zur Verf gung gestellt 57 5 Methoden 0 0 0 0 O U f r ersetzbare Stickstoffatome Die Stickstoffatome die K des Phar Aromatizit t bleibt in beiden F llen erhal en nicht entfernt werden k nnen ten Links das Akzeptormerkmal w rde nach ei ner Ersetzung nicht mehr erf llt werden Rechts das neu hinzugef gte Wasserstoffa tom w rde die Pharmakophorform verlet zen Abbildung 5 4 2 Entfernen von Stickstoffatomen aus aromatischen Heterozyklen zwei Einfachbindungen ausbilden Die Atome die f r eine Ersetzung geeignet sind lassen sich leicht ber ihre zugewiese nen Valenzzust nde identifizieren da in dem NAOMI Molek lmodell den aromatischen Systemen stets Kekul formeln zugrunde lieg
60. bildung 5 3 2 Die Ergebnisse aus der Parametrisierung der Ausrichtung von Molek len an den Pharmakophor Insgesamt wurden die Parameter in vier Ite rationen verbessert wobei jeweils vier verschiedene Parameter variiert wurden Zwei Parameter wurden f r die Einteilung in neun Einzelgra phen verwendet und die weiteren f r die Aufteilung der Einzelgraphen eingesetzt F r jede Parameterkombination wurde die Zahl der korrekt ausgerichteten Molek le farbkodiert in dem Graphen aufgetragen 54 5 4 Nachtragliche Entdekoration von Molekiilen Dritte Iteration F r die dritte Iteration wurden erneut verschiedene Abk hlungsstrate gien kalt nach 15 20 25 erprobt sowie die Anzahl an Schritten zwischen 1300 1400 und 1500 variiert Bei den Konformations nderungen wurden unterschiedliche Ver h ltnisse zwischen Rotation und Translation erkundet sowie die maximale Translation aus 0 2A 0 4A und 0 6 ausgew hlt Insgesamt waren die meisten korrekt ausgerichteten Molek le im Diagramm in der 3 Zeile und 2 Spalte zu finden was darauf schlie en l sst dass eine maximale Translation von 0 4 kombiniert mit einem Verh ltnis von Rotation zu Translation von 1 3 gute Ergebnisse liefert Allerdings lie en sich erneut keine Aussagen den Abk hlungsstrategien und der Anzahl an Optimierungsschritten machen Vierte Iteration In der letzten Iteration wurden die Maximalwerte f r die Torsions n derungen und Rotationen zwischen 10 15 und
61. computational approaches to estimate solubility and permeability in drug dis covery and development settings Advanced Drug Delivery Reviews 46 1 3 3 26 2001 73 95 VANE J R Inhibition of prostaglandin synthesis as a mechanism of action for aspirin like drugs Nature New Biology 231 25 232 235 1971 78 DANNHARDT G und S LAUFER Structural approaches to explain the selectivi ty of COX 2 inhibitors is there a common pharmacophore Current Medicinal Chemistry 7 11 1101 1112 2000 78 KURUMBAIL R G A M STEVENS J K GIERSE J J MCDONALD R A STE GEMAN J Y PAK D GILDEHAUS J M MIYASHIRO T D PENNING K SEI BERT P C ISAKSON und W C STALLINGS Structural basis for selective inhibition of cycloorygenase 2 by anti inflammatory agents Nature 384 6610 644 648 1996 79 STAHL M und M RAREY Detailed analysis of scoring functions for virtual scree ning Journal of Medicinal Chemistry 44 7 1035 1042 2001 79 102 103 104 105 106 107 108 109 110 A Literaturverzeichnis GARG R A KURUP S B MEKAPATI und C HANSCH Cyclooxygenase COX inhibitors a comparative QSAR study Chemical Reviews 103 3 703 732 2003 82 SLOMA I X JIANG A C EAVES und C J EAVES Insights into the stem cells of chronic myeloid leukemia Leukemia Official Journal of the Leukemia Society of America Leukemia Research Fund U K 24 11 1823 1833 2010 84 LEVITZKI A und E MIS
62. d Annealing Tabelle D 5 Parameters tze f r die Parametrisierungsstudie im vierten Lauf b Konformations nderungen 127 E Eidesstattliche Erkl rung Hiermit erkl re ich an Eides statt dass ich die vorliegende Arbeit selbst ndig und oh ne Benutzung anderer als der angegeben Hilfsmittel angefertigt habe Die aus anderen Quellen oder indirekt bernommenen Daten und Konzepte sind unter Angabe der Quelle gekennzeichnet Die Arbeit wurde bisher weder im In noch im Ausland in gleicher oder hnlicher Form in einem Verfahren zur Erlangung eines akademischen Grades vorgelegt Es wurde an keinem anderen Fachbereich ein Antrag auf Er ffnung eines Promotionsverfahrens gestellt K ln 8 Dezember 2011 Tobias Lippert 128
63. daraufhin untersucht wie gut es den Pharmakophor erf llen kann Dazu muss der Raum der m glichen Konformationen des Molek ls durchsucht werden was in Qsearch mithilfe eines stochastischen Algorithmus durchgef hrt wird Ein Vorverarbeitungsschritt bietet sich in diesem Szenario nicht an da jedes Molek l in der Regel nur ein einziges Mal betrachtet wird Bevor ein Molek l an einem Pharmakophor ausgerichtet wird wird berpr ft ob es unter den letzten n ausgerichteten Molek len war Ist dies der Fall so wird das zwi Dn ist ein frei w hlbarer Parameter In den hier pr sentierten Berechnungen wurden n so gew hlt dass 49 5 Methoden Abbildung 5 3 1 Freiheitsgrade bei der Optimierung der Konformation in rot Trans lation und Rotation im Raum sowie Ver nderung der Torsionswinkel an rotierbaren Bindungen schengespeicherte Ergebnis der letzten Ausrichtung wiederverwendet Es beinhaltet die numerische Bewertung des Molek ls das Molek l das durch den Entdekorierungsschritt entsteht und die jeweils dazugeh rigen Koordinaten Die Identit t der Molek le wird ber den USMILES 88 bestimmt der ber die NAOMI Implementierung 71 mit den zus tzlich annotierten Stereoinformation berechnet wird 5 3 1 Stochastische Optimierung der Konformation Bei der Suche nach einer m glichst optimalen Konformation wird wie auch bei der Mole k lgenerierung auf die Methode Simulated Annealing 83 zur ckgegriffen Der Algor
64. den bekannten Wirkstoffen wie zum Beispiel bei Imatinib beobachtet werden k nnen Dies ist ein erwartbares Ver 89 6 Ergebnisse und Diskussion a pe t LG T Bo Abbildung 6 3 3 Generierte L sungen f r die BCR ABL Tyrosinkinase mit neuartigen Grundger sten Die Molek le sind unten mit ihrer Strukturformel an gegeben und oben in magenta in 3D dargestellt In der 3D Abbildung ist jeweils Imatinib in cyan zu sehen Gr ne Kugeln repr sentieren aromatische Pharmakophormerkmale cyanfarbene Kugeln Akzeptor merkmale 90 6 3 BCR ABL Tyrosinkinase Inhibitoren Abbildung 6 3 4 In der Fragmenterweiterung generiertes Molekiil Molekiil auf Rang 5 gr n berlagert mit Imatinib gelb Das meta substituierte Py rimidin wurde durch ein Ethinyl und das terminale Pyridin durch ein Benzo 1 2 5 oxadiazol unter Erhaltung des Wasserstoffbr ckenbin dungsmusters ersetzt Es ist zu erkennen dass es dem Startfragment erlaubt war sich leicht zu bewegen halten da sie nicht Teil der Pharmakophorhypothese waren Um die Interaktionen mit der Zielstruktur zu optimieren m ssten die gefundenen L sungen entweder manuell oder mit anderen computergest tzten strukturbasierten Methoden verbessert werden Am Beispiel der L sung mit dem sp hybridisierten Kohlenstoffatom seien hier mehrere potentielle Optionen f r eine Optimierung dargelegt Bei der Analyse der dreidimensiona len Struktur von Imatinib in der Kristallstruktur
65. den sich die Linkatome an star ren molekularen Strukturen so kann durch die Verkn pfung mehrerer solcher Fragmente eine gro e Vielfalt an starren molekularen Formen gewonnen werden Von den beiden M glichkeiten die geometrische Variabilit t in Fragmentr umen zu beeinflussen ist im Kontext der Wirkstoffforschung die Verkn pfung von starren Frag menten zu bevorzugen da eine erh hte Flexibilit t ber den Entropieterm das chemische Gleichgewicht von Protein Ligand Komplexen auf die Seite der ungebundenen Edukte verschiebt 91 Die Bindungsaffinit t von Wirkstoffen wird also durch eine h here Flexi bilit t innerhalb von Liganden erniedrigt Statistische Analyse Im Falle der BRICS R ume l sst sich feststellen dass die geo metrische Diversit t der Fragmente in Bezug auf die Anordnung der Exitvektoren nicht stark ausgepr gt ist In Abbildung 6 1 1 ist erkenntlich dass ein Gro teil der in ihnen enthaltenen Fragmente planar oder nahezu planar ist Dies gilt f r circa 70 der Mole k le in den Standard BRICS R umen und circa 55 der Molek le in dem angereicherten BRICS Raum und ist eine direkte Konsequenz der Methode mit der die Fragmentr ume Qsearch ber cksichtigt das Wechseln von Ringkonformationen nicht explizit Stattdessen muss f r jede Ringkonformation ein Fragment in der Eingabe vorhanden sein 70 6 1 Analyse der verwendeten Fragmentr ume 0 0 0 1 0 2 0 3 0 0 0 1 0 2 0 3 BRICS_4k BRICS 4k BRICS 9k BRICS
66. denen die nicht be n tigten im Entdekorierungsschritt entfernt werden So kann Qsearch auf einen gr eren Raum an Arrangements von funktionellen Gruppen zur ckgreifen 6 1 4 Chemische Diversit t Il aromatische Heterozyklen Bedeutung Ringsysteme finden in Wirkstoffen sowohl als Strukturmotiv als auch als funktionelle Gruppe breite Anwendung wobei sie entweder dazu dienen k nnen inter agierende Gruppen in einem bestimmten Abstand zueinander zu fixieren oder selbst Interaktionen auszubilden Dabei haben aromatische Heterozyklen regul ren Ringen ge gen ber den Vorteil dass sie in der Regel keine Stereozentren tragen Aromatische He terozyklen liegen klassischerweise als Ringe mit f nf oder sechs Atomen vor wobei die Sechsringe im WDI relativ h ufiger als F nfringe vorkommen Statistische Analyse Die Ergebnisse der Analyse sind in Abbildung 6 1 4 zusammen gefasst Es ist ersichtlich dass bei den F nfringen der verwendeten Fragmentr ume eine 75 6 Ergebnisse und Diskussion 012 3 4 0123 4 bebe ddd LLJ v WDI BRICS_4k BRICS_4k BRICS_9k BRICS 20k 2 50 ES 40 L 30 oO 20 g 10 o0 012 3 4 012 3 4 0123 4 Heteroatome a Verteilung von Heteroatomen in aromatischen F nfringen In den BRICS R umen gibt es bedeutend mehr Ringe mit zwei Heteroatomen als im WDI 0 1 2 8 0 1 2 3 A DEREN DEREN WERE TEEN WERE TERN BERN WERE WERE VER WERE DEREN DEREN WERE REN LL
67. e aus der Definition ersichtlich lassen sich die Eigenschaften in sterische Eigenschaf ten und elektronische Merkmale aufteilen Die sterischen Eigenschaften beschreiben den Raum den ein ein Molek l innerhalb der Zielstruktur einnehmen kann ohne mit ihr zu kollidieren Dieser Ort innerhalb der Zielstruktur entspricht in der Regel dem aktiven Zentrum eines Enzyms kann aber auch an anderen Stellen wie zum Beispiel den Erken nungsstellen f r Protein Protein Interaktionen liegen Um diesen Raum f r eine konkrete Zielstruktur zu bestimmen gibt es zwei verschiedene M glichkeiten Wenn dreidimensio nale Informationen ber die Zielstruktur vorliegen so kann das aktive Zentrum direkt als Matrize verwendet werden um das zur Verf gung stehende Volumen zu definieren Liegen keine solche Informationen vor so wird dieser Raum von Molek len abgeleitet die bekannterma en an dieser Stelle binden Dazu werden ihre dreidimensionalen Struk turen entweder manuell oder algorithmisch berlagert und als Basis f r eine Hypothese der Form des aktiven Zentrums verwendet Die elektronischen Merkmale beschreiben die chemischen Eigenschaften das Molek ls die idealerweise komplement r zu denen der Zielstruktur sind Um diese zu erf llen m ssen sie dergestalt sein dass Schl sselinteraktionen zwischen dem Wirkstoff und der Zielstruktur erm glicht werden Diese Informationen k nnen hierbei analog zu den steri schen Eigenschaften entweder ber die dreid
68. ehende Interaktion zwischen einem Wasserstoffatom eines Molek ls oder eines Molek lfragments X H in dem X elektronegativer als H ist und einem Atom oder einer Gruppe von Atomen in dem gleichen oder einem anderen Molek l in der es Hinweise auf eine Bindungsausbildung gibt bersetzt aus 6 Wenn die an einer Wasserstoffbr ckenbindung beteiligten Atome in der Form X H Y Z dargestellt werden wird die X H Komponente als Donor und die Y Z Komponente als Akzeptor bezeichnet In der Regel betr gt der Winkel zwischen den Bindungen von X H und Y 180 und je n her der Winkel an dieser Idealgeometrie liegt desto st rker ausge pr gt ist die Interaktion 7 Salzbr cken Eine hnlich gut untersuchte Art von Interaktionen sind die Salzbr cken die zwischen geladenen funktionellen Gruppen ausgebildet werden Jl Dabei spielen die elektrostatischen Anziehungskr fte zwischen positiven und negativen Ladungen eine ent scheidende Rolle Prinzipiell gelten f r Salzbr cken die gleichen Voraussetzungen wie f r Wasserstoffbr ckenbindungen denn auch ihre Ausbildung h ngt stark von der geometri schen Ausrichtung der Atome ab F r die Ausbildung von Salzbr cken werden allerdings noch gegens tzliche Formalladungen an den beteiligten Gruppen ben tigt Metallkomplexierung Metalle spielen in der strukturellen Stabilit t vieler Proteine so wie bei der Vermittlung von Reaktionen in deren aktiven Zentren eine Schl sselrolle 9 Hierbei werd
69. em Ring system angeh ren oder als Verbindungsatom fungieren 19 2 Grundlagen Abbildung 2 4 1 Der HSP90 Inhibitor NVP AUY922 a und das molekulare b graph basierte c und reduzierte Grundgeriist d nach Langdon et al 19 Diese Definition kommt der intuitiven Definition von Grundger sten in der medizini schen Chemie nahe ist allerdings nicht vollst ndig Als Beispiele seien die Benzodiazepine und die Chinolone in den Abbildungen 2 4 2 beziehungsweise 2 4 3 aufgef hrt die im fol genden erl utert werden Bei den Benzodiazepinen berschneidet sich das graphbasierte Grundger st mit dem in der medizinischen Chemie blichen Ger st Allerdings beinhaltet dieses zus tzlich noch Informationen ber die Art der Bindungen die Elemente der Atome und die Aroma tizit t der Ringe Au erdem wird deutlich dass die graphbasierte Definition nicht den Fall beachtet in dem ein Grundger st als Substruktur in einem anderen enthalten ist Dies wird in der in Abbildung 2 4 2 e abgebildeten Struktur klar Sie z hlt nach der klassischen Definition mit zu den Benzodiazepinen w rde allerdings Bemis und Murcko in eine eigene Klasse fallen da der anellierte Ring zu dem Grundger st hinzugerechnet wird Um die Schwierigkeiten bei der Definition von Grundger sten weiter zu erl utern seien die Chinolone aufgef hrt die als Antibiotika breite Anwendung finden Das in der medizinischen Chemie verwendete Grundger st ist in Abbild
70. en Alle Stickstoffatome in aromatischen Sys temen mit dem Valenzzustand N 110 Aro k nnen durch C 210 Aro Kohlenstoffatome ersetzt werden Die zweite Einfachbindung des Kohlenstoffs wird mit einem neu hin zugef gten Wasserstoffatom abges ttigt Der Atomersetzungsschritt findet direkt nach der Eliminierung unn tiger funktionellen Gruppen statt um die Wahrscheinlichkeit zu verringern dass die die hinzugef gten Wasserstoffatome mit anderen Atomen kollidieren 5 5 Bewertung von Konformationen Sowohl f r die Suche im Fragmentraum als auch f r die Optimierung von Konformationen ist es n tig Molek le und Konformationen in Bezug auf die Erf llung eines Pharmako phors zu vergleichen Qsearch verwendet eine numerische Funktion Pscore M P um ein Molek l M in Bezug auf einen Pharmakophor P zu bewerten Diese Funktion ber ck sichtigt zwei Aspekte in ihrer Beurteilung Zum einen wird die geometrische Validit t der Konformation bewertet und zum anderen die Erf llung des Pharmakophors durch das Molek l Pscore M P Peont M RR Ppharm M P Bewertung der internen Energie einer Konformation Ziel des Terms pconf M ist es physikalisch invalide Konformationen von Molek len zu vermeiden wobei sich die Vali dit t von Konformationen von Molek len in Bezug auf mehrere Aspekte bewerten l sst 58 5 5 Bewertung von Konformationen F r miteinander verbundene Atome werden dazu klassischerweise die Bindungsl nge der Bindun
71. en Metall Ionen durch funktionelle Gruppen mit freien Elektronenpaaren innerhalb eines Proteins und teilweise unter Miteinbeziehung von weiteren Molek len koordiniert Wie bei den Wasserstoffbr ckenbindungen ist die Geometrie bei Me tallkomplexierungen ebenfalls starken Restriktionen unterworfen was die Position und Orientierung der interagierenden Gruppen angeht a Stacking Das Stacking ist ein Spezialfall der London Kr fte die die anziehende Kraft zwischen benachbarten nicht polaren Gruppen durch gegenseitig induzierte Dipole beschrieben Es ist eine der essentiellen Grundlagen f r die Ausbildung von dreidimen sionale Struktur von Biomakromolek len wie DNA 10 Besonders ausgepr gt sind diese Interaktionen zwischen 7 Systemen die in bestimmten Winkeln zueinander stehen 11 16 2 3 Pharmakophore T Abbildung 2 3 1 ACE 2 Pharmakophor nach Rella et al 12 In gr n sind hydrophobe Merkmale dargestellt und in cyan links oben die Richtung eines Akzep tormerkmals und in der Mitte das Zentrum von zwei Akzeptormerk malen Die sterischen Eigenschaften sind als Wolke um das Molek l angedeutet 2 3 Pharmakophore Pharmakophore sind eine Methode aus der medizinischen Chemie um Schl sselinterak tionen zu formulieren die f r die biologische Aktivit t von Wirkstoffen relevant sind Historisch wurde das Konzept 1967 das erste Mal von Lemont B Kier 13 beschrieben und 1971 als Begriff gepr gt 14 15 De
72. en Nutzen dass er die Vergleichbar keit der generierten Ergebnisse mit bekannten Inhibitoren vereinfacht da der Suchraum kleiner ist und die vorkommenden Strukturmotive einfach denen der aktiven Molek len zuzuordnen sind Durchf hrung und Ergebnisse Mit dem targetspezifischen Fragmentraum und dem oben beschriebenen Pharmakophor als Eingabe wurde das Programm 8 Minuten lang ausgef hrt Als Besonderheit wurde in diesen L ufen der Entdekorierungsschritt ausgelassen um die speziellen Eigenschaften des Fragmentraums zu bewahren Dabei wurden genau 100 Molek le die dem Pharmako phor gen gen erzeugt Die generierten Molek le wurden manuell den verallgemeinerten Grundgeriisten aus der SkelGen Validierung von Stahl et al 54 zugeteilt Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 1 aufgef hrt wo zu jedem Grundger st mindestens eine entsprechende L sung abgebildet ist In einem zweiten Experiment diente statt des targetspezifischen Fragmentraums der BRICS_4k Fragmentraum als Eingabe Das Programm wurde auf der gleichen Rech Laptop mit Intel Core Duo mit 2GHz 4GB Speicher OpenSuse 11 3 79 6 Ergebnisse und Diskussion Grundger st Qsearch Bekannter Inhibitor Grundgeriist Qsearch Bekannter Inhibitor Tabelle 6 1 Auswahl von Molekiilen die im COX 2 Beispiel aus dem targetspezifischen Fragmentraum generiert wurden Erste Spalte verallgemeinertes Grundge r st mittlere Spalte generierte L sung rechte Spalte bekanntes aktiv
73. en m ssen Eine solche Methode k nnte bei der manuellen Interpretation der Ergebnisse die Qsearch lie fert unterst tzend eingesetzt werden Dar ber hinaus besitzt dieses Konzept ein gro es Potential bei der Gruppierung und Visualisierung von Molek ldatens tzen in Bezug auf eine konkrete Zielstruktur Weitergehende intelligente Modifikation von Molek len Die bisher implementierte Ersetzung von funktionellen Gruppen hat die Ergebnisse von Qsearch bei der Verwen dung der BRICS Fragmentr ume stark verbessert Trotzdem bleibt Raum f r eine weiter gehende Modifikation von Molek len w hrend der Ausrichtungsphase oder als Nachbe arbeitungsschritt Eine geometrieerhaltende Ersetzung von flexiblen Molek lteilen durch starre Komponenten in einer Nachbearbeitungsphase k nnte die Wirkstoff hnlichkeit der Ergebnisse erh hen und das Hinzuf gen von funktionellen Gruppen oder das Ver ndern von Atomen an Stellen wo ein Pharmakophor nicht erf llt ist den Suchraum weiter um relevante Teile erweitern Die Anwendbarkeit von Teilen dieses Ansatzes wurde bereits in SkelGen 51 gezeigt wo Heteroatome dynamisch hinzugef gt werden In der Diskussion in Abschnitt 6 5 1 wird au erdem ersichtlich dass der Einsatz hydro phober Pharmakophormerkmale in Qsearch bisher noch nicht uneingeschr nkt m glich ist Insbesondere bei der Verwendung der BRICS Fragmentr ume werden kaum Molek le erzeugt die die erw nschten Merkmale aufweisen Hydrophobe Regionen
74. en resultieren Die Information ber funktionellen Gruppen die f r diese Klasse charakteristisch sind w re demnach genauso wenig wie die Aromatizit t enthalten Da eine abschlie ende Kl rung des Grundger stbegriffs noch ungekl rt ist wird in dieser Arbeit je nach Anwendung sowohl auf die graphbasierte als auch auf die tradierte Grundger stdefinitionen zur ckgegriffen um die Ergebnisse von Qsearch zu analysieren 2 4 2 Grundger stwechsel Unter einem Grundger stwechsel versteht man in der pharmazeutischen Forschung die Ver nderung des chemischen Grundger sts eines Wirkstoffs unter Beibehaltung der bio logischen Aktivit t Grundger stwechsel sind h ufig das Ziel von pharmazeutischen For schungskampagnen und die Arbeiten an Qsearch wurden unter anderem daf r durch gef hrt medizinische Chemiker hierbei zu unterst tzen Ein Grundger stwechsel kann durch eine Reihe von Gr nden notwendig werden Dazu geh rt vor allem die Verbesserung von pharmakologischen Eigenschaften wie die Wasserl slichkeit Potenz oder Toxizit t Dar ber hinaus lassen sich mit Grundger stwechseln auch Patente von Mitbewerbern umgehen und neues geistiges Eigentum schaffen Eine Reihe von ver ffentlichten Artikeln 22 23 24 bietet eine gute bersicht ber die aktuellen Methoden und Anwendungen auf diesem Feld Die Unsicherheiten bei der Definition eines chemischen Grundger sts ziehen sich weiter durch bis zum Grundger stwechsel Da f r erst
75. en zyklischen Harnstoffs relativ unwahrscheinlich und erkl rt somit die gefundenen Ergebnisse Ponatinib Die Struktur von Ponatinib ist chemisch weitaus entfernter von Imatinib die der vorherigen Beispiele Trotzdem teilt es ihre grunds tzliche Linearit t im topologischen Aufbau des Grundger sts Die in Ponatinib eingef hrten nderungen beinhalten unter anderem die Ersetzung des Pyrimidinrings durch Ethinyl und die des terminalen Pyridins durch einen anellierten aromatischen Heterozyklus Keine der L sungen beinhaltet die Ethinylersetzung da an dieser Stelle vom Pharmakophors ein aromatischer Ring gefordert wird Allerdings wurde der terminale Pyridinring durch ein Benzooxazol ersetzt das sehr hnlich zu dem Heterozyklus ist der in Ponatinib zu finden ist Neuartige und nicht lineare Grundger ste Zus tzlich zu den Variationen in den Topo logien der Grundger ste die die bekannten aktiven Molek le aufweisen und die allesamt linear sind vgl Abbildung 6 3 1 wurden neuartige nicht lineare Grundger ste gene riert Zwei Beispiele sind in Abbildung 6 3 3 dargestellt Das erste Molek l f hrt mithilfe eines sp hybridisierten Kohlenstoffatoms eine neue Verzweigung ein und das zweite Molek l erh lt durch ein bizyklisches System mit ortho Substitution eine neuartige To pologie Werden diese L sungen in das aktive Zentrum der Zielstruktur platziert und analysiert so bilden diese Molek le nicht alle Interaktionen aus die bei
76. ensionalen Pharmakophor bewertet werden Im Vergleich zu aufwendigeren Scoring Funktionen erm glicht dies Geschwindigkeitsvorteile da nur ein fache geometrische Berechnungen notwendig sind und die Anzahl der Kriterien f r die Bewertung des Liganden niedrig gehalten wird Um die Suche weiter zu beschleunigen werden in jedem Anbauschritt Mindestanforderungen f r die weitere Expansion einer Teill sung definiert Erf llt eine Teill sung diese nicht so wird sie verworfen wodurch sich fr hzeitig Bereiche des Suchraums als nicht erfolgversprechend identifizieren und berspringen lassen Erst nachdem ein Molek l vollst ndig aufgebaut worden ist wird es unter Ber cksich tigung der gesamten Bindetasche mithilfe eines Kraftfeldes minimiert und anschlie end durch eine Scoring Funktion bewertet Letztendlich werden s mtliche erzeugte L sungen in einer Ergebnisliste zusammengefasst und dem Benutzer zur ckgegeben Die Anwendbarkeit des Ansatzes wurde durch die Reproduktion von spezifischen Li ganden aus gro en Fragmentr umen gezeigt So befand sich ein solcher Ligand f r Renin unter 24 000 generierten L sungen und f r den Estrogenrezeptor konnte er unter 142 000 generierten Molek len gefunden werden 3 5 Neuheitswert der Methode Die in Qsearch zum Einsatz kommende Kombination von dreidimensionalen Pharma kophoren mit dem stochastisch unterst tzen Erstellen von Molek len aus chemischen Fragmentr umen und einer dynamischen Ausric
77. entrum zur Verf gung steht In Qsearch erf llt ein Molek l die sterischen Auflagen eines Pharmakophors dann wenn keines seiner Schweratome au erhalb der Pharmakophorform liegt was ber die Atom mittelpunkte bestimmt wird Dass die Wasserstoffatome vernachl ssigt werden kann ber ihre geringe Gr e gerechtfertigt werden und erm glicht bedeutende Geschwindig keitsvorteile die sich auch vergleichbare Methoden zu nutze machen 18 4 3 2 Elektronische Pharmakophormerkmale Neben dem sterischen Anteil beinhaltet ein Pharmakophor auch elektronische Merkmale die ebenfalls Bedingung f r die molekulare Erkennung eines Molek ls sind Diese Merk male werden von Qsearch mithilfe von annotierten Kugeln modelliert Sie beschreiben die r umliche Verteilung der elektronischen Eigenschaften die ein Molek l aufweisen muss um dem Pharmakophor zu entsprechen Die elektronischen Eigenschaften entstammen einem Konsens der zwischen den etablierten Methoden gebildet hat und zuerst in der Beschreibung des Programms Catalyst 73 formuliert wurde 74 vgl Abschnitt 2 3 Die Pharmakophormerkmale sind eng mit dem Interaktionsmodell verbunden wobei sich f r die meisten Merkmale eine 1 1 Beziehung zu den Interaktionstypen herstellen l sst Die Annotationen der Kugeln beziehen sich auf die potentiellen Interaktionen die ein Molek l ausbilden kann wobei eine Kugel sich entweder auf den Start oder 38 4 3 Pharmakophormodell Phi ee a
78. er Hypothese dass die Atombeitr ge unabh ngig voneinander zum Volumen beitragen wurde eine lineare Regressionsanalyse auf den Daten angewendet Daf r wurden aus den 2 7 Millionen Molek len zuf llig 100 000 als Trainingsdatensatz ausgew hlt F r jedes Molek l wurde das Volumen geometrisch ber die Vereinigung der Atomkugeln berechnet und die jeweilige Atomtypverteilung bestimmt Diese Daten wurden als Grundlage f r eine Analyse der Atomtypenbeitr ge mittels QR Zerlegung verwendet Das entstandene Modell zeigte einen r Wert von 0 9987 was f r einen sehr guten Zusammenhang zwischen den Atomtypen und den Volumen steht Die einzelnen Atomtypenbeitr ge sind in Anhang C aufgef hrt Um das Verhalten der Methode im Vergleich zu anderen beurteilen zu k nnen wurde das Modell von Zhao 78 als Alternative herangezogen Das Modell berechnet das Volu men f r ein Molek l M auf Basis der Volumenbeitr gen der einzelnen Atomkugeln und kompensiert ihre berschneidungen mithilfe der Anzahl der Bindungen B sowie der Anzahl aromatischen Ra und nicht aromatischen Ryna Ringsysteme vdw a liefert das van der Waals Volumen eines Atoms 3Fiir die Auswahl ausschlaggebend war die Verf gbarkeit bzw Nichtverf gbarkeit von alternativen Methoden und Datens tzen die nur kommerziell verf gbar sind 42 4 5 Molekulares Volumen O C CH LO N o oi ao 2 ai lt Cc CH Wa CH E Lo kel E 3 Q CH 8 CH CH Lo
79. erden Dabei wird ein vom Benutzer vorgegebenes Start fragment so mit den Fragmenten eines Fragmentraums erweitert dass das vollstandige Molek l einen Pharmakophor erf llt Diese abgewandelte Vorgehensweise wird Fragmen terweiterung genannt und unterscheidet sich in folgenden Punkten e Das Startfragment darf nicht ver ndert werden Das gilt sowohl f r die fragment basierte Modifikation von Molek len als auch f r die Entdekorierungsschritte e In der Ausrichtungsphase darf sich das Startfragment nur wenig bewegen Dies wird durch einen zus tzlichen Term in der Straffunktion erreicht der f r alle Schwera tome des Startfragments die Distanz zu ihrem Ausgangspunkt bestraft Die Strafe errechnet sich aus der Summe der quadrierten Entfernungen aller Startatome zu ihren jeweiligen Ursprungspositionen 68 6 Ergebnisse und Diskussion In diesem Kapitel wird eine Auswahl von Ergebnissen die mit Qsearch in vier Anwen dungsszenarien gewonnen wurden vorgestellt und diskutiert Um ein m glichst breites Bild ber die M glichkeiten und Einschr nkungen der Methode zu gewinnen wurden in den Szenarien der Pharmakophor die Fragmentr ume und der Modus Fragmenterwei terung beziehungsweise freie Suche variiert Das Kapitel beginnt mit einer Analyse der Fragmentr ume die als Eingabe verwendet wurden In den darauf folgenden Anwendungsbeispielen wird mit COX 2 als Beispiel die F higkeit von Qsearch beleuchtet auf Basis eines u
80. eres keine schl ssige Definition existiert kann letzteres offensichtlich auch nicht befriedigend beschrieben werden Der bergang von einfachen Modifikationen eines Grundger sts zu Spr ngen ist flie end und nicht ausreichend definiert Um Mehrdeutigkeiten vorzubeugen werden in diesem Kontext nur Ver nderungen im Grundger st als Grundger stwechsel angesehen durch die die Topo logie des Grundger stes sich ver ndert vgl Abbildung 2 4 4 2 5 Chemische Fragmentr ume Chemische Fragmentr ume werden in der computergest tzten medizinischen Chemie da zu verwendet zum Teil sehr gro e Mengen von Molek len in einer kompakten Art und Weise zu beschreiben Dabei finden Fragmentr ume nicht nur im de novo Design Anwen dung sondern auch bei der Erstellung von kombinatorischen Bibliotheken wobei sich je 3Wie im vorherigen Abschnitt erkl rt ist die Definition der Grundger ste im Allgemeinen noch nicht gekl rt Nichtsdestotrotz gibt es f r praktisch alle Wirkstoffklassen in der medizinischen Chemie tradierte Grundger stkonzepte die den jeweiligen Ausf hrungen zugrunde gelegt werden 22 2 5 Chemische Fragmentr ume H3C SW o IW o N NS Ze INT N cl y CH3 y N N ot COD E oe cl N oO Dy o gt Ge Ae gt Q 3 r E CH gos CH3 a b c d Abbildung 2 4 4 Beispiel eines Grundger stwechsel aus 22 Ausgehend von Diazepam a Benzodiazepine wurde das Grundger st ber Zopicl
81. erse Transkriptase Inhibitor MSC194 PDB liky 107 mit dem f r die Parametrisierung verwendeten Pharmakophor Auf dem Nitril ist ein Akzeptormerkmal cyan mit einer Richtung und auf dem Thioharnstoff eines mit zwei Richtungen platziert Die Richtungen der aromatischen Merkmale gr n sind nicht dargestellt rierte Molek l zeigt einen sehr guten Volumen berlapp und entspricht allen Vorgaben des Pharmakophors 6 4 Parametrisierung von Qsearch Um die Simulated Annealing Prozedur in Qsearch zu optimieren wurden diverse Parame ters tze erprobt Allerdings konnte die Auswahl nicht durch eine fundierte statistische Analyse durchgef hrt werden Grundlage hierf r ist eine hohe Anzahl an Messpunkten die nur durch eine automatische Bewertung der Ergebnisse m glich ist Da die Qualit t der Ergebnisse nicht automatisch bewertbar ist wurde die Anzahl der generierten Molek le als Optimierungskriterium verwendet Im folgenden werden die Experimente beschrieben die f r die Parametrisierung verwendet wurden Der Pharmakophor f r die Studien wurde mithilfe der Struktur des Reverse Transkriptase Inhibitors MSC192 PDB 1iky 107 erstellt Er ist in Abbildung 6 4 1 skizziert und besteht aus zwei gerichteten Akzeptormerkmalen sowie zwei gerichteten aromatischen Merkmalen Die Form wurde durch das Platzieren von Kugeln mit einem Radius von 1 8 auf allen Schweratomen definiert Als Qualit tskriterium f r die Optimierung wurde die Anzahl der
82. es Molek l In blau 4 Zeile rechte Seite ist eine L sung mit einem neuarti gen Ringschluss hervorgehoben 80 6 2 COX 2 Inhibitoren ZoRo ef Se RER ao Ap B OQ i A CL Gol io Ic Tabelle 6 2 Bekannte Grundger ste von COX 2 Inhibitoren neben von Qsearch erstell ten L sungen In der ersten Spalte sind generalisierte Darstellung der mole kularen Grundger ste abgebildet Die Zahlen in den Ringen repr sentieren eine variable Anzahl an Atomen Gezeichnete Einfachbindungen k nnen so wohl Einfach als auch Doppelbindungen repr sentieren Daneben sind von Qsearch generierte L sungen zu sehen 81 6 Ergebnisse und Diskussion nerumgebung ausgef hrt allerdings aufgrund des gr eren Suchraums mit 16 Minuten doppelt so lange wobei circa 500 L sungen erhalten wurden Die L sungen wurden eben falls manuell den bekannten Grundger sten zugeordnet und in Tabelle 6 2 mit ihren korrespondierenden Grundger sten aufgetragen Genau wie im ersten Beispiel konnten Repr sentanten der bekannten Molek lger ste von COX 2 Inhibitoren unter den gene rierten L sungen gefunden werden Die einzige Ausnahme bildet die Klasse d in der og Tabelle Diese Klasse zeichnet sich durch ein zentrales planares sp hybridisierte Kohlen stoffatom aus an dem zwei aromatische Ringe und ein aliphatischer Ring gebunden sind Das zentrale Kohlenstoffatom konnte in keinem Ergebnismolek l gefunden werden Statt dessen wurden L sun
83. es Molek ls Wenn ein Molek l angeklickt wird wird es im 3D Fenster an gezeigt und Informationen zu dem Molek l werden in den Molek leigenschaften berechnet und dargestellt Zus tzlich werden Strafterme f r die einzelnen Pharma kophormerkmale berechnet und in den Pharmakophoreigenschaften dargestellt Load ber diesen Knopf k nnen Molek le aus einer externen Datei in die Liste geladen werden Clear ber diesen Knopf k nnen Molek le aus der Liste entfernt werden Nach einem Klick wird man vor die Wahl gestellt entweder die aktuell ausgew hlten Molek le oder die gesamte Liste zu l schen Write ber diesen Knopf k nnen Molek le in eine Datei geschrieben werden Nach einem Klick wird man vor die Wahl gestellt entweder die aktuell ausgew hlten Molek le oder die s mtliche Molek le zu schreiben Align ber diesen Knopf wird das aktuell ausgew hlte Molek l an dem Pharmakophor ausgerichtet Clip ber diesen Knopf wird der Entdekorierungsschritt auf das aktuell ausgew hlte Molek l angewendet Filter ber diesen Knopf kann ein Filter im NAOMI Format auf die Molek l Liste an gewendet werden Auf dem Knopf sind zwei Zahlen in einer Klammer angezeigt Die erste Zahl zeigt an wie viele Molek le dem Filter entsprechen und die zweite Zahl zeigt an wie viele Molek le insgesamt in der Liste vorhanden sind 120 B 1 Grafische Benutzerschnittstelle B 1 4 Pharmakophoreigenschaften In den Pharmakophore
84. etrisierung der NAOMI Atomtypen 71 in Bezug auf ihre Volumenbeitr ge vorgenommen Dazu wurde der ZINC lead like Datensatz 79 in der Version 8 mit 2 7 Millionen Molek len und annotierten dreidimensionalen Koordi naten verwendet Die einzelnen Molek leintr ge liegen in verschiedenen Protonierungs zust nden vor was eine umfassendere Ber cksichtigung von verschiedenen Atomtypen erm glicht als bei der Verwendung von Molek len mit Standardprotonierungen bei de nen zum Beispiel alle Carbons uren deprotoniert sind Ein Nachteil dieses Datensatzes ist dass die Koordinaten mithilfe eines Kraftfelds au tomatisch generiert wurden Dies f hrt zu einer Parametrisierung auf das zum Einsatz gekommene Chemiemodell in diesem Fall das der Firma OpenEye und nicht auf die phy 41 4 Modellierung 1 1 ma e BESSE ee oa 1 1 1 1 Zhao NAOMI Abweichung vom Volumen Abbildung 4 5 1 Vergleich der Abweichung vom nach Grant und Pickup 77 geome trisch ermittelten Volumen nach der Methode von Zhao und nach den NAOMI Atomtypen in einem Box Whisker Plot Die verwendeten Mo lek le entstammen dem WDI Datensatz aus 2008 sikalisch korrekten Werte Allerdings sollte die Gr enordnung der Unterschiede zwischen verschiedenen Chemiemodellen bei der Verwendung in Qsearch nicht ins Gewicht fallen Diese Annahme wird durch den Vergleich mit von CORINA 80 generierten Koordinaten in Abbildung 4 5 2 bekr ftigt Entsprechend d
85. fen erwartet vgl WDI Werte in Abbildung 6 1 4 Zum anderen ist die Anzahl an Heteroatomen in den F nfringen erh ht Diskussion Anders als bei der Verringerung der Heteroatomanzahl in der Entdekorie rungsphase ist eine Korrektur des Verh ltnisses von F nf zu Sechsringen nicht ohne weiteres m glich Die Ringe sind geometrisch nicht quivalent und ein verschobenes Ver h ltnis in der Eingabe k nnte von den Benutzern beabsichtigt sein so dass eine Korrektur nicht durchgef hrt werden sollte F r einen Ausgleich der Verh ltnisse sind weitere Ar beiten n tig die die Gr nde f r ihre Verschiebung beleuchten Die berrepr sentierung der F nfringe resultiert in einem weiteren Problem W hrend Sechsringe leicht durch Benzenringe ohne Heteroatome ersetzt werden k nnen so muss in aromatischen F nfringen stets mindestens ein Heteroatom vorhanden sein um die Aromatizit t zu gew hrleisten was die Anzahl der Nichtkohlenstoffatome zu Lasten der Benutzerakzeptanz erh ht In die Erstellung des BRICS_4k Raumes floss bisher noch keine Bem hung die erw hnten Probleme auszugleichen Es ist jedoch davon auszugehen dass die Qualit t und vor allen Dingen die Nutzerakzeptanz der Ergebnisse ber eine solchen Schritt zu steigern ist 6 2 COX 2 Inhibitoren Nichtsteroidale Antirheumatika und die Cyclooxygenase 2 Die Cyclooxygenase ist ein Enzym das die Entstehung von Prostaglandinen aus Arachi dons ure katalysiert Da Prostagla
86. figkeit der drei M glichkeiten frei einstellbar ist Nach einer definierten Anzahl an Schritten wird die beste Konformation die w hrend des Suchvorgangs generiert wurde zur ckgegeben Da die Methode stochastisch ist kann nicht garantiert werden dass der gefundene Wert global gesehen optimal oder nahe am Optimum ist Um die Wahrscheinlichkeit zu reduzieren dass eine qualitativ schlechte L sung erhalten wird wird der Algorithmus mit jedem Molek l mehrmals durchgef hrt und nur der beste Wert aus allen L ufen verwendet In den bisherigen Anwendungen hat sich ein Wert von vier L ufen bew hrt Die einzelnen Optimierungsl ufe k nnen unabh ngig voneinander durchgef hrt werden und lassen sich daher gut parallelisieren was auf modernen Rechnersystemen gro e Ge schwindigkeitsvorteile bringt 5 3 2 Parametrisierung der stochastischen Optimierung Um eine gute Ausrichtung der generierten Molek le an den Pharmakophor zu gew hr leisten wurde eine Studie zur Parametrisierung der stochastischen Optimierung durchge f hrt Daf r wurde ein Datensatz von Molekiilen 89 verwendet die aus der Protein Da ta Bank 90 PDB extrahiert und ber ihre Bindungstaschen zusammengefasst worden sind F r jeden dieser Komplexe wurde sofern m glich und sinnvoll ein Pharmakophor erstellt und die dazugeh rigen Molek le mit verschiedenen Parameters tzen ausgerich tet Die Parameters tze wurden dann auf Basis der Anzahl der korrekt ausger
87. for mationen als Torsions nderungen besser waren als eine Gleichverteilung oder ein umge kehrtes Verh ltnis und dass ein maximaler Rotationswinkel von 10 zu guten Ergebnissen f hrt Zweite Iteration In diesem Schritt wurden verschiedene Starttemperaturen eingestellt schnellere Abk hlungszeitpl ne verwendet und die maximalen Torsions nderungen vari iert Da sich in der vorherigen Iteration zeigte dass mehr Transformationen als Torsions nderungen erfolgreicher sind wurden dar ber hinaus verschiedene Verh ltnisse zwischen Transformationen und Torsions nderungen verwendet 1 1 5 1 2 0 1 2 5 In dem Diagramm l sst sich erkennen dass ein Verh ltnis von Transformationen zu Torsions nderungen von 1 2 5 kombiniert mit einer maximalen Torsions nderung von 10 die meisten positive Ergebnisse liefert Teildiagramm links unten und sich eine Start temperatur von 20 0 ber alle Parametervariationen am besten auswirkt Eine eindeutige Aussage zu dem Abk hlungsverlauf lie nicht machen weswegen er in den nachfolgenden Iterationen weiterhin untersucht wurde 53 5 Methoden gleich 5 grd gleich 10 grd gleich 15 grd 1 1 5 10 grd 1 1 5 15 gtd 1 1 5 20 grd 50 so g g S 3 40 40 25 so 75 a5 so 75 a5 so 75 15 20 25 15 20 25 15 20 25 torsion 5 grd torsion 10 grd torsion 15 grd 1 2 0 10 grd 1 2 0 15 grd 1 2 0 20 grd 30 30 8 8 8 3 3 R S S g 8 20 20 25 so 75 a5 so 75 a5 so 75
88. g ltigen Defini tion des Begriffs Grundgeriist kann die Topologie der molekularen Strukturformeln als ein bestimmendes Element im Grundger stkonzept angesehen werden vgl Abschnitt 2 4 Folglich ist eine gro e Diversit t der Fragmente in Bezug auf die Topologie eine der Grundlagen f r den Zugang zu m glichst diversen Leitstrukturen Statistische Analyse In Abbildung 6 1 2 ist die Verteilung der Fragmente in Hinblick auf die Anzahl der Linkatome in den verwendeten Fragmentr umen aufgetragen Dabei ist klar ersichtlich dass die Verteilung in s mtlichen Fragmentr umen stark auf terminale Fragmente mit nur einem Linkatom konzentriert ist Nur ungef hr 20 der Fragmente weisen zwei oder mehr Linkatome auf In dem angereicherten BRICS_4k Raum finden sich mehr nicht terminale Fragmente allerdings besitzen auch hier ca 60 der Fragmente nur ein Linkatom 72 6 1 Analyse der verwendeten Fragmentr ume Konsequenzen Die Konsequenzen der pr sentierten Topologieverteilung in den BRICS R umen spiegeln sich in den pr sentierten Ergebnissen wider So hat die hohe Anzahl der Fragmente mit einem Linkatom unter anderem Einfluss auf die Ergebnisse f r den COX 2 Pharmakophor wo fast alle L sungen aus zwei terminalen Fragmenten bestehen F r den BCR ABL Pharmakophor konnten nur wenige Molek le gefunden die eine nicht lineare Topologie aufweisen in denen also Fragmente mit mehr als zwei Linkatomen verbaut wurden Diskussion Die
89. ge k nnen Pharmakophore und Molek le angezeigt werden Die 3D Anzeige l sst folgende Aktionen zu Zoomen Entweder ber das Mausrad oder Shift rechte Maustaste gedr ckt halten und die Maus nach links oder rechts bewegen Rotieren X Y Achse Rechte Maustaste gedr ckt halten und die Maus bewegen 121 D Benutzerhandbuch Rotation LZ Achse Shift linke Maustaste dr cken und die Maus bewegen Translation Mittlere Maustaste driicken und die Maus bewegen B 2 Kommandozeilenmodus Qsearch l sst sich fiir die Ausf hrung auf einem Rechencluster auf der Kommandozei le ausf hren Hierf r muss zuerst in der grafischen Benutzerschnittstelle unter Acti ons Write Commands eine Konfigurationsdatei erstellt worden sein Die Kommandozei lenparameter sind wie folgt commands lt DATEI gt obligatorisch Angabe zu verwendenden Konfigurationsdatei f r den Lauf output lt DATEI gt optional Angabe der Datei in die die Ergebnisse geschrieben wer den sollen Durch einen Aufruf mit einer Konfigurationsdatei startet das Programm und beendet sich nach der angegebenen Anzahl an Durchl ufen Es kann vorzeitig mit der Tasten kombination STRG C beendet werden 122 C Volumenbeitrage der NAOMI Atomtypen 123 C Volumenbeitr ge der NAOMI Atomtypen Name Volumen Name Volumen beitrag S beitrag O 100 11 542271 S 010 20 069154 C 020 10 803928 H 100 5 125386 S 200 Aro 19 246438
90. gen erzeugt in denen ein geometrisch quivalentes Stickstoffatom diese Position ausf llt Zus tzlich zu den Grundger sten aus der SkelGen Validierung die aus dem targetspe zifischen Fragmentraum reproduziert werden konnten wurden Molek le erzeugt die ein cis Stilben Motiv aufweisen Klasse f in der Tabelle 6 2 Dieses Motiv war in dem tar getspezifischen Fragmentraum nicht enthalten repr sentiert jedoch ebenfalls eine Klasse von aktiven Molek len 102 Im Vergleich zu den klassischen cis Stilbenen besitzen die er zeugten Molek le an ihren Phenylringen jeweils einen zus tzlichen Ring in para Stellung der von Qsearch angef gt wurde um das geforderte Minimalvolumen zu erreichen Interpretation In dem ersten Beispiel lie sich zeigen dass f r jede der Grundger stklassen der COX 2 Inhibitoren aus der SkelGen Validierung L sungen generiert werden konnten Die in Tabelle 6 1 abgebildeten bekannten aktiven Molek le konnten entweder exakt oder an n hernd exakt reproduziert werden Dazu geh ren zum Beispiel die L sungen mit dem Cyclopentanring oder dem Dihydrofuran 2 on Rest 1 bzw 2 Zeile rechts Dar ber hin aus lie sich eine L sung finden die die terminale Doppelbindung des Grundger sts ohne den angeschlossenen f nfgliedrigen Ring aufweist 3 Zeile rechts Sie ist vergleichbar zu dem daneben abgebildeten offenkettigen Vorl ufer der Struktur mit dem Dihydrofuran 2 on Ring Die in der Tabelle blau dargestellte S
91. genschaften besitzen und die im weiteren Verlauf der Pipeline klinisch untersucht werden In diesem Feld werden computerge st tzte Verfahren eingesetzt um die Natur der chemischen Wechselwirkungen die der Wirkstoff mit der Zielstruktur eingeht zu analysieren und zu optimieren Dabei werden insbesondere bildgebende Verfahren verwendet die R ckschl sse auf die ausgebildeten Interaktionen zulassen Des weiteren finden auch sogenannte QSAR Ans tze quantita 14 2 2 Molekulare Interaktionen tive structure activity relationship Anwendung die die chemische Struktur der Treffer mit ihrer Aktivit t korrelieren und diesbez gliche Vorhersagen erm glichen Positionierung von Qsearch Die in dieser Arbeit vorgestellten Methode zum de novo Design ist in dem Arbeitsablauf ungef hr am Ende der Phase Generieren von Treffern bis zum Anfang der Phase Weiterentwicklung zur Leitstruktur anzusiedeln Sie kann entweder daf r verwendet werden um auf Grundlage von existierendem Wissen zu einer Zielstruktur neuartige Grundger ste zu erstellen die zu Leitstrukturen weiterentwickelt werden oder sie kann dazu eingesetzt werden Wechsel in bereits bekannten Grundge r sten vorzunehmen um sie mit Hinblick auf bestimmte Parameter zu optimieren 2 2 Molekulare Interaktionen Damit ein Wirkstoff seine biologische Wirkung entfalten kann muss er mit k rpereigenen Molek len interagieren In der Regel sind dies Makromolekiile die in S
92. gibt es Faktoren die die freie Rotierbarkeit an Bindungen einschr nken In der Regel ist dies die sterische Hin derungen durch gro e Molek lteile die bei einer Rotation kollidieren w rden Aber auch andere Faktoren k nnen f r eine Erh hung der Energiebarriere verantwortlich sein Hier zu z hlen delokalisierte 7 Elektronensysteme zwischen den Atomen die an der Bindung beteiligt sind und die Fixierung einer Bindung durch Ringschl sse In Qsearch kommt ein vereinfachendes Modell f r die molekulare Flexibilit t zum Ein satz In dem Modell wird jede Bindung als rotierbar betrachtet die folgende Bedinungen erf llt 1 sie ist eine Einzelbindung 2 sie ist keine Ringbindung 3 sie ist nicht Teil eines delokalisierten Elektronensystems 4 sie ist nicht terminal 5 sie verbindet keinen Methyl oder Trifluormethylrest Dar ber hinaus gibt es an bestimmten molekularen Mustern Winkel die pr feriert angenommen wer den Eine weiterf hrende Diskussion findet sich in Abschnitt 6 5 2 40 4 5 Molekulares Volumen 6 sie verbindet kein Nitril In diesen Kriterien kommen zus tzlich zu den chemischen Voraussetzung f r die Rotier barkeit auch Heuristiken f r h ufige symmetrische Gruppen zusammen durch die der zu durchsuchende Konformationsraum eines Molek ls ohne den Verlust von relevanter Information verkleinert werden kann 4 5 Molekulares Volumen Das van der Waals Volumen eines Molek ls ist das Volumen das von i
93. gig davon wie gut Ausnahmen bilden die Programme FlexNovo 31 und BIBuilder 38 Sie l sen das Problem durch ei ne Aufz hlung aller m glichen L sungen Trotz ihrer Heuristiken zur Beschr nkung des Suchraums zeichnen sie sich durch lange Laufzeiten und gro en Ressourcenbedarf aus Qsearch hingegen wurde explizit f r begrenzte Rechner Ressourcen geschrieben damit es auf blichen Desktop Computern ausgef hrt werden kann 45 5 Methoden Molek lgenerierung Molek lmodifikation Fragment hinzuf gen entfernen ersetzen modifiziertes Molek l in den letzten n Molek len Schnelle Ablehnung Beginn der Ausrichtung Interaktionen Volumen Flexibilit t Rotation Translation Torsion Entdekorieren Enfernen von funkt Gruppen Ausrichtung Monte Carlo Kriterium Abschluss der Ausrichtung Annehmen oder Ablehnen der Rotation Translation Torsion vorherigen Modifikation L sungen Abbildung 5 1 1 46 Pharmakophorstrafe Pharmakophor Allgemeiner berblick ber den Ablauf des in Qsearch verwendeten Algorithmus Der Algorithmus beginnt mit einem zuf llig generierten Molek l an der mit einem markierten Stelle und vollf hrt eine de finierte Anzahl von vollst ndigen Schleifendurchl ufen Zu Beginn der Ausrichtungsphase wird berpr ft ob das Molek l unter den letzten n ausgerichteten Molek len war und diese gegebenenfalls bersprungen Wenn das ausgerichtete Molek l den Pharmakophor erf llt wird
94. grundger ste in dem aktiven Zentrum eines Proteins konstruiert 30 und an schlie end dekoriert 51 werden Die Grundger ste werden durch das Verkn pfen von undekorierten Kohlenstofffragmenten generiert wobei sie an allen terminalen Atomen verkn pft werden k nnen Jedes Grundger st das so konstruiert wurde wird nachtr glich so mit Heteroatomen dekoriert dass es optimale Interaktionen in dem aktiven Zentrum ausbildet Den Kern des Algorithmus zur Erstellung neuer Grundger ste in SkelGen stellt eine Monte Carlo basierte Methode Dabei setzt sich der Suchraum aus allen m glichen Koh lenstoffger sten und den m glichen Orientierungen und Konformationen dieser Ger ste 3Die Firma De Novo Pharmaceuticals hat inzwischen ihre Gesch ftst tigkeit eingestellt Daher lassen sich weder die publizierten Ergebnisse noch die Methode exakt rekonstruieren 28 3 4 Ligandbasierte de novo Methoden zusammen Ein neuer Zustand in der Optimierung wird in einem fest vorgegebenen Ver h ltnis entweder durch die Ver nderung der dreidimensionalen Koordinaten des aktuellen Grundger sts oder eine Ver nderung des Grundger sts selbst erzeugt Die Bewertung der einzelnen Molek le geschieht durch eine komplexe Bewertungsfunktion die nicht nur die mit dem Protein ausgebildeten Interaktionen ber cksichtigt sondern auch molekulare Deskriptoren wie das Molekulargewicht die Hydrophobizit t Pharmakophormerkma le und die Anzahl an Ringsysteme miteinbe
95. gs und der Torsionswinkel herangezogen und f r nicht miteinander verbundene Atome die sterische Absto ung und die elektrostatische Anziehung 91 Qsearch beschr nkt sich bei der Bewertung der Konformationen nur auf eine Kollisi ons berpr fung der Atome Die Einschr nkungen die dadurch entstehen werden unter anderem in Abschnitt 6 5 2 diskutiert F r den Bewertungsterm von Konformationen ergibt sich folglich Peont M Pelash M In der Regel wird der Kollisionsterm in Molekulardynamiksimulationen durch das Lennard Jones Potential modelliert das sowohl die Anziehung als auch die Absto ung von Atomen auf Basis ihrer Distanz d beschreibt wobei e und variable Parameter sind Eier Die Einf hrung eines Anziehungsterms in Qsearch f hrt dazu dass die Molek le im Laufe der Optimierung kollabieren und kompakte Formen ergeben Da in Qsearch die Molek lform ohnehin durch den Pharmakophor vorgegeben wird kann der Anziehungs term in der Bewertung vernachl ssigt werden und es dem Benutzer ber die Pharmako phordefinition berlassen werden sich f r kompakte oder ausgedehnte Konformationen zu entscheiden Der Absto ungsterm auf der anderen Seite entbehrt in seiner konkre ten Formulierung einer starken theoretischen Grundlage 91 und wird daher nur in ei ner vereinfachten Form verwendet die sich am Lennard Jones Potential orientiert aber schneller zu berechnen ist Wenn die Distanz zweier Atome a und b zu kle
96. hert die bestimmten Kriterien entsprechen Die geometri 69 6 Ergebnisse und Diskussion sche Diversit t wurde dadurch erh ht dass Fragmente die ein nicht planares Ringsystem besitzen hinzugef gt wurden und die topologische Diversit t dadurch dass Fragmen te hinzugef gt wurden die mehr als ein Linkatom aufweisen Der daraus entstandene Fragmentraum wird im folgenden als BRICS_ 4k Fragmentraum bezeichnet 6 1 1 Geometrische Diversit t Bedeutung Da die molekulare Erkennung zu einem gro en Teil ber die geometrischen Eigenschaften von Molek len bestimmt wird ist im de novo Design eine hohe geometri sche Diversit t bei den verwendeten Fragmente w nschenswert um ein breites Spektrum an molekularen Formen abzudecken 96 Die geometrische Diversit t von Fragmenten wird ber zwei Parameter beeinflusst Der erste ist die Flexibilit t innerhalb der Fragmente die durch das Gegeneinanderverdre hen von Molek lteilen an rotierbaren Bindungen entsteht Je mehr aufeinander folgende rotierbare Bindungen in einem Fragment existieren desto gr er ist die Spannbreite an Formen die von ihm angenommen werden k nnen Zu diesem Parameter z hlt auch das Wechseln von Ringkonformationen an flexiblen Ringen Der zweite Parameter ist die geometrische Lage der Linkatome zueinander Sie ist un ter dem Begriff Exitvektor 40 bekannt und bestimmt die Formen die durch das reine Verkn pfen von Fragmenten erhalten werden kann Befin
97. hm eingenommen wird und in dem keine Atome anderer Molek le Platz finden 75 Es spielt in der Wirk stoffforschung gerade bei QSAR Ans tzen eine entscheidende Rolle Zum Beispiel ist es unter anderem einer der Faktoren der die Geschwindigkeit des passiven Trans ports in die Zellen bestimmt 76 Im Kontext von Qsearch ist allerdings noch wichtiger dass Molek le die ein Volumen haben das zu gro f r die sterischen Beschr nkungen eines Pharmakophors ist diesen immer verletzen und daher ohne Weiteres bersprungen werden k nnen vgl Schnelle Ablehnung in Abschnitt 5 2 In der Regel wird das Volumen eines Molek ls ber die Vereinigung von atomzentrier ten Kugeln beschrieben deren Radius dem van der Waals Radius des jeweiligen Elements entspricht 77 Das Problem bei dieser Berechnungsmethode liegt f r Qsearch darin dass die Koordinaten der Atome vorliegen m ssen um sie anwenden zu k nnen Die Be stimmung der Koordinaten ist jedoch aufwendig weswegen es w nschenswert ist eine Methode zu verwenden die ohne dreidimensionale Informationen auskommt Aus verschiedenen Publikationen geht hervor dass sich das Volumen von Molek len sehr gut auf Basis der Molek ltopologie vorhersagen l sst Beispielsweise k nnen Beitr ge von Molek lfragmenten summiert 75 oder auch einfache Faustformeln 78 daf r verwen det werden das van der Waals Volumen anzun hern Vor diesem Hintergrund wurde f r die Anwendung in Qsearch eine Param
98. hriebene Pharmakophor und der BRICS_4k Raum F r jede Kombination an Parametern wurden 30 L ufe zu je f nf Minuten durchge f hrt und die Anzahl der gefundenen L sungen mithilfe einer Kerndichtesch tzung in Abbildung 6 4 2 analysiert Weder in der Abbildung noch in den Zahlen selbst lie sich ein offensichtlicher Trend erkennen 93 6 Ergebnisse und Diskussion Bei der visuellen Inspektion der generierten Molek le wurde dar ber hinaus klar dass die Anzahl der L sungen alleine kein geeignetes Kriterium ist um die Qualit t eines Parametersatzes zu beschreiben Die Ergebnisse sind gerade wenn eine hohe Anzahl an Schritten pro Lauf verwendet wurde von einer gro en Zahl von Molek len mit nur minimalen Variationen dominiert Dies ist eine Folge der langen kalten Phasen in der nur Ersetzungen mit beinahe identischen Fragmenten stattfinden was insbesondere f r Heteroaromaten beobachtet werden konnte Ein weitaus besseres Ma w re die Anzahl an verschiedenen Grundger sten die pro Lauf generiert werden Allerdings gibt es bisher noch keine automatische Beschreibung von Grundger sten die befriedigende Ergebnisse liefert vgl Abschnitt 2 4 und eine visuelle Analyse der Ergebnisse w re durch ihre hohe Anzahl sehr aufwendig und dar ber hinaus stark subjektiv Statt eines statistisch fundierten Parametersatzes werden f r Qsearch daher Werte ver wendet die aus den Erfahrungen die im Laufe des Projektes gemacht wurden
99. htung ist in der Literatur bisher nicht be 32 3 5 Neuheitswert der Methode schrieben Die hnlichste Methode wurde im Programm SkelGen 30 51 verwirklicht die jedoch keine chemischen Fragmentr ume verwendet sondern einfache Kohlenstoffger ste die nachtr glich dekoriert werden Dar ber hinaus besteht in dem SkelGen Algorithmus keine methodische Trennung zwischen der Suche im chemischen Raum und der Opti mierung im Konformationsraum wodurch der Suchraum beide Komponenten beinhaltet und dadurch stark vergr ert wird Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal von Qsearch ist die Entdekoration von aus Fragmenten gebauten Molek len die den Suchraum spezifisch um f r ein Pharmakophor relevante Teile vergr ert 33 4 Modellierung In diesem Kapitel wird die Modellierung der eingesetzten chemischen Konzepte fiir die computergest tzte Berechnung durch Qsearch erl utert Dazu geh rt das Modell mit dem die Fragmentr ume beschrieben werden die Art und Weise in der die potentiellen Interaktionen von Molek len bestimmt werden die Beschreibung der Pharmakophore und im Rahmen eines kurzen Exkurses die Methode die f r die Bestimmung des mole kularen Volumens zur Anwendung kommt 4 1 Fragmentraummodell Das in Qsearch verwendete Fragmentraummodell basiert auf den Vorarbeiten die im Rahmen der Erstellung von FlexNovo 31 durchgef hrt wurden und in denen das in FTrees FS 29 zum Einsatz kommende Modell um die Handhabung von dre
100. ichteten Molek len bewertet Da die Anzahl der m glichen Parameterkombinationen sehr gro ist und vor der Stu die bereits viel Erfahrungswissen vorhanden war wurde ihre Auswahl und Bewertung manuell ausgef hrt Als Ausgangspunkt wurden Parameter auf Basis der existierenden Erfahrungswerte gew hlt Datensatz Der verwendete Datensatz wurde von Chan und Labute 89 f r die Parame trisierung einer Bewertungsfunktion f r die berlagerung von kleinen Molek len zusam 5l 5 Methoden mengestellt Der Datensatz besteht aus Liganden die aus der PDB nach einer Reihe von Kriterien ausgew hlt worden sind e weniger als 300 Schweratome e weniger als zehn Aminos uren wenn es sich um ein Peptid handelt e Aufl sung des gesamten Protein Ligand Komplexes von mindestens 2 5A e nur organische Elemente e kein H m oder Zucker e kein ATP Analog e mindestens ein Ringschluss im Molek l um Fette zu entfernen e mindestens 2 Schweratome die durch drei Bindungen getrennt sind um Wasser und sehr kleine Molek le zu entfernen Die verbliebenen Molek le wurden ber die Proteindom nen in denen sie gebunden vor liegen zusammengefasst In einem letzten Schritt wurden dann alle Liganden mit mehr als zw lf rotierbaren Bindungen verworfen und sich zu hnliche Molek le aus den jewei ligen Datens tzen entfernt Insgesamt ergab sich dabei eine Menge von 100 berlagerten Molek lgruppen F r die Parametrisierung in Qsearch wurde f r
101. idation of the general purpose tripos 5 2 force field Journal of Computational Chemistry 10 8 982 1012 1989 35 GREENE J S KAHN SAVOJ H P SPRAGUE und S TEIG Chemical Function Queries for 8D Database Search Journal of Chemical Information and Computer Sciences 34 6 1297 1994 38 95 LEACH A R V J GILLET R A LEWIS und R TAYLOR Three dimensional pharmacophore methods in drug discovery Journal of Medicinal Chemistry 53 2 539 558 2010 38 49 BonpI A van der Waals Volumes and Radii The Journal of Physical Chemistry 68 3 441 451 1964 41 DE WATERBEEMD H VAN G CAMENISCH G FOLKERS und O A RAEVSKY Estimation of Caco 2 Cell Permeability using Calculated Molecular Descriptors Quantitative Structure Activity Relationships 15 6 480 490 1996 41 GRANT J A und B T PICKUP A Gaussian Description of Molecular Shape The Journal of Physical Chemistry 99 11 3503 3510 1995 41 42 44 ZHAO Y H M H ABRAHAM und A M ZISSIMOS Fast calculation of van der Waals volume as a sum of atomic and bond contributions and its application to drug compounds The Journal of Organic Chemistry 68 19 7368 7373 2003 41 42 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 A Literaturverzeichnis IRWIN J J und B K SHOICHET ZINC a free database of commercially available compounds for virtual screening Journal of Chemical Information and Modeling 45 1 177 182 2005 41
102. idimensiona len Koordinaten erweitert wurde Da Qsearch intern auf dem NAOMI Atommodell 71 basiert wurde das Fragmentraumkonzept aus FlexNovo leicht umformuliert und neu implementiert Die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der beiden Implementierungen werden im folgenden diskutiert Als Fragment wird ein Molek l bezeichnet an dem an einer oder mehreren Stellen so genannte Linkatome annotiert sind die die Stellen markieren an denen Verkn pfungen mit anderen Fragmenten durchgef hrt werden k nnen Dabei beinhaltet jedes Linkatom selbst drei Informationen Einen Linktyp der beschreibt mit welchen anderen Linka tomen Verkn pfungen durchgef hrt werden d rfen den Eritvektor 40 der die Position und Orientierung definiert in der andere Fragmente angef gt werden k nnen und ei nem Bindungstyp der die Valenz des zum Linkatom benachbarten Atoms definiert Die Linktypen werden in der Regel analog zu den Schnittregeln mit denen die Fragmente aus Molek lbibliotheken erstellt werden vergeben und der Eritvektor ergibt sich aus dem Winkel in dem das Linkatom zu dem Fragment steht Er wird genauso wie der Bindungstyp aus der geschnittenen Bindung bernommen Um das Konzept der Linkatome in das NAOMI Modell von Element Valenzzustand Atomtyp zu integrieren wurde ein neues Element LINKER eingef hrt und drei neue 34 4 1 Fragmentraummodell Valenzzust nde Lk 100 Lk 010 Lk 001 mit dazu korrespondierende Atomty pe
103. ie Fragmentr ume und die Pharmakophore beschrieben werden Kapitel 5 f hrt eine genaue Beschreibung der verwendeten Methoden auf mit denen die in Kapitel 4 vorgestellten Konzepte umgesetzt worden sind Dies beinhaltet eine ausf hrliche Beschreibung der zum Einsatz gekommenen Algorithmen Kapitel 6 zeigt exemplarisch Ergebnisse die in vier Beispielszenarien erzeugt wurden und diskutiert ihre Relevanz f r die Wirkstoffforschung Darauf folgt eine Diskus sion mit einem besonderen Schwerpunkt auf den Einschr nkungen die sich f r die Methode ergeben Kapitel 7 schlie t die Arbeit mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick ab 12 2 Grundlagen In diesem Kapitel wird die Rolle von Qsearch im Kontext der Wirkstoffforschung erl u tert sowie verschiedene Schl sselkonzepte aus der medizinischen Chemie vorgestellt die f r das Verst ndnis der implementieren Methoden wichtig sind Im ersten Teil werden im Rahmen einer kurzen Einf hrung die Interaktionen pr sentiert die zwischen Wirkstoff und Zielstruktur ausgebildet werden und daraufhin das Pharmakophorkonzept darge stellt das die Grundlage f r die Bewertung von Molek len durch Qsearch liefert An schlie end wird das Prinzip der molekularen Grundger ste eingef hrt und der bioisos tere Wechsel zwischen ihnen erl utert Diese Konzepte sind wichtig um die Ergebnisse in Kapitel 6 einordnen zu k nnen Letztendlich wird die Technik der Fragmentr ume vorgestellt die als
104. igen die Interaktionen in Richtung der polaren Wasserstoffatome rot bei einer Verkn pfung entstehen Das NAOMI Konzept kommt ohne diese explizite Modellierung aus 4 2 Interaktionsmodell In einem Pharmakophor sind die elektronischen Merkmale die fiir die Ausbildung von supramolekularen Interaktionen notwendig sind enthalten Um ein Molekiil mit den An forderungen eines Pharmakophors zu vergleichen miissen die potentiellen Interaktionen die es ausbilden kann beschrieben werden Das in Qsearch implementierte Interaktions modell basiert auf den Arbeiten zu molekularen Interaktionen die von B hm fiir das Programm LU DU durchgef hrt worden sind In der Adaption von Qsearch werden ausschlie lich gerichtete Interaktionen explizit modelliert Hierbei besteht eine potentielle Interaktion immer aus zwei Punkten einem Start und einem Endpunkt Die Distanz zwischen beiden Punkten ist f r eine maximale Kompatibilit t mit den MOE Pharmakophoren die Qsearch als Eingabe dienen auf 2 1 festgelegt Im folgenden wird auf die in Abschnitt 2 2 aufgez hlten Interaktionstypen eingegangen und deren genaue Zuweisung dargestellt Wasserstoffbr cken Akzeptoren Als Akzeptor werden alle Stickstoff und Sauerstoff atome betrachtet die mindestens ein freies Elektronenpaar haben Bestimmte Atome sind 36 4 3 Pharmakophormodell explizit von dieser Zuweisung ausgenommen da sie diese Interaktionen entweder gar nicht ausbilden oder die
105. igenschaften werden Informationen zum aktuell geladenen Phar makophor angezeigt In der Tabelle auf der rechten Seite sind die einzelnen Merkmale der Pharmakophors aufgelistet Wenn ein Molekiil aktiviert ist werden die Strafwerte der einzelnen Merkmale angezeigt Zus tzlich k nnen die Merkmale in der 3D Anzeige ein und ausgeblendet werden Mit den Eigenschaften kann wie folgt interagiert werden Load ber diesen Knopf kann ein Pharmakophor geladen werden Clear ber diesen Knopf kann der geladene Pharmakophor gel scht werden Write ber diesen Knopf kann der aktuelle Pharmakophor in eine Datei geschrieben werden B 1 5 Suchkontrolle Dieses Fenster wird erst sichtbar nachdem eine Suche aufgesetzt worden ist Es zeigt Informationen zum Verlauf des Algorithmus an und erlaubt eine Interaktion mit dem Suchalgorithmus Display ber diesen Knopf l sst sich die Suche in der 3D Anzeige verfolgen Nach einem Klick kann man zwischen folgenden Optionen ausw hlen none keine Molek le anzeigen last tested nach jedem Schritt das Molek l das am Pharmakophor ausgerichtet wurde anzeigen last accepted Molek le nur anzeigen wenn sie im Algorithmus akzeptiert wurden Skip run ber diesen Knopf l sst sich der aktuelle Lauf berspringen Der Algorithmus f ngt dann mit dem n chsten Lauf an Start Stopp ber diesen Knopf kann die Suche gestartet und pausiert werden B 1 6 3D Anzeige In der 3D Anzei
106. ignalkaskaden in tegriert sind und dadurch gro e Auswirkungen auf physiologische Prozesse haben Dabei spielt das Konzept der molekularen Erkennung eine herausragende Rolle Es beschreibt die Erkennung eines Wirkstoffs durch ein Makromolek l was die Grundlage f r eine Einflussnahme ist Ma geblich f r die molekulare Erkennung in biologischen Systemen sind intermole kulare Interaktionen wie sie im Feld der supramolekularen Chemie untersucht werden Dabei stehen nicht die kovalenten also chemischen Bindungen im Mittelpunkt der Be trachtung sondern vor allem schw chere Kr fte wie Wasserstoffbr ckenbindungen die Komplexierung von Metallionen und die Hydrophobizit t Allerdings sind bisher noch nicht alle an der Erkennung beteiligten Effekte aufgekl rt und definiert worden HI Im folgenden werden die verschiedenen Arten von polaren Interaktionen die bisher Einzug in das Standardrepertoire der medizinischen Chemie gefunden haben aufgez hlt Da die Hydrophobizit t in Abschnitt 6 5 1 explizit besprochen wird bleibt sie in dieser Aufz hlung au en vor Wasserstoffbr ckenbindungen Eine der am besten charakterisierten Bindungen in die sem Feld sind die Wasserstoffbr ckenbindungen Sie werden als ma geblich f r gro e Teile der molekularen Erkennung sowie der Stabilit t von biologischen Makrokomplexen angesehen 5 Die IUPAC definiert sie folgenderma en 15 2 Grundlagen Die Wasserstoffbr ckenbindung ist eine anzi
107. ihm aufgenommen wenn sie entweder zwei oder mehr Linkatome besitzen und nicht aromatisch sind 541 von 1086 Linker Fragmenten oder wenn sie ein Linkatom und mindestens ein Akzeptoratom besitzen 717 von 2566 termina len Fragmenten In dem Experiment wurde Qsearch f r neun Stunden laufen gelassen was in 2152 Ergebnissen resultierte Nach dem Lauf wurden die L sungen in das akti ve Zentrum der Kristallstruktur platziert und mit dem Programm MOE bewertet Die neun am h chsten bewerteten L sungen sind in Tabelle 6 3 gezeigt Interpretation Zuerst werden die Ergebnisse des ersten Experiments besprochen Sie sind nach den Mo lek len geordnet deren Grundger stwechsel reproduziert worden sind und in Abbildung 6 3 1 gezeigt werden Darauf folgt eine Analyse der Molek le die g nzlich neuartige Topo logien aufweisen Zuletzt werden die Ergebnisse aus der Fragmenterweiterung untersucht Intel Xeon mit 4 Kernen zu 2 5 GHz und 4GB RAM CentOS 5 4 6MOE Chemical Computing Group Montreal Kanada www chemcomp com 87 6 Ergebnisse und Diskussion Abbildung 6 3 2 Dreidimensionale Darstellung der bioisosteren Invertierung von Ami den orange hervorgehoben Die Kugeln stellen Pharmakophormerk male dar Die unterschiedliche Molekiile sind durch verschiedene Far ben gekennzeichnet Cyan Imatinib gelb Nilotinib magenta Qsearch Ergebnis Sowohl in der normalen als auch in der invertierten Form liegt das Sauerstoffatom so
108. ihre hohe interne Energie unwahr scheinlich sind Da Wirkstoffe in der Regel in niederenergetischen Konformationen an ihre Zielstrukturen binden 119 ist es jedoch w nschenswert dass die generierten Strukturen ebenfalls nahe an energetischen Minima liegen und keine ung nstigen Konformationen Das punktbasierte Konzept l sst viele Fragen offen 18 Unter anderem Wie werden komplexe hy drophobe Geometrien beschrieben Wie werden die Punkte am besten in ausgedehnten hydrophoben Regionen platziert Und welche Atome sollten als hydrophob angesehen werden Antworten auf diese Frage werden unter anderem in der Strukturvorhersage von Proteinen gesucht wo der hydrophobe Effekt als eine der treibenden Kr fte entdeckt wurde 113 und teilweise auch im Scoring von Protein Ligand Komplexen wo seine Betrachtung ebenfalls von hoher Relevanz ist 114 115 97 6 Ergebnisse und Diskussion aufweisen Die zu Qsearch vergleichbaren Ans tze beinhalten allesamt einen Term um die Wahr scheinlichkeit von bestimmten Torsionswinkeln zu beschreiben und darauf basierend Tor sionswinkel zu w hlen Allerdings ist diese Berechnung in der Regel aufwendig und kann die Laufzeit der Programme negativ beeintr chtigen SkelGen 30 verwendet den Tor sionsterm des COSMIC Kraftfeldes 120 hat ihn allerdings aus Effizienzgriinden stan dardm ig ausgestellt BIBuilder 38 benutzt das in MOE verwendete Kraftfeld um die generierten Strukturen zu minimieren was
109. im BRICS_4k Fragmentraum eingesetzt und zum anderen in einer leicht abgewandelten Form in einer Fragmenterweiterung mit einem targetspezi fischen Fragmentraum Im ersten Anwendungsbeispiel wurde die F higkeit von Qsearch untersucht chemi sche Modifikationen an Imatinib zu reproduzieren die bekannterweise zu neuen aktiven Molek len gef hrt haben Daf r wurden drei Molek le die als Weiterentwicklungen von Imatinib auf den Markt kamen und ebenfalls Tyrosinkinasen als Zielstruktur haben auf ihre jeweiligen Unterschiede zu Imatinib untersucht und mit den Ergebnissen die Qsearch geliefert hat verglichen F r die Berechnungen wurde Qsearch verteilt auf vier Computern je acht Stunden lang laufen gelassen was insgesamt zu 216 Ergebnisse gef hrt hat Die Ergebnisse wurden manuell ihren hnlichsten aktiven Molek len zugeordnet Im zweiten Anwendungsbeispiel wurde der Fragmenterweiterungsmodus von Qsearch verwendet in dem von einem Startfragment aus ein komplettes Molek l generiert wird Ziel war den Grundger stwechsel zu reproduzieren der in dem Imatinib Nachfolger Po natinib resultierte Das Anwendungsbeispiel basiert auf einer Analyse des Interaktions musters das Imatinib mit dem Rezeptor in der PDB Struktur lopj ausbildet Die Analyse zeigt dass keines der beiden Stickstoffatome des Pyrimidinrings Wasserstoffbr ckenbin dungen ausbildet und der Ring daher in der Molek lstruktur eliminiert werden kann Folglich wurde aus dem Pharmak
110. imensionale Struktur des aktiven Zentrums oder durch die berlagerung von bekannten aktiven Molek len abgeleitet werden In der Regel werden die in Abschnitt 2 2 aufgef hrten Interaktionen in verwendet um ein Pharmakophormodell zu beschreiben 18 Der Term kollidieren ist eine bildliche Beschreibung der tats chlichen quantenmechanischen Prozesse Nach dem Pauli Prinzip 17 ist es zwei Elektronen mit gleicher Energie nicht m glich am gleichen Ort mit dem gleichen Spin zu existieren Dies resultiert in einer Absto ung der Elektronen und somit ihrer dazugeh rigen Atome 18 2 4 Molekulare Grundgertiste und Grundgertistwechsel 2 4 Molekulare Grundger ste und Grundger stwechsel 2 4 1 Molekulare Grundger ste Wirkstoffe lassen sich aufgrund ihrer chemischen Struktur in Klassen mit gleichen Grund ger sten einordnen wobei sich f r diese Einordnung noch kein fester Satz an Regeln eta bliert hat Teilweise wird sie ber die zentralen Strukturelemente durchgef hrt teilweise ber spezifische funktionelle Gruppen in den Molek len und teilweise ber eine Kombi nation der beiden Ans tze 19 Die Komplexit t des Themas zeigt sich unter anderem darin dass von der IUPAC bisher keine allgemein verbindliche Definition des Begriffs ver ffentlicht wurde Das Konzept der Grundger ste selbst ist in der Chemie schon lange bekannt wurde aber vor 1969 nicht explizit formuliert vgl ebd In diesem Jahr fanden Reich und Cr
111. in ist wird sie folgenderma en bestraft 2 E EEN wenn d a b lt vdw a vdw b Pelash Q b ze 0 0 sonst vdw a ergibt den van der Waals Radius eines Atoms und d a b die Distanz zwischen den Mittelpunkten zweier Atome Die gesamte Strafe f r ein Molek l wird ber alle Paare von Atomen gebildet Ausgenommen sind Atome die nur durch ein oder zwei Bindungen getrennt sind oder die sich im gleichen Ringsystemen befinden beziehungsweise im Falle von Wasserstoffatomen die an das gleiche Ringsystem gebunden sind II Da Qsearch Ringkonformationen nicht ver ndert wird bei allen Ringsystemen der Eingabe davon ausgegangen dass sie eine valide Konformation besitzen und ihre interne Energie nicht neu berechnet 59 5 Methoden Pelash M gt Polash 4 b obeCM az b Bewertung der Pharmakophorerf llung Der zweite Teil der Straffunktion von Qsearch ist Ppharm M P und beschreibt die geometrische Abweichung des Molek ls zum Pharma kophor Analog zur Pharmakophordefinition setzt sich dieser Term aus einem sterischen und aus einem elektronischen Teil zusammen Zus tzlich existiert noch ein Term f r die Bewertung der hydrophoben Merkmale Ppharm M P ps M st P pa M el P Prya M hyd P st P liefert den sterischen Anteil des Pharmakophors el P die elektronischen Merk male und hyd P die hydrophoben Merkmale Die Strafe fiir die Verletzung der Pharmakophorform wird tiber alle Atome summiert Dabei wird
112. in verschiedenen Konfor mationen in den Fragmentraum Dieser Ansatz hat den Nachteil dass der Fragmentraum um chemisch identische Fragmente vergr ert wird Eine Behandlung der Ringflexibi lit t in der Molek lausrichtungsphase w rde den Fragmentraum verkleinern und den Suchraum so weniger redundant gestalten Dabei k nnte entweder eine Datenbank mit verschiedenen Ringkonformationen oder die dynamische Erstellung der Konformationen mithilfe eines Kraftfeldes Anwendung finden Erstellung neuer Fragmentr ume In der Pr sentation der Ergebnisse in Abschnitt 6 1 wird dargelegt wie die BRICS R ume f r die Verwendung in Qsearch nicht immer op timale Eigenschaften aufweisen Um die Ergebnisse von Qsearch weiter zu verbessern nimmt die Erstellung von Fragmentr umen die f r das de novo Design optimiert worden sind eine Schl sselrolle ein Folgende Eigenschaften sollten bei der Fragmentzusammen stellung besondere Bedeutung erfahren e Topologische Diversit t durch komplexe Verzweigungen innerhalb der Fragmente und oder mehr Linkatome in den Fragmenten e Chemische Diversit t durch eine ausgeglichenere Auswahl von Heterozyklen e Geometrische Diversit t durch die bevorzugte Auswahl von Fragmenten mit nicht planaren Ringsystemen Durch eine h here Diversit t bei den Eingabefragmenten k nnen die von Qsearch gene rierten Molek le ein gr eres Feld des chemischen Raums abdecken womit die Ergebnisse substantiell verbessert we
113. isch werden in der GDB 13 alle Molek le betrachtet die aus Kohlenstoff Stickstoff Sauer stoff Schwefel und Chlor bestehen 26 3 3 Rezeptorbasierte de novo Methoden 3 3 Rezeptorbasierte de novo Methoden Die ersten publizierten Methoden auf dem Feld des de novo Designs basieren auf ei ner dreidimensionalen Aufkl rung der Zielstruktur und konstruieren neue Molekiile indem sie diese in der Zielstruktur entweder atom oder fragmentbasiert inkrementell aufbauen 46 Qsearch teilt mit diesen Programmen vor allem das Problem chemisch valide Strukturen zu generieren Daher sind hier exemplarisch mehrere Programme auf gef hrt um verschiedene Ans tze darzustellen die zur L sung des Problems ver ffent licht worden sind Dabei erfahren die Aspekte die Teile der in Qsearch behandelten Problemstellung betreffen besondere Beachtung Ein weitergehende Darstellung aktuel ler de novo Designmethoden l sst sich in einer Reihe von bersichtsartikeln der letzten Jahre 24 34 46 47 48 gewinnen 3 3 1 LUDI Eines der ersten de novo Programme wurde von Bohm 1992 unter dem Namen LUDIJ35 ver ffentlicht Das Programm l uft nach dem sogenannten place and link Verfahren ab In einem ersten Schritt werden Stellen im aktiven Zentrum identifiziert die f r bestimm te Schl sselinteraktionen verantwortlich sind Dort werden Startfragmente platziert die zu diesen Interaktionen kompatibel sind und in einem weiteren Schritt zu vollst ndi gen
114. ist sowohl f r virtuelle Fragmentr ume als auch f r experimentelle Fragmentbibliotheken von gro er Bedeutung 96 Bisher fokussieren sich die aktuellen Methoden f r das Bibliotheksdesign allerdings auf die chemische und nicht auf die geometrische Diversit t vgl ebd Von einer Erh hung der geometrischen Diversit t in der Eingabe k nnten die Ergebnisse von Qsearch substanziell profitieren da sie ein breiteres Spektrum an molekularen Formen abdecken w rden Allerdings w rde 71 6 Ergebnisse und Diskussion 80 60 4 40 4 20 4 CH Prozent der Fragmente 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Anzahl der Linkatome pro Fragment Abbildung 6 1 2 Analyse der topologischen Diversit t der BRICS R ume Aufgetragen sind Histogramme ber die Anzahl an Linkatomen pro Fragment in den vier Beispielfragmentr umen Es ist ersichtlich dass die klassi schen BRICS R ume haupts chlich aus terminalen Fragmenten beste hen Der angereicherte BRICS_4k Raum enth lt mehr Fragmente mit zwei Linkatomen aber trotzdem nur minimal mehr Fragmente mit drei Linkatomen durch diesen Schritt auch die Wirkstoff hnlichkeit der Fragmentr ume verringert wer den da sie weniger aromatische Systeme enthalten w rden die bei Wirkstoffen h ufig anzutreffen sind 6 1 2 Topologische Diversit t Bedeutung Eines der Hauptanwendungsfelder f r das de novo Design ist die Suche nach neuartigen molekularen Grundger sten Trotz des Fehlens einer allgemein
115. ith mus beginnt mit einer Konformation die m glichst nahe an der des Vorg ngermolek ls liegt was dadurch erreicht wird dass die Koordinaten der unver nderten Fragmente wenn m glich erhalten bleiben und nur f r die Atome der neuen Fragmente berechnet werden In der darauf folgenden iterativen Optimierung werden die Koordinaten des Molek ls durch die folgenden Operationen ver ndert Translation Das Molek l wird um einen Vektor verschoben wobei die Richtung des Vek tors ber einen zuf lligen Punkt auf der Einheitskugel bestimmt wird Die L nge des Vektors wird zuf llig so gew hlt dass sie kleiner oder gleich einem benutzerde finierten Maximalwert ist Rotation Das Molek l wird um eine Achse gedreht die durch den geometrischen Mole alle Molek le eines Simulated Annealing Laufs zwischengespeichert werden DU 5 3 Ausrichtung an den Pharmakophor k lmittelpunkt und einen zuf lligen Punkt auf einer Einheitskugel um ihn bestimmt wird Der Winkel wird ebenfalls zuf llig aus dem Bereich x x gew hlt wobei x ein benutzerdefinierter Maximalwert ist Torsions nderung Der Torsionswinkel an einer zuf lligen rotierbaren Bindung wird um einen zuf lligen Betrag verstellt Als rotierbar gelten in Qsearch alle Bindungen die den in Abschnitt 4 4 aufgef hrten Bedingungen gen gen Auch hier liegt der Winkel in dem Bereich 2 2 Welche dieser Operationen ausgew hlt wird ist zuf llig wobei die relative H u
116. ity searching of 3D databases using clique detection Journal of Chemical Information and Computer Sciences 43 2 443 448 2003 31 YADAV V K J H Ryu N Supa K F TANAKA J A GINGRICH G SCHUTZ HH GLORIEUX C Y CHIANG J D ZAJAC K L INSOGNA J J MANN R HEN P Ducy und G KARSENTY Lrp controls bone formation by inhibi ting serotonin synthesis in the duodenum Cell 135 5 825 837 2008 31 HuANG Y yu M A OQUENDO J M H FRIEDMAN L L GREENHILL B BrRopsky K M MALONE V KHAIT und J J MANN Substance abuse dis order and major depression are associated with the human 5 HT1B receptor gene 111 A Literaturverzeichnis 70 71 72 73 74 75 76 77 78 112 HTR1B G861C polymorphism Neuropsychopharmacology Official Publication of the American College of Neuropsychopharmacology 28 1 163 169 2003 31 NUGIEL D A J R KRUMRINE D C HILL J R DAMEWOOD JR P R BERN STEIN C D SOBOTKA BRINER J W Liu A Zacco und M E PIERSON De Novo Design of a Picomolar Nonbasic 5 HT p Receptor Antagonist Journal of Medicinal Chemistry 53 4 1876 1880 2010 31 URBACZEK S A KOLODZIK J R FISCHER T LIPPERT S HEUSER I GROTH T SCHULZ GASCH und M RAREY NAOMI On the Almost Trivial Task of Rea ding Molecules from Different File formats Journal of Chemical Information and Modeling in Druck 2011 34 37 41 50 57 CLARK M R D CRAMER und N VAN OPDENBOSCH Val
117. izes f r verschiedene Fragmentr ume aufgebaut und jeweils tausend Anfragen durchgef hrt wobei zehn Anfragen zu einem Messpunkt zusammengefasst wurden um die Zeitmessung genauer zu gestalten Die Zei ten f r die Ergebnisse sind in Abbildung 5 6 1 aufgef hrt Es l sst sich sehen dass der Index die Rechenzeit um etwa vier Gr enordnungen verringert Dar ber hinaus ist kann man erkennen dass beide Methoden sofern die wenigen Datenpunkte eine Interpolation erlauben linear mit der Anzahl der Fragmente skalieren Die Geschwindigkeitsvorteile durch den Index sind haupts chlich technischer Natur und ergeben sich aus folgenden Punkten Cachelokalit t Der Index speichert die Daten in einem zusammenh ngenden Datenbe reich Dies erleichtert es dem Prozessor die Daten im Rahmen des Prefetching im Voraus zu laden Dadurch lassen sich Geschwindigkeitsvorteile von ungef hr zwei 64 5 7 Fragmenterweiterung Gr enordnungen erreichen 94 Bitoperationen Die verwendeten Operationen basieren auf der Verkniipfung von Bit masken Diese Operationen sind f r Prozessoren sehr schnell durchzuf hren Komprimierung Durch die bit basierte Kodierung der Daten wird die relevante Infor mation auf weniger Speicherplatz abgebildet Dadurch m ssen insgesamt weniger Daten zwischen Hauptspeicher und Prozessor transportiert werden Dies schl gt sich ebenfalls in den Ausf hrungszeiten nieder 5 6 3 Zuweisung von Linkatomen eines Fragments z
118. jede der Molek lgruppen des Daten satzes mithilfe des Programms MOE manuell ein Pharmakophor erstellt was ungef hr bei der H lfte der Molek lgruppen m glich war Bei den restlichen gab es entweder nicht gen gend starke Interaktionen wie sie f r Pharmakophore blich sind war das Verh lt nis von Volumen zu elektronischen Eigenschaften zu gro oder die berlagerung wurde durch ATP analoge Gruppen oder Zucker dominiert S mtliche Molek le des Datensat zes die nicht auf ihre zugeh rigen Pharmakophore passen wurden verworfen Auswahl der Parameter In jedem Schritt wurden vier verschiedene Einstellungen vari iert von denen jeweils zwei Einfluss auf den Simulated Annealing Algorithmus hatten und zwei auf die durchgef hrten Konformations nderungen Mit jedem dieser Parameters tze Die Details der Zusammenfassungsprozedur sind in 89 ausf hrlich beschrieben w rden an dieser Stelle jedoch den Rahmen sprengen MOE Chemical Computing Group Montreal Kanada www chemcomp com 8Die Autoren des Datensatzes haben anscheinend nur reine Zucker und sehr nahe ATP Analoga aus geschlossen Glykolisierte Molek le oder welche den f r ATP charakteristischen Purinring tragen wurden im Filterprozess nicht ber cksichtigt 52 5 3 Ausrichtung an den Pharmakophor wurden s mtliche Molek le des Datensatzes an ihrem jeweiligen Pharmakophor ausge richtet und die Anzahl der korrekt ausgerichteten Molek le farblich in ei
119. korierungsschritt erweitert die verwendeten Fragmentr ume um Molek le die f r einen konkreten Pharmakophor besonders interessant sind Ergebnisse Qsearch wurde in vier Szenarien mit diversen Parametern erprobt um verschiedene Aspekte der Methode beurteilen zu k nnen Dabei wurde einerseits anhand eines COX 2 Pharmakophors die F higkeit der Methode dargestellt Grundger ste von bekannten Mo lek len zu generieren und andererseits anhand eines Pharmakophors f r die BCR ABL Tyrosinkinase die M glichkeit bekannte Grundger st nderungen zu reproduzieren und neuartige Grundger ste vorzuschlagen In allen Szenarien lieferte Qsearch Ergebnisse die auf eine breite Anwendbarkeit der Methode schlie en lassen 7 2 Ausblick Die in Kapitel 6 vorgestellten Ergebnisse zeigen die Anwendung von Qsearch in einem breiten Spektrum von verschiedenen de novo Designszenarien Trotzdem verbleiben Ein schr nkungen deren Behandlung den Rahmen der durchgef hrten Arbeiten berstiegen h tten sowie interessante Aspekte die sich w hrend der Arbeiten aufgetan haben und die im folgenden zusammengetragen sind 102 7 2 Ausblick Dynamische Auswahl von Ringkonformationen Die Wechsel der Konformationen in nicht aromatischen Ringen stellt eine wichtige Quelle f r Variabilit t in den dreidimensio nalen Strukturen von Wirkstoffen dar Qsearch modelliert die Flexibilit t dieser Ringsys teme durch mehrfache Einbindung der betreffenden Fragmente
120. l space with Scaffold Hunter Nature Chemical Biology 5 8 581 583 2009 104 117 B Benutzerhandbuch Qsearch kann entweder ber eine grafischen Benutzerschnittstelle oder ber die Kom mandozeile ausgef hrt werden Die Konfigurationsm glichkeiten f r beide Modi werden im folgenden dargelegt B 1 Grafische Benutzerschnittstelle Die grafische Benutzerschnittstelle ist der Standardmodus von Qsearch Sie wird ge ffnet wenn das Programm ohne Parameter aufgerufen wird Abbildung B 1 1 Die einzelnen Interaktionsm glichkeiten sind wie folgt B 1 1 Men punkt Actions Unter dem Men punkt Actions gibt es vier Unterpunkte die folgende Bedeutungen haben Search Molecules Ein Dialog wird ge ffnet um eine Suche aufzusetzen Die Angabe eines Fragmentraums und eines Pharmakophors ist obligatorisch Zus tzlich lassen sich noch die Suche die Ausrichtung und die schnelle Ablehnung konfigurieren Nach der Best tigung mit OK ffnet sich die Suchkontrolle Grow Molecules Ein Dialog der mit dem von Search Molecules vergleichbar ist wird ge ffnet Er erlaubt das Aufsetzen eines Fragmenterweiterungsexperiments Zus tz lich zu den bei Search Molecules angegebenen Informationen muss noch ein Start fragment ausgew hlt werden Write Commands Die aktuelle Konfiguration wird in eine Datei f r den Start des Kom mandozeilenmodus geschrieben Hierf r muss vorher entweder ber Search Mole cules
121. lacement of medium sized molecu lar fragments into active sites of proteins Journal of Computer Aided Molecular Design 10 1 41 54 1996 28 Toporov N P und P M DEAN A branch and bound method for optimal atom type assignment in de novo ligand design Journal of Computer Aided Molecular Design 12 4 335 349 1998 28 33 104 109 A Literaturverzeichnis 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 110 LLoYD D G C L BUENEMANN N P Toporov D T MANALLACK und P M DEAN Scaffold hopping in de novo design Ligand generation in the absence of receptor information Journal of Medicinal Chemistry 47 3 493 496 2004 29 Toporov N P C L BUENEMANN und I L ALBERTS De novo ligand design to an ensemble of protein structures Proteins 64 1 43 59 2006 29 STAHL M N P Toporov T JAMES H MAUSER H J BOEHM und P M DEAN A validation study on the practical use of automated de novo design Journal of Computer Aided Molecular Design 16 7 459 478 2002 29 78 79 95 101 DEAN P M S FIRTH CLARK W HARRIS S B KIRTON und N P TODOROV SkelGen a general tool for structure based de novo ligand design Expert Opinion on Drug Discovery 1 2 179 189 2006 29 GUNER O F Pharmacophore Perception Development and Use in Drug Design International University Line La Jolla CA 2000 29 HERT J P WILLETT D J WILTON P ACKLIN K AZZAOUI E JACOBY und A SCHUFFENHAUER Comp
122. len Gruppen die in ihnen enthalten sind sind in der Interak tion mit der Zielstruktur involviert Das Entfernen dieser Gruppen wiirde den Verlust von wichtiger Information nach sich ziehen Abh ngig von dem Ursprung der Fragmente k nnen die funktionelle Gruppen allerdings auch hier nur f r die Modulation von pharma kokinetischen Eigenschaften angef gt worden sein so dass ihre Entfernung kein Problem darstellen w rde Durch einen sehr spezifischen Pharmakophor lie e sich dieser Effekt kompensieren weil funktionelle Gruppen die f r seine Erf llung also die Interaktion mit der Zielstruktur erforderlich w ren durch den Algorithmus nicht entfernt werden w rden Lediglich in den generischen Fragmentr umen l sst sich der Entdekorierungsschritt ohne potentielle Komplikationen durchf hren Die Informationen die implizit in ihnen enthalten sind sind sehr allgemeiner Art Die generischen Fragmentr ume dienen haupt s chlich als Quelle f r m glichst diverse Molek le die zumindest theoretisch ber ein fache Synthesen zu erstellen sind da sie h ufige molekulare Motive und Verkn pfungen zwischen ihnen beinhalten Die funktionellen Gruppen und molekularen Motive die in ihnen vorkommen wurden teilweise f r die Modulation von pharmakokinetischen Eigen schaften angef gt beziehungsweise tragen ohne ihre jeweils zugeh rige Zielstruktur keine relevanten Information mehr in sich und k nnen daher ohne Probleme entfernt werden 100
123. m an jedes ihrer Linkatom alle kompatiblen Fragmente des Fragmentraums angebaut werden Von die sen Teill sungen werden nun erneut die k besten ausgesucht und f r die n chste Stufe des inkrementellen Aufbaus ber cksichtigt Sobald ein Molek l bestimmte vorgegebene Kriterien erf llt so wird es als L sung ausgegeben Qsearch bedient sich des Fragmentraumkonzepts das FlexNovo verwendet um den Suchraum zu beschreiben wobei die konkreten Unterschiede und Gemeinsamkeiten in Abschnitt 4 1 eingehend besprochen werden 3 3 3 SkelGen Unter dem Namen SkelGen wurde von der Firma De Novo Pharmaceuticals eine Reihe von Methoden ver ffentlicht die sich mit der Problemstellung des de novo Designs be sch ftigen Eine genaue Aufschl sselung der einzelnen verwendeten Methoden gestaltet sich schwierig da aufgrund der kommerziellen Verwertbarkeit der Forschungsergebnisse nur wenige Details ver ffentlicht wurden Stattdessen finden sich in der wissenschaftlichen Literatur Ver ffentlichungen in denen von der erfolgreiche Anwendung des Programms berichtet wird und die teilweise Details zu den zum Einsatz gekommenen Methoden beinhalten Im folgenden ist auf Grundlage dieser publizierten Artikel eine bersicht ber die zur Anwendung gekommenen Methoden zusammengestellt Die Grundlage f r SkelGen liefern zwei Algorithmen die Ende der neunziger Jahre ver ffentlicht wurden In den dazugeh rigen Artikeln wird beschrieben wie neuartige Kohlenstoff
124. mente und die dazugeh rigen Linkatome gehen und sie mit der Anfrage vergleichen Damit liegt sie in O N M wobei N die Anzahl an Fragmenten und M die maximale Anzahl an Linkatomen eines Fragments ist In den verwendeten BRICS Fragmentr umen ist M lt 5 und kann im Ver h ltnis zur Anzahl der Fragmente vernachl ssigt werden wodurch sich eine lineare Kom plexit t ergibt Trotz dieser moderaten Komplexit tsklasse stellte diese Berechnung eine nicht zu vernachl ssigenden Zeitaufwand in Qsearch dar Um die Suche zu beschleuni gen wurde ein Bitmapindex 93 eingesetzt der die zu indizierenden Daten auf Bitmasken abbildet Um die Daten als Bitmaps zu kodieren m ssen sie in einer geeigneten Weise als Tabel le organisiert werden F r dieses Problem wurde ein Tabellenschema entworfen in dem jede Zeile ein Fragment darstellt und die Anzahl seiner jeweiligen Linkatomen in den Spalten beschrieben ist vgl Tabelle 5 1 Dabei kodieren die einzelnen Spalten kumu lativ die Anzahl der Linkatome eines bestimmten Typs Das Tabellenschema erlaubt es nach Fragmenten zu suchen die mindestens eine bestimmte Kombination an Linkato men besitzen Bei der Suche wird die Anfrage mit dem gleichen Schema in eine Bitmaske 62 5 6 Suche nach kompatiblen Fragmenten beim Ersetzungsschritt Algorithmus 5 1 Generieren der Menge aller Kombinationen von Linktypen N die es einem Fragment g erlauben ein Fragment f zu ersetzen Die Eingabe m ist ein Vektor der
125. mulierung eine niedrigschwellige Methode dar die Ergebnisse zu interpretieren Dies erm glicht einen leichten interdisziplin ren Aus tausch wie er in der Wirkstoffforschung vonn ten ist 3 Die Publikationen in denen die Ergebnisse von SkelGen 54 und NovoFLAP 65 vorgestellt werden erw hnen hnliche Ans tze gehen allerdings nicht n her auf die verwendeten Methoden ein um ihr intellektuelles Eigentum in Form von propriet re Algorithmen zu sch tzen 101 7 Zusammenfassung und Ausblick e Im Vergleich zu interaktionsbasierten Straffunktionen wie sie in der strukturba sierten Wirkstoffsuche verwendet werden ist die Berechnung von pharmakophor basierten Straffunktionen weniger rechenintensiv und erm glicht das Bewerten von mehr Molek len in gleicher Zeit e Die Verwendung von Pharmakophorhypothesen ist selbst dann m glich wenn keine dreidimensionalen Koordinaten f r die Zielstruktur vorliegen Verwendung von Fragmentr umen e Fragmentr ume bieten durch die Verwendung von retrosynthetischen Erstellungs und Verkn pfungsregeln eine erprobte M glichkeit Molek le zu generieren die eine h here Wahrscheinlichkeit haben chemisch valide und leicht synthetisierbar zu sein als atombasierten Verfahren 27 e Die einfache Erstellung von targetspezifischen Fragmentr umen erlaubt es in einer intuitiven Art und Weise den Suchraum auf relevante Bereiche einzuschr nken e Der in den Methoden vorgestellte Entde
126. n Lk_ 100 Jk 010 Jk 001 erstellt die Informationen ber die geschnittene Bindung beinhalten Sie werden dazu verwendet Linkatome die beim Schneiden einer einfachen doppelten oder dreifachen Bindung erstellt worden sind zu kennzeichnen So wird es erm glicht die Fragmente ber die regul re Molek linitialisierung mithilfe der NAOMI Routinen durchzuf hren Ein Fragmentraum besteht aus einer Menge von Fragmenten und einem Satz an Re geln die beschreiben wie diese Fragmente verkn pft werden k nnen Die Unterschiede zu der Fragmentraumimplementierung aus FlexNovo ergeben sich gr tenteils aus den implizit vorhandenen chemischen Informationen im NAOMI Modell was eine Vereinfa chung der Fragmentraumdefinitionen zur Folge hat Folgende Punkte werden nicht mehr als Eingabe ben tigt Torsionswinkel Bisher war es n tig planare Geometrieren entlang von neu gekn pften Bindungen explizit kenntlich zu machen damit sie korrekt erstellt werden Das NAOMI Modell hingegen erkennt Bindungen die zu delokalisierten Systemen ge h ren automatisch und konstruiert die Molek le so dass an diesen planare Winkel eingestellt werden Dabei wird stets eine E Konformation entlang der neu gekn pf ten Bindung ausgew hlt Bindungsl ngen FlexNovo erlaubte die Bindungsl nge f r neu gekn pfte Bindungen als Eingabeparameter anzugeben Das NAOMI Chemiemodell stellt diese Informatio nen zur Verf gung Sie wird daher nicht mehr als zu
127. n da die zu erwartende Energielandschaft sehr rau und steil war und diese Verfahren sich in vergleichbaren Forschungsarbeiten als erfolgreich bewiesen haben e Um eine reibungslose Kommunikation mit den Anwendern bei dem Kooperations partner zu gew hrleisten sollte das Programm sowohl intuitiv zu bedienen sein als auch Ergebnisse liefern die sich mit dem Erfahrungswissen der Anwender decken 1 3 Aufbau der Dissertation In den folgenden Kapiteln wird die unter dem Namen Qsearch implementierte Methode zum pharmakophorbasierten Durchsuchen von chemischen Fragmentr umen mithilfe von 11 1 Einleitung stochastischen Verfahren pr sentiert Die Ausfiihrungen sind in mehrere Kapitel geglie dert die aufeinander aufbauen und die durchgef hrten Arbeiten erl utern Kapitel 2 liefert eine generelle Einf hrung in die Problemstellung des rationalen Wirk stoffdesigns und stellt die Konzepte aus dem Feld vor die f r das weitere Verst nd nis dieser Arbeit vonn ten sind Hierzu geh rt insbesondere das Pharmakophor und das Fragmentraumkonzept Kapitel 3 beinhaltet eine bersicht ber das de novo Design im Allgemeinen und eine Vorstellung von Konzepten aus der Literatur die sich mit hnlichen Problemstel lungen besch ftigt haben Kapitel 4 erl utert die Modelle der medizinischen Chemie die als Grundlage f r die durchgef hrten Berechnungen verwendet wurden Dazu geh ren vor allen Dingen die Art und Weise mit der d
128. n es mindestens d Links vom Typ I besitzt Alle Fragmente besitzen mindestens 0 Linkatome aller Linktypen daher sind diese Spalten ausgelassen m ist die maximale Anzahl von Links des gleichen Typs die ein Fragment im Fragmentraum hat 63 5 Methoden umgewandelt die fiir die Beschreibung der Fragmente verwendet wird und daraufhin zei lenweise mit dem Index verglichen Wird eine Zeile gefunden die mindestens die Bits der Anfrage gesetzt hat so wird das korrespondierende Fragment der L sung hinzugef gt Algorithmus 5 2 Suche nach Fragmenten mit einer bestimmten Kombination von Link atomen Die Operation amp ist die bitweise Verundung von zwei Bitmaps Die Eingabe ist einerseits der generierte Index x ein Vektor mit Linktypen als Anfrage function INDEXSUCHE Index x LinktypVektor l a r gt Anfrage R ckgabewert for i in 1 z AnzahlSpalten do a ErweitereUm 0 gt Initialisierung der Anfrage end for for i in 1 x AnzahlLinktypen do gt Konvertierung von in Bitmaske for j in 1 x MaxAnzahlLinks do if 1 Z hleVorkommenVon i j then al i 1 x AnzahlLinktypen 7 lt 1 end if end for end for for iin 1 x AnzahlZeilen do gt Durchsuchen aller Zeilen if x Zeile i amp a a then r ErweitereUm i end if end for return r end function Um die Leistung des Indexes zu beurteilen wurde er in einem Experiment mit dem naiven Algorithmus verglichen Daf r wurden Ind
129. ndine im K rper als Schmerzmediatoren wirken hat 77 6 Ergebnisse und Diskussion Abbildung 6 2 1 Der verwendete COX 2 Pharmakophor Hellgriin aromatische Zentren dunkelgriin aromatische Richtungen grau erlaubte Form Das darge stellte Molek l ist ein Derivat des COX 2 Inhibitors Celecoxib aus der PDB Struktur 6cox ihre Blockade eine Herabsetzung der Schmerzempfindlichkeit zur Folge 98 Dar ber hin aus fungieren Prostaglandine als Botenstoff der Entz ndungsreaktionen hervorruft und die Aggregation von Thrombozyten unterdr ckt Folglich werden Cyclooxygenasehemmer als Analgetika Antiphlogistika und Thrombozytenaggregationshemmer eingesetzt Ent z ndungshemmende Schmerzmittel die wie die COX Inhibitoren kein steroidales Grund ger st besitzen werden auch als nichtsteroidale Antirheumatika NSAR bezeichnet 99 Die Cyclooxygenase liegt in den zwei strukturellen Isoformen COX 1 und COX 2 vor Die NSAR der ersten Generation hemmen nicht selektiv beide Isoformen aber durch die Aufkl rung der strukturellen Unterschiede zwischen ihnen konnte sich die Forschung auf die Entwicklung von selektiven COX 2 Inhibitoren konzentrieren Diese Isoform hat einen weitaus gr eren Anteil an der Schmerzmediation und zeigt bei einer Inhibition im Vergleich weniger Nebenwirkungen 1 COX 2 Pharmakophor Die Bindetasche von COX 2 ist weitgehend hydrophob und die molekulare Erkennung von Liganden wird haupts chlich durch ihre Form be
130. nem Diagramm markiert vgl Abbildung 5 3 2 Auf Basis einer visuellen Auswertung dieses Diagramms wurden dann die Parameter f r den n chsten Lauf ausgew hlt Die Parameter f r jeden einzelnen Lauf finden sich in Anhang D Erste Iteration Im ersten Schritt wurden verschiedene Abk hlungsstrategien angewen det wobei die Abk hlungsfaktoren a jeweils so ausgew hlt wurden dass die Temperatur in der Optimierung nach 25 50 oder 75 der Zeit auf einen Wert nahe Null sinkt und nur noch Schritte akzeptiert werden die zu einer Verbesserung der Bewertung gef hrt haben In den Abbildungen auch als kalt bezeichnet Au erdem wurden verschiedene Laufzeiten f r die Optimierung gew hlt 700 1000 und 1300 Schritte Bei den Kon formations nderungen wurden verschiedene Verh ltnisse zwischen nderungen der Tor sionswinkel und der Transformation der gesamten Konformation verwendet wobei das Verh ltnis von Rotation und Translation bei 1 3 fixiert war mehr Torsionen gleiches Verh ltnis mehr Transformationen In dem Diagramm l sst sich erkennen dass die Ergebnisse sich mit k rzeren Abk h lungsstrategien verbessern weswegen f r die weiteren Schritte o so gew hlt wurde dass die Optimierung nach 25 der Laufzeit einen kalten Zustand erreicht Eine l ngere Laufzeit wirkte sich in den meisten F llen ebenfalls positiv aus weswegen 1300 Schritte f r das weitere Vorgehen verwendet wurden Genauso ist zu sehen dass mehr Trans
131. nspezifischen Pharmakophors Grund ger ste von bekannten aktiven Molek len zu erzeugen Daf r wurde zun chst ein tar getspezifischer und danach ein generischer Fragmentraum als Eingabe verwendet In den weiteren Beispielen anhand eines spezifischen BCR ABL Pharmakophors untersucht wie sich die Grundger st nderungen die Qsearch vorschl gt zu bekannten nderungen aus der Literatur verhalten Hierf r wurde ebenfalls mit einem allgemeinen Fragmentraum und einem targetspezifischen Fragmentraum gearbeitet wobei letzterer im Rahmen eines Fragmenterweiterungsexperiments eingesetzt wurde Das Kapitel schlie t mit einer Diskussion spezifischer Aspekte der Methode ab wozu auch insbesondere ihre Einschr nkungen geh ren 6 1 Analyse der verwendeten Fragmentr ume Vor der Pr sentation der durchgef hrten Experimente werden die verwendeten Fragmen tr ume analysiert da sie einen ma geblichen Einfluss auf die Qualit t der Ergebnisse haben Daf r werden sie in Bezug auf verschiedene Eigenschaften untersucht und ihre Eignung f r die Anwendung in Qsearch beurteilt Ein besonderes Augenmerk gilt dabei der Diversit t der Fragmente in Bezug auf ihre Geometrie Topologie und Chemie Die gewonnenen Erkenntnisse wurden in die Erstellung eines neuen Fragmentraums umgesetzt mit dem angestrebt wurde die Diversit t der Fragmente auf den eben ge nannten Felder zu erh hen Dazu wurde der BRICS_4k Raum mit Fragmenten des BRICS_ 20k Raums angereic
132. odeling perspective Medicinal Research Reviews 16 1 3 50 1996 26 SCHNEIDER P und G SCHNEIDER Collection of Bioactive Reference Compounds for Focused Library Design QSAR amp Combinatorial Science 22 7 713 718 2003 26 30 99 HARTENFELLER M E PROSCHAK A SCHUELLER und G SCHNEIDER Concept of combinatorial de novo design of drug like molecules by particle swarm optimiza tion Chemical Biology amp Drug Design 72 1 16 26 2008 26 FISCHER J R U LESSEL und M RAREY LoFT Similarity Driven Multiob jective Focused Library Design Journal of Chemical Information and Modeling 50 1 1 21 2010 26 98 SCHNEIDER G und U FECHNER Computer based de novo design of drug like molecules Nature Reviews Drug Discovery 4 8 649 663 2005 27 31 ZALIANI A K BODA T SEIDEL A HERWIG C H SCHWAB J GASTEI GER H CLAUSSEN C LEMMEN J DEGEN J PARN und M RAREY Second generation de novo design a view from a medicinal chemist perspective Journal of Computer Aided Molecular Design 2009 27 SCHNEIDER G M HARTENFELLER M REUTLINGER Y TANRIKULU E PROSCHAK und P SCHNEIDER Voyages to the un known adaptive design of bioactive compounds Trends in Biotechnology 27 1 18 26 2009 27 45 RAREY M B KRAMER T LENGAUER und G KLEBE A fast flexible docking method using an incremental construction algorithm Journal of Molecular Biology 261 3 470 489 1996 27 RAREY M S WEFING und T LENGAUER P
133. of 2 2 Paracyclophanes and Interconversions of Polysubstituted Derivatives Journal of the American Chemical Society 91 13 3527 1969 19 Bemis G W und M A MURCKO The properties of known drugs 1 Molecular frameworks Journal of Medicinal Chemistry 39 15 2887 2893 1996 19 21 BOEHM H J A FLOHR und M STAHL Scaffold hopping Drug Discovery Today Technologies 1 3 217 224 2004 22 23 SCHNEIDER G P SCHNEIDER und S RENNER Scaffold Hopping How Far Can You Jump QSAR amp Combinatorial Science 25 12 1162 1171 2006 22 26 MAUSER H und W GUBA Recent developments in de novo design and scaffold hopping Current Opinion in Drug Discovery amp Development 11 3 365 374 2008 22 26 27 LESSEL U B WELLENZOHN M LILIENTHAL und H CLAUSSEN Searching Frag ment Spaces with Feature Trees Journal of Chemical Information and Modeling 49 2 270 279 2009 23 MAUSER H und M STAHL Chemical fragment spaces for de novo design Journal of Chemical Information and Modeling 47 2 318 324 2007 23 LEWELL X Q D B JUDD S P Watson und M M Hann RECAP retrosynthetic combinatorial analysis procedure a powerful new technique for iden tifying privileged molecular fragments with useful applications in combinatorial che mistry Journal of Chemical Information and Computer Sciences 38 3 511 522 1998 23 27 102 SCHNEIDER G O CLEMENT CHOMIENNE L HILFIGER P SCHNEIDER S KIRSCH H J BOHM und W N
134. on b Zy klopyrrole und Zolpidem c Imidazopyridine zu Zaleplon d Pyrazolpyrimidine gewechselt weils die Zusammenstellung der Fragmentr ume wegen der verschiedenen Zielsetzungen unterscheidet Fragmentr ume die f r die Abbildung von kombinatorischen Bibliotheken erzeugt worden sind modellieren in der Regel die Dekoration von zentralen Kernfragmen ten mit einem Satz an R Gruppen 25 Fragmentr ume hingegen die f r die Verwendung im de novo Design erstellt worden sind sind in der Regel in ihrer Zusammenstellung weitaus diverser da sie darauf optimiert sind m glichst verschiedenartige Strukturen zu erzeugen die dar ber hinaus wirkstoff hnliche Eigenschaften besitzen 26 Eine aus f hrlichere bersicht ber die verschiedenen Fragmentraumtypen und ihre Unterschiede findet sich in Abschnitt 6 6 In den folgenden Ausf hrungen werden ausdr cklich nur Fragmentr ume besprochen die f r das de novo Design Anwendung entworfen worden sind Fragmentr ume wurden urspr nglich von Lewell et al entwickelt um klassische Syn theseprotokolle der kombinatorischen Chemie in Computermodellen abzubilden 27 Dazu wurde unter dem Namen RECAP ein Satz an Regeln entwickelt nach dem Molek le an definierten Punkten in molekulare Fragmente aufgetrennt und wieder zusammengef gt werden k nnen um neue Molek le zu erzeugen Das Konzept der chemischen Fragmen tr umen wurde in vielen de novo Computerprogrammen verwendet vgl 28 29
135. on Fragmentr umen zu beurteilen werden im folgenden ihre speziellen Eigenschaften und Anwendungsfelder vorgestellt und dann als Bewertungs grundlage verwendet Eine Zusammenfassung der Eigenschaften findet sich in Tabelle 6 4 kombinatorische Fragmentr ume sind den konkreten Syntheseprotokollen in kombina torischen Bibliotheken nachempfunden 45 Die Fragmente korrespondieren zu rea len Reagenzien wie sie im Labor f r die Synthese verwendet werden w rden Mo 98 6 6 Fragmentr ume und ihre Entdekorierung Typ Ursprung implizites Dekoration Anwendung Entdeko Wissen rierung kombinator Reagenzien Synthesen reaktions konkrete nicht Raum spezifisch Synthese geeignet targetspez aktive Interaktions target Rekombi teilw Raum Molek le muster spezifisch nation geeignet generischer Wirkstoff Wirkstoff unspezifisch Ideen geeignet Raum bibliotheken hnlichkeit generator Tabelle 6 4 Drei verschiedene Arten von Fragmentr umen und ihre Eigenschaften lek le die aus ihnen generiert werden k nnen in der Regel direkt synthetisiert werden targetspezifische Fragmentr ume werden aus einer kleinen Menge an Molek len ge wonnen f r die bekannt ist dass sie Aktivit t gegen ber einer Zielstruktur aufwei sen Die Fragmente werden durch retrosynthetische Zerlegung erzeugt und weisen in der Regel molekulare Muster auf die eine Aktivit t beg nstigen Eine Rekom bination dieser Muster kann zu neuen Molek len mit verbe
136. onen teilweise oder ganz durch hydrophobe Pharmakophormerkmale ersetzt sind Qsearch beschr nkt sich darauf das Ausschlie en von hydrophoben Regionen in w ss riger L sung zu modellieren da die London Kr fte im Verh ltnis sehr schwach sind Der Effekt wird durch die Abwesenheit von hydrophilen Interaktionen modelliert Das hei t ein hydrophobes Merkmal ist dann erf llt wenn mindestens ein Atom ohne und kein Atom mit hydrophilen Interaktionen in ihm liegt Das in Qsearch verwendete Konzept unterscheidet sich wesentlich von dem vergleich barer Programme die versuchen die Idee von hydrophoben Gruppen zu verwirklichen und die hydrophobe Punkte auf Basis von funktionellen Gruppen oder entlang von Koh lenstoffketten platzieren Ein direkter Vergleich der Methoden findet sich in Abbildung 6 5 1 Unter den Anwendern dieses Ansatzes finden sich unter anderem die kommerziel len Programme Catalyst 73 Phase LigandScout 85 und MOE 112 Der Ansatz der hydrophoben Gruppen bietet zwei wichtige Vorteile Zum einen l sst sich so die Hy drophobizit t auf einen einzelnen Punkt lokalisieren was f r viele Algorithmen Vorteile bietet und zum anderen wird das Konzept der hydrophoben Gruppen in der medizini schen Chemie h ufig verwendet weswegen die Programme das Konzept in ihren Modellen Aromatische Ringe werden in der Literatur oft als hydrophob interpretiert auch wenn sie polare Interaktionen ausbilden k nnen 112 1
137. ophor das aromatische Merkmal entfernt und auf den Die c Abl Tyrosinkinase ist die Tyrosinkinase die aus dem ABL1 Gen transkribiert wird Sie ist eine strukturelle Untereinheit der BCR ABL Tyrosinkinase und kann daher als Zielstruktur verwendet werden 105 85 6 Ergebnisse und Diskussion Imatinib Nilotinib S orafenib Ponatinib a Abbildung 6 3 1 Pharmakophor fiir BCR ABL Tyrosinkinaseninhibitoren nach Wolber und Langer 85 In der obersten Zeile ist Imatinib zusammen mit dem Pharmakophor zu sehen Darunter abgebildet sind Wirkstoffe der zwei ten Generation die aus Imatinib hervorgegangen sind Wichtige Un terschiede sind orange markiert Alle vier Molekiile sind strukturell hnlich und erf llen den Pharmakophor entweder ganz oder im Fall Sorafenib und Ponatinib nur teilweise Neben den Molekiilen sind je weils Qsearch Ergebnisse abgebildet die die gew nschten Struktur n derungen beinhalten 86 6 3 BCR ABL Tyrosinkinase Inhibitoren Tabelle 6 3 Die besten neun L sungen des Fragmenterweiterungsexperiments Alle L sungen wurden in das aktive Zentrum der PDB Struktur lopj gelegt und von MOE bewertet Akzeptor und das aromatische Merkmal des terminalen Pyridins reduziert Die ande ren Pharmakophormerkmale sind Teil des Startfragments und wurden deshalb ebenfalls entfernt Als Eingabe wurde f r dieses Experiment ein Unterraum des BRICS_4k Datensatzes generiert Fragmente wurden in
138. r verschiedene molekulare Deskriptoren Die Deskriptoren die dabei zum Einsatz kommen k nnen entweder auf zwei oder dreidimensionalen Beschreibungen der Molek le basieren Erstere verwenden zum Bei spiel die Topologie der Molek le 57 oder sogenannte Fingerprint Methoden 58 um Aus sagen ber die hnlichkeit zu bekannten aktiven Molek len zu machen Letztere verglei chen Molek le ber ihre r umliche Ausdehnung und die Anordnung ihrer elektronischen Eigenschaften 59 Da beide hnlichkeitsma e auf dem Vergleich zu bekannten Liganden basieren werden sie ligandbasiert genannt Im folgenden werden verschiedene ligandba Eine ausf hrliche Liste ist in 30 zu finden 29 3 de novo Design sierte de novo Ans tze pr sentiert 3 4 1 Flux Das Programm Flux 60 verwendet einen populationsbasierten evolution ren Algorith mus um durch den chemischen Raum zu navigieren Daf r werden evolution re Mecha nismen auf virtuelle Molek lpopulationen angewendet und ein Selektionsdruck f r ei ne m glichst hohe hnlichkeit zu einer Referenzstruktur aufgebaut Die Fitnessfunktion die dabei zum Einsatz kommt setzt sich aus zwei molekularen Fingerprints zusammen Einerseits einem der auf den Ghose Crippen Atomtypen 61 basiert 62 und anderer seits auf dem Daylight Fingerprint Um neue Molek le zu erzeugen verkn pft das Pro gramm Fragmente der COBRA Bibliothek 43 Eine Besonderheit ist hierbei dass nicht
139. r Optimierung durchsucht und die dreidimensionale Orientierung sowie die Torsionswinkel ver ndert um zu einer m glichst guten berlagerung zu gelangen Diese Optimierung kann entweder numerisch wie beim Directed Tweak 86 oder auch stochastisch wie im Programm SkelGen 30 durchgef hrt werden Die beiden Ans tze zeichnen sich durch unterschiedliche St rken aus 74 Der erstere erlaubt das Aufteilen des Problems in einen Vorverarbeitungsschritt die Generierung der Konformationen und in einem Suchschritt die konkrete Suche wodurch die Daten vorverarbeitet werden k nnen so dass ein effizienter Zugriff erm glicht wird Dar ber hinaus l sst sich so die nicht triviale Aufgabe der Konformationsgenerierung an eine spezialisierte externe Methode delegieren In diesem Ansatz ist eine repr sentative Gene rierung der Konformationsensembles von gro er Wichtigkeit Fehlende relevante Konfor mationen f hren zu einer falsch negativen Bewertung von Molek len da ihre relevanten Konformationen nicht enthalten sind In zweiten Ansatz werden keine Vorberechnungen angestellt was in einer langsameren Laufzeit Ausdruck findet Allerdings wird es durch die flexiblere Auswahl der Torsions winkel auch erm glicht ungew hnliche Konformationen zu finden die zwar energetisch nicht optimal aber trotzdem valide sind 87 In Qsearch wird der zweite Ansatz verwendet Jedes Molek l das generiert wird und den schnellen Ablehnungskritieren gen gt wird
140. r Strukturen im virtuellen Wirkstoffentwurf wird de novo Design genannt und ist das Kerngebiet der in dieser Dissertation behandelten Thematik 1 2 Forschungsrahmen Im Rahmen dieser Dissertation wurden stochastische Verfahren zum Entwurf neuartiger Grundger ste aus chemischen Fragmentr umen entwickelt Folgende Punkte waren dabei von herausragendem Interesse und erfuhren eine besondere Beachtung e Die Vorteile von Pharmakophoren im Feld des de novo Designs sollten ausgenutzt werden Sie haben sich in der medizinischen Chemie als Standardmethode etabliert um die chemischen Eigenschaften zu formulieren die f r die molekulare Erkennung von kleinen Molek len durch biologische Strukturen essentiell sind Sie zeigen be sondere St rken bei de novo Designans tzen da sie von konkreten molekularen Strukturen abstrahieren und dadurch die generierten L sungen nicht von vornher ein beeinflussen e Genauso sollten die vielen Vorteile die Fragmentr ume in der Formulierung von chemischen Unterr umen bieten genutzt werden Sie erlauben es durch einen rela tiv kleinen Satz an Fragmenten und Verkn pfungsregeln einen gro en chemischen Unterraum zu definieren der implizit viele Eigenschaften wie zum Beispiel die der Wirkstoff hnlichkeit besitzt Bestehendes Wissen das auf diesem Feld gesammelt wurde sollte in die Methode integriert und erweitert werden e F r die durchzuf hrenden Berechnungen boten sich stochastische Verfahren a
141. r gro e Erfolg und die weite Verbreitung des Konzeptes hat die IUPAC dazu bewegt einige Jahrzehnte sp ter eine Definition f r den Begriff zu ver ffentlichen Ein Pharmakophor ist die Gesamtheit aller sterischen und elektronischen Eigenschaften die gegeben sein m ssen um eine optimale supramolekulare Interaktion mit einer biologischen Zielstruktur zu erm glichen und ihre bio logische Reaktion auszul sen oder zu blockieren bersetzt aus 16 Begleitend zu dieser Definition wird in einer Erg nzung ausdr cklich auf die korrekte Verwendung hingewiesen um der h ufigen falschen Benutzung des Begriffs in der medi zinischen Chemie entgegenzuwirken Ein Pharmakophor repr sentiert kein konkretes Molek l und keine explizite Anordnung von funktionellen Gruppen sondern ist eine rein abstraktes Kon 17 2 Grundlagen zept das die F higkeit verschiedener Stoffklassen beschreibt Interaktionen mit ihrer Zielstruktur auszubilden Der Pharmakophor kann als der gr te gemeinsame Nenner auf den eine Menge an aktiven Molek len gebracht werden kann betrachtet werden Diese Definition ersetzt die weit verbreitete falsche Benutzung des Begriffes in der Literatur der medizinischen Chemie die den Begriff f r einfache chemische Funktionalit ten wie Guanidine Sul fonamide oder Dihydroimidazole oder f r typische strukturelle Skelette wie Flavone Phenothiazine Prostaglandine oder Steroide verwendet bersetzt aus 16 Wi
142. rden k nnten Grundger stgruppierung Je nach eingesetztem Pharmakophor und Fragmentraum kann Qsearch eine sehr gro e Anzahl an Grundger sten produzieren die sich bis auf einige Dekorationen und Verbindungsatome stark hneln Diese Informationen sind hochgradig redundant und erschweren eine manuelle Auswertung und Interpretation der Ergebnisse Die automatisierte Gruppierung von Molek len auf Basis ihrer Grundger ste ist bis her noch nicht befriedigend gekl rt was unter anderem auf die unsichere Definition des Grundger stbegriffs zur ckzuf hren ist vgl Abschnitt 2 4 Die in der Literatur ver f fentlichten Methoden legen oft einseitig Schwerpunkte auf die funktionellen Gruppen 103 7 Zusammenfassung und Ausblick wie in verschiedenen Fingerprint Methoden z B den Daylight Fingerprints oder auf die Topologie wie im Scaffold Hunter 124 Mithilfe der zus tzlichen Information die der Pharmakophor liefert lie e sich eine automatisierte Gruppierung realisieren die n her an den in der medizinischen Chemie verwendeten Konzepten liegt Eine solche Methode w rde nur die f r den Pharmakophor relevanten funktionellen Gruppen ber cksichtigen und sich ansonsten auf die Bewertung beziehungsweise die Klassifizierung der verschiedenen molekularen Topologien konzen trieren Dies h tte den Vorteil dass in den hnlichkeitsfunktionen nur die Funktionalit ten an den Molek len die f r die Aktivit t relevant sind beachtet werd
143. rget in an intuitive way A particular strength of them is that they represent chemical information independently from specific molecular motifs This is es pecially useful for de novo design methods since one of their key goals is to incorporate as much novelty into the generated molecules as possible The input for Qsearch consists of a pharmacophore and a fragment space The frag ment space is navigated with a Simulated Annealing procedure which iteratively creates molecules by changing their constituting fragments Every created molecule is subjected to a three dimensional alignment to the input pharmacophore In a following undeco ration step the complexity of the generated molecules is reduced by clipping terminal functional groups and removing hetero atoms in aromatic heterocycles provided that the pharmacophore allows for these changes This step allows the algorithm to access molecules which do not result directly from connecting the input fragments and to ex tend the number of accessible molecules in a meaningful way Furthermore slight mod ifications to the workflow of Qsearch enable it to grow complete molecules from anchor fragments which is a common task in medicinal chemistry Qsearch has been tested in several scenarios and has been shown to be able to generate relevant ideas for novel molecular scaffolds Zusammenfassung de novo Design wird in der Wirkstoffforschung dazu eingesetzt um neuartige molekulare Grundger ste
144. rophobizit t f r die verwendeten Fragmente im folgenden ebenfalls durch die Anzahl der Atome die als Donor oder Akzeptor klassifiziert werden beschrieben wird Statistische Analyse In Abbildung 6 1 3 ist die Anzahl der polaren Atome pro Frag ment und das Verh ltnis von polaren zu nicht polaren Schweratomen in den verwendeten Fragmentr umen graphisch aufgetragen Es f llt auf dass ein Gro teil der Fragmente zwei oder mehr polare Atome beinhaltet Dar ber hinaus weisen die meisten Fragmente ein Verh ltnis von polaren zu unpolaren Schweratomen von 1 4 oder mehr auf Der Medi an f r den Anteil an Heteroatomen in allen Datens tze in diesem Fall jeweils 0 22 Daraus 73 6 Ergebnisse und Diskussion 0 2 4 6 0 2 4 6 BRICS 4k BRICS_4k Prozent der Fragmente 0 2 4 6 0 2 4 6 Atome mit polaren Interaktionen a Anzahl der polaren Schweratome in den Fragmenten 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 Prozent der Fragmente 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 Anteil der Schweratome mit polaren Interaktionen b Anteil der polaren Atome an den gesamten Schweratomen in den Fragmenten Abbildung 6 1 3 Polarit t der Fragmente in den BRICS Fragmentr umen Atome wer den als polar angesehen wenn sie im Interaktionsmodell entweder als Akzeptor oder als Donor behandelt werden 74 6 1 Analyse der verwendeten Fragmentr ume erschlie t sich dass mehr als jedes
145. rteten L sungen beschrieben wird und sollten ebenfalls bersprungen werden Die Definition des erlaubten Rahmens f r das Volumen wird durch den Benut zer vorgenommen und relativ zum Gesamtvolumen des Pharmakophors angegeben Als Empfehlung f r die Benutzer werden Werte von 80 120 des Eingabepharmakophors verwendet 4 Flexibilitat Um die Flexibilit t der erhaltenen Molek le in Bereichen zu halten die bei der Grundger stsuche sinnvoll sind l sst sich die L nge des maximalen Pfades aufein ander folgender rotierbarer Bindungen im Molek lgraphen beschr nken Molek le deren Pfad zu lang ist werden sofort abgelehnt Dies geschieht aus zwei Gr nden Erstens hat die Flexibilit t ber die Entropiebeitr ge einen Einfluss auf die Affinit t von Wirkstof fen das hei t Molek le die sehr flexibel sind haben eine niedrigere Bindungsaffinit t als hnliche starre Molek le 84 Zweitens w chst auch die Komplexit t der Ausrichtung an den Pharmakophor mit der Flexibilit t der Molek le da jede frei drehbare Bindung im Molek l den Suchraum vergr ert In der Regel werden maximal zwei aufeinander folgende rotierbare Bindungen erlaubt Interaktionen Molek le die nicht gen gend Interaktionen ausbilden k nnen um al le Pharmakophormerkmale zu erf llen werden ebenfalls sofort abgelehnt In den mit Qsearch verwendeten BRICS Fragmentr umen tritt dieser Fall allerdings nicht sehr h u fig auf da die in ihnen enthaltenen Fragmente
146. s tzliche Eingabe ben tigt Atomtyptransformationen Das FlexNovo Molek lmodell verwendet f r die Beschrei bung kleiner Molek le die Atomtypen die im Tripos Kraftfeld 72 f r Proteine definiert wurden Dadurch dass das Kraftfeld nicht die gesamte Spannbreite von Atomtypen in Wirkstoffmolek len abdeckt ist es teilweise n tig die Zuordnung der Kraftfeldtypen zu den Atomen die adjazent zu einer neu entstandenen Bin dung liegen zu ver ndern Durch die differenziertere Abbildung der Atomtypen im NAOMI Modell ist dieser Schritt nicht mehr n tig Dies hat den zus tzlichen Vorteil dass bestimmte Deskriptoren f r Molek le wie die Anzahl an Akzeptoren oder rotierbaren Bindungen nun ber Fragmente hinweg additiv sind Amidbindungen Im Tripos Kraftfeld werden die delokalisierten Bindungen in Amiden separat behandelt F r FlexNovo musste angegeben werden dass Amidbindungen Um eine Abw rtskompatibilit t der Fragmentr ume zu gew hrleisten wird das Eingabeformat von FlexNovo weiterhin verwendet allerdings werden die nun obsolet gewordenen Informationen ignoriert 35 4 Modellierung 2 1A e a 2 1A R Abbildung 4 2 1 Platzierung der Interaktionspunkte anhand von zwei Beispielen Bei einem aromatischen Ring werden zwei Interaktionen generiert griin Beide beginnen im Ringmittelpunkt und zeigen senkrecht vom Zen trum weg Bei Akzeptoren blau zeigen Interaktionen in Richtung der Elektronenpaare und bei Donoren ze
147. sign existieren verschiedene Ans tze um Fragmen tr ume nach bestimmten Kriterien zu durchsuchen F r die Methoden die lediglich auf zweidimensionalen Molek lbeschreibungen basieren wurden neben stochastischen Ver fahren vgl 60 81 82 auch Ans tze ver ffentlicht die die Komplexit t des Problems algorithmisch angehen und es optimal l sen vgl FTrees FS 29 Vergleichbare algorith mische L sungen f r dreidimensionale Molek lbeschreibungen wie sie in Qsearch ver wendet werden finden sich in der Literatur hingegen nicht da es bisher nicht gelungen ist das Problem so zu formulieren dass es ist in vertretbarer Zeit optimal gel st werden kann Die Algorithmen die in Qsearch zum Einsatz kommen verwenden stochastische Me thoden wobei dem Simulated Annealing 83 eine herausragende Bedeutung zukommt Diese Methode eignet sich f r gro e Suchr ume mit unstetigen Energielandschaften und wurde oft bei vergleichbaren Problemen verwendet 48 Der Qsearch Algorithmus beginnt mit der zuf lligen Generierung von Molek len aus den Eingabefragmenten bis eines gefunden worden ist das von der Gr e und von den Interaktionen her den Pharmakophor erf llen kann Ausgehend von diesem Startpunkt tritt Qsearch dann in eine Schleife von kontinuierlichen molekularen Modifikationen ein In jedem Schritt werden die Fragmente des aktuellen Molek ls modifiziert und das dar aus resultierende Molek l an dem Pharmakophor ausgerichtet Abh n
148. sind 55 5 Methoden R F _R NH ff ve R Cl _R CH R Of gee R Br R CF o R R OH RH rl NH E R SH OH Ee Abbildung 5 4 1 Funktionelle Gruppen die von Qsearch automatisch identifiziert und entfernt werden wenn sie nicht f r den Pharmakophor ben tigt wer den Dieser Schritt hilft mit Fragmentr umen umzugehen die aus dem Zerlegen von Biblio theken bekannter Wirkstoffe erstellt wurden Dieser Ursprung zeigt sich in den einzelnen Fragmenten unter anderem dadurch dass sie stark mit polaren funktionellen Gruppen dekoriert sind die in die Wirkstoffe eingef hrt wurden um ihre L slichkeit zu verbes sern Dar ber hinaus ist die Anzahl von Heteroatomen in aromatischen Heterozyklen in den verwendeten Fragmentr umen erh ht was auf die Fragmentauswahlprozedur zu r ckzuf hren ist Die berrepr sentierung von Heterozyklen in den BRICS R umen wird zusammen mit der Polarit t in Abschnitt 6 1 diskutiert Sowohl die hohe Anzahl an funktionellen Gruppen als auch die starke Verbreitung der Heterozyklen f hren dazu dass die aus den Fragmenten resultierenden Molek le sehr polar sind und von medizinischen Chemikern als Benutzern des Programms sofort als nicht geeignet zur ckgewiesen werden Um die Anwenderakzeptanz zu steigern wurden zwei Strategien entwickelt um den oben genannten Problemen entgegenzuwirken und die im folgenden erl utert werden Das Entfernen von funktionellen Gruppen und die Verringerung der
149. sind jedoch ein weit verbreitetes Element in vielen publizierten Pharmakophoren vgl Abschnitt 6 5 1 obwohl oder gerade weil sie eine sehr unspezifische Beschreibung sind Daher sollten sie in weiteren Arbeiten Beachtung finden Denkbar w re auch hierf r eine weiterge hende Entdekoration die insbesondere nicht terminale polare funktionelle Gruppen auf geometrisch quivalente Kohlenstoffgruppen reduziert Thor und Merlin Daylight Chemical Information Systems Inc Irvine CA USA www daylight com 104 A 1 2 3 4 5 6 7 8 Literaturverzeichnis KLEBE G Wirkstoffdesign Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2 Auf lage 2009 10 14 78 BAJORATH J Integration of virtual and high throughput screening Nature Re views Drug Discovery 1 11 882 894 2002 10 STAHL M W GUBA und M KANsy Integrating molecular design resources wi thin modern drug discovery research the Roche experience Drug Discovery Today 11 7 8 326 333 2006 10 101 GELLMAN S H Introduction Molecular Recognition Chemical Reviews 97 5 1231 1232 1997 15 PAULING L R B COREY und H R BRANSON The structure of proteins two hydrogen bonded helical configurations of the polypeptide chain Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 37 4 205 211 1951 15 ARUNAN E G R DESIRAJU R A KLEIN J SADLEJ S SCHEINER I AL KORT
150. sserten Eigenschaften f hren Targetspezifische Fragmentr ume wurden in verschiedenen Projekten er folgreich dazu verwendet neuartige aktive Molek le zu generieren Publikationen f r die erfolgreiche Anwendungen finden sich unter anderem f r die Programme E novo 121 BREED 39 und ADAPT 122 generische Fragmentr ume werden durch die retrosynthetische Zerlegung von Wirk stoffbibliotheken gewonnen Bekannte Vertreter sind unter anderem der COBRA und der BRICS Raum 43 32 Sie zielen darauf ab m glichst diverse molekulare Muster und Topologien bereit zu stellen die eine hohe hnlichkeit zu Wirkstoffen haben Molek le die aus ihnen entstehen m ssen in der Regel vor der Synthese durch Chemiker manuell modifiziert werden vgl 123 64 In den Fragmentr umen die Syntheseprotokolle der kombinatorischen Chemie modellie ren sollte die Entdekorierung nicht eingesetzt werden Eine Ver nderung der Reagenzien h tte Auswirkungen auf die Durchf hrung der Synthesen die in diesem Raum implizit modelliert worden sind Da der gr te Vorteil dieser R ume die einfache Zug nglichkeit zu den in ihnen enthaltenen Molek len ist ist die Entdekoration der Fragmente in diesem Fall kontraproduktiv Die Entdekoration von targetspezifischen Fragmentr umen ist ein Grenzfall Die ein zelnen Fragmente korrespondieren zwar nicht zu einzelnen Reagenzien einer Synthese 99 6 Ergebnisse und Diskussion aber viele der funktionel
151. stimmt DAT Um zu untersuchen ob 78 6 2 COX 2 Inhibitoren die in Qsearch implementierte Methodik Topologien bekannter Inhibitoren reproduzieren kann wurde auf Basis dieser Tasche ein Pharmakophor erstellt der bereits strukturelle Eigenschaften ber aromatische Merkmale vorgibt So konnten die L sungen einfach mit den Grundger sten von bekannten COX 2 Inhibitoren verglichen werden Der erstellte Pharmakophor ist in Abbildung 6 2 1 dargestellt Er besteht aus zwei gerichteten aro matischen Pharmakophormerkmalen und einem Volumen das auf Basis des Celecoxib Analogs in der PDB Struktur 6cox 100 erstellt wurde Es beschreibt die Tasche in der die Inhibitoren binden und wurde durch das Platzieren von Kugeln mit dem Radius 1 8 auf allen Schweratomen des Liganden definiert Ein vergleichbarer Ansatz wurde in der Validierung des Programms SkelGen 54 gew hlt wo die Pharmakophordefinition hnlich unspezifisch war Generierung eines targetspezifischen COX 2 Fragmentraums F r das erste Experiment mit dem COX 2 Pharmakophor wurde ein targetspezifischer Fragmentraum f r COX 2 Inhibitoren generiert Daf r wurde ein Datensatz mit 128 Mo lek len die eine Aktivit t gegen ber COX 2 aufweisen von Stahl und Rarey 101 ber nommen und mithilfe der BRICS Schnittregeln zu insgesamt 414 Fragmenten zerlegt In diesem speziellen Kontext bietet der Fragmentraum neben funktionellen Gruppen die f r COX 2 Inhibition typisch sind den zus tzlich
152. stoffforschung behandelt Nach einer Einfiihrung in die Thematik und einer Ubersicht wird ein Einblick in den aktuellen Stand der Forschung gegeben Dabei werden sowohl rezeptor als auch ligandbasierte Ans tze pr sentiert da Qsearch Konzepte aus beiden Feldern verwendet 3 1 Einf hrung und berblick de novo Design ist die Disziplin der virtuellen Wirkstoffentwicklung in der computerge steuert neuartige Strukturen von Molek len nach gew nschten Kriterien erzeugt werden Die eingesetzten Techniken lassen sich grob zwei Anwendungsfeldern zuordnen Zum einen k nnen sie zum Generieren von g nzlich neuartigen Grundger sten verwendet wer den die dann von Hits zu sogenannten Leads weiterentwickelt werden und zum anderen k nnen sie dazu eingesetzt werden Struktur nderungen an bereits bekannten Grundge r sten vorzunehmen Dabei wird in der Regel versucht strukturelle Motive zu ersetzen die unerw nscht sind weil sie entweder negative physiologische Eigenschaften haben oder bereits als geistiges Eigentum gesch tzt sind Die IUPAC definiert das de novo Design folgenderma en de novo Design ist das Design von bioaktiven Verbindungen durch das inkrementelle Aufbauen innerhalb eines Rezeptormodells oder eines aktiven Zentrums eines Enzyms dessen Struktur durch R ntgenstrukturanalyse oder Kernspinresonanzspektroskopie aufgekl rt wurde bersetzt aus 16 Die Festlegung auf den inkrementellen Aufbau ist dabei klar den zu Zeiten
153. sucht wobei iterativ Molek le durch Ver nderung auf Fragmentebene generiert und danach dreidimensional an dem Pharmakophor ausgerichtet werden In einem darauf folgenden Entdekorierungsschritt wird die Komplexit t der Molek le dadurch reduziert dass endst ndige funktionelle Gruppen eliminiert werden und die Anzahl von Heteroa tomen in Heteroaromaten verringert wird wenn dies der Erf llung des Pharmakophors nicht entgegensteht Dieser Schritt erlaubt es Zugang zu einem erweiterten Suchraum zu erlangen der f r die Erf llung des Eingabepharmakophors relevant ist Zus tzlich besteht die M glichkeit mit einer leichten Abwandlung der Methode Ankerfragmente zu kompletten Molek len zu erweitern was ein weit verbreitetes Anwendungsszenario in der medizinischen Chemie ist Qsearch wurde in verschiedenen Szenarien getestet und hat sich als Generator relevan ter Ideen f r neue molekulare Grundger ste bewiesen Danksagung An dieser Stelle m chte ich den Menschen danken die mich auf dem Weg zum Abschluss dieser Arbeit begleitet haben Zuallererst gilt mein Dank meinen Eltern die w hrend der gesamten Zeit f r mich da waren und deren r ckhaltloser Unterst tzung ich mir stets sicher sein konnte An Professor Dr Matthias Rarey geht mein Dank f r die Betreuung und F hrung bei der Durchf hrung der Forschungsarbeiten Bei allen neuen und alten Mitarbeitern mit denen ich in in der AMD Gruppe gearbeitet habe m chte ich mich f r die
154. sung un na Da DE alte 2 ana 1 22 Ausblick tas aise ede Sen eth Bra ale ee Bo ee ha Literaturverzeichnis Benutzerhandbuch B 1 Grafische Benutzerschnittstelle 0 0 00 0 000 000 0000 B 2 Kommandozeilenmodus CC Common Volumenbeitr ge der NAOMI Atomtypen Anhang f r die Parametrisierung der Ausrichtung Eidesstattliche Erkl rung 101 101 102 105 118 118 122 123 125 128 1 Einleitung 1 1 Einf hrung Als Wirkstoffe werden alle Substanzen bezeichnet die einen biologischen Effekt in Or ganismen hervorrufen 1 Von besonderem Interesse sind hierbei diejenigen Wirkstoffe deren biologischer Effekt Einfluss auf den Verlauf einer Krankheit hat und die daher als Arzneistoffe eingesetzt werden k nnen Seit dem Entstehen der rationellen Wirkstoffforschung im fr hen 20 Jahrhundert hat sich die pharmazeutische Forschung haupts chlich auf experimentelle Methoden zur Iden tifikation von neuen Wirkstoffen konzentriert In den letzten Jahrzehnten wurden parallel dazu computergest tzte Verfahren entwickelt um die medizinischen Chemiker die auf diesem Feld t tig sind zu unterst tzen 2 Dabei zeichnen sich die experimentellen und die computergest tzten Methoden durch individuelle St rken und Schw chen aus weswe gen sie in der pharmazeutischen Forschung komplement r verwendet werden 3 W hrend experimentelle Methoden im Allgemeinen teurer sind und mehr Zeit ben tigen als die vir tuellen
155. t com SR A Inventor Tripos L P St Louis MO USA www tripos com FLAP flexible ligand alignment protocol AstraZeneca Pharmaceuticals Wilmington DE USA Nicht ver ffentlicht Omega OpenEye Scientific Software Inc Santa Fe NM USA www eyesopen com omega ROCS OpenEye Scientific Software Inc Santa Fe NM USA www eyesopen com rocs 30 3 4 Ligandbasierte de novo Methoden Omega ein Konformationsensemble erstellt dessen Mitglieder durch ROCS mit dem Re ferenzliganden berlagert werden Die berlagerung die den besten Volumen berlapp liefert wird in der n chsten Phase dazu verwendet den endg ltigen Fitnesswert zu be stimmen Er berechnet sich aus dem normalisierten Volumeniiberlapp 66 zum Referenz liganden und der chemischen hnlichkeit die ber das Programm Triphic bestimmt wird Diese beiden Werte ergeben zusammen eine Zahl zwischen 0 0 und 2 0 die der EA Inventor als Fitnesswert verwendet Der in dem EA Inventor verwendete genetische Algorithmus ist ein regul rer popu lationsbasierter stochastische Algorithmus mit der Besonderheit dass er eine einfach zug ngliche Schnittstelle f r benutzerdefinierte Bewertungsfunktionen wie in diesem Fall FLAP bietet Die Grundlage f r den chemischen Raum den der Algorithmus durchsucht liefert wie auch bei Qsearch ein chemischer Fragmentraum Der Fragmentraum der in der Publikation verwendet wurde besteht aus ber 1300 Fragmenten die aus dem MD
156. t unter anderem 94 6 5 Einschr nkungen der Methode f r den Zusammenhalt von apolaren Fl ssigkeiten verantwortlich Zum anderen werden hydrophobe Regionen in polaren L sungsmitteln wie Wasser ausgeschlossen was zum Beispiel bei den Phasentrennungen von Ol Wasser Gemischen zu beobachten ist 91 In der Wirkstoffforschung spielt die Hydrophobizit t in zwei entgegenstrebenden phy sikochemischen Eigenschaften eine wichtige Rolle Einerseits hat sie Einfluss auf die Was serl slichkeit der Wirkstoffe wobei sie sich umgekehrt proportional zur Hydrophobizit t verh lt und eine wichtige Grundlage f r die M glichkeit zur oralen Darreichung darstellt Andererseits beeinflusst die Hydrophobizit t die Bindungsaffinitat eines Wirkstoffs wo bei sie in der Regel proportional mit ihr steigt Eine weit verbreitete Praxis um die Affinit t von Wirkstoffen zu erh hen ist daher das Einf hren von lipophilen Gruppen in ein Molek l 97 Das Austarieren der Eigenschaften von Wirkstoffen sowohl in Bezug auf eine hohe Wasserl slichkeit als auch auf eine hohe Affinit t ist eine der Kernaufgaben der medizinischen Chemie 110 Hydrophobe Regionen werden komplement r zu der Zielstruktur postuliert und finden sich in vielen publizierten Pharmakophoren wieder z B f r ACE 2 12 COX 2 54 oder Histamin H 3 Rezeptoren 111 F r den in den Ergebnissen pr sentierten COX 2 Pharmakophor existieren verschiedene Variationen in denen die aromatischen Regi
157. tigen Grundger sten liegt da beide Gruppen hnliche geometrische und topologische Auch die Donorfunktion des Stickstoffs bleibt in beiden Orientierungen erhalten was in dem hier besprochenen Fall allerdings nicht relevant ist 88 6 3 BCR ABL Tyrosinkinase Inhibitoren Eigenschaften aufweisen Die interessantere Ersetzung des Amids durch eine Harnstoff Gruppe hingegen wurde von Qsearch nicht vorgeschlagen Stattdessen findet sich an dieser Stelle h ufig ein zykli sche Hydantoin Ring der dem Harnstoff sehr hnlich ist Diese Beobachtung l sst sich auf den verwendeten Fragmentraum zur ckf hren Die Schnittregeln die eingesetzt wur den um ihn zu erstellen trennen s mtliche Harnstoffgruppen an beiden Amidbindungen auf Dadurch entsteht ein Carbonyl Fragment mit zwei Linkatomen sowie zwei weitere Fragmente die jeweils an den Stickstoffatomen einen Linker besitzen Da jedes Fragment in den BRICS Fragmentr umen nur genau einmal vorkommen darf existiert auch das Fragment das die Carbonylgruppe bereitstellt die zur Bildung einer Harnstoffgruppe be n tigt wird nur ein Mal Zyklische Harnstoffe hingegen werden nach den BRICS Regeln nicht geschnitten weswegen das Hydantoin in verschiedenen chemischen Umgebungen im Fragmentraum weitaus fter vorkommt in diesem Fall 30 Mal Die Platzierung des Carbonyl Fragments an der richtigen Stelle und die Kombination mit den korrekten Partner ist im Vergleich zur Platzierung eines komplett
158. toms zu dem Mittelpunkt eines hydrophoben Merkmals und r h seinen Radius Die Strafen fiir Atome die in hydrophoben Merkmalen liegen ergibt sich wie folgt Phydjpo M H A A H Uu heH aeM h M Hierbei werden alle Atome die nicht hydrophob sind bestraft wenn sie in hydrophoben Merkmalen liegen In der Funktion wird die sigmoide Straffunktion fa verwendet um die normierte Nahe eines Punktes zum Kugelmittelpunkt zu bestrafen d 1 el d 0 75 fo d 5 6 Suche nach kompatiblen Fragmenten beim Ersetzungsschritt Die Ersetzung eines bestehenden Fragments durch ein anderes das quivalent in Be zug auf seine Linkatome ist ist im Molekiilmodifikationsschritt eine der Operationen mit denen ein Molek l ver ndert werden kann Um diese Operation auszuf hren ist es notwendig alle Fragmente aus dem Fragmentraum zu bestimmen die diese quivalenz bieten Dabei treten drei algorithmische Fragestellung auf die in den unten stehenden Ausf hrungen erl utert werden 1 Das Auffinden der Kombination von Linktypen die ein Fragment aufweisen muss um quivalent zu einem anderen zu sein 2 Das effiziente Suchen von Fragmenten mit einem bestimmten Satz an Linktypen 3 Das Erzeugen der m glichen Verkn pfungen eines Fragments mit dem Restmolekiil Das Fragment das ersetzt werden soll wird im folgenden als f bezeichnet Der Molek l graph das durch das Entfernen von f entsteht wird als Restmolek l bezeichnet und
159. truktur mit dem neuen Ringschluss entspricht keinem der angegebenen Grundger ste und l sst sich als neuartig bezeichnen Auch die dreidimensionalen berlagerungen mit dem Molek l das dem Pharmakophor als Grundlage diente zeigen eine gute hnlichkeit Abbildung 6 2 2 In dem zweiten Experiment konnten in den L sungen ebenfalls Repr sentanten aller Grundger stklassen gefunden werden Im Vergleich zu den Ergebnissen die mit dem targetspezifischen Fragmentraum generiert wurden waren die Molek le wie erwartet un hnlicher zu den bekannten COX 2 Inhibitoren Dies ist haupts chlich auf die Dekoration 82 6 2 COX 2 Inhibitoren Abbildung 6 2 2 Vier Qsearch Ergebnismolek le gelb berlagert mit dem Pharma kophor und dem Molek l mit dem die Anfrage generiert worden ist orange Unten ist die 2D Strukturformel der jeweiligen Molek le zu sehen der Fragmente und nicht auf die Grundger ste zur ckzuf hren da die verwendeten Frag mente nicht die f r COX 2 typischen funktionellen Gruppen tragen Auff llig ist ebenfalls dass die L sungen trotz des Entdekorierungsschritts teilweise sehr polar sind und viele F nfringe enthalten M gliche Ursachen f r diese Beobachtungen werden in Abschnitt 6 1 4 besprochen Anhand dieses Beispiels l sst sich sehen wie die Verwendung eines generischen Fragmentraums die Generierung von neuen Grundger sten in diesem Fall das der cis Stilbene erm glichen kann die bei der Verwendung eines t
160. u den offenen Linkatomen des Restmolek ls Nachdem in der Fragmentersetzung ein kompatibles Fragment g ausgew hlt wurde um f zu ersetzen muss noch bestimmt werden wie die Linkatome von g mit den Linkatomen des Restmolek ls L zu verkn pfen sind Daf r werden zuerst alle m glichen Verbindungs m glichkeiten generiert und dann eine davon zuf llig ausgew hlt Die Generierung aller m glichen Verbindungsm glichkeiten wird mithilfe des Algorithmus G general permu tation generator von Knuth 95 durchgef hrt Der Algorithmus generiert f r ein Tupel alle Permutationen der einzelnen Elemente wobei sie in lexikographisch sortierter Rei henfolge aufgez hlt werden Dadurch k nnen einfach Branch and Bound Beschr nkung im Algorithmus implementiert werden vgl ebd Die konkrete Implementierung ist in Algorithmus 5 3 beschrieben Sie ordnet den offe nen Linkatomen des Restmolek ls I I la In die Linkatome k k1 k2 km des Fragments g zu Dabei wurde ein Branch and Bound Ansatz verwendet um die Laufzeit zu begrenzen 5 7 Fragmenterweiterung Eine weiteres verbreitetes Anwendungsfeld f r de novo Designmethoden ist die teilweise Modifikation von bestehenden Molek len Dies kann n tig werden um die physikoche mischen Eigenschaften eines Wirkstoffs zu verbessern oder um geistiges Eigentum zu umgehen 19 Mit einigen Modifikationen im Arbeitsablauf kann Qsearch auch f r diese 1 W hrend der Testl
161. ufe stellte sich heraus dass die typische Problemgr e vernachl ssigbar ist und die Verwendung des Branch and Bound Ansatzes keine messbaren Geschwindigkeitssteigerungen bringt Praktisch alle Fragmente in den verwendeten Fragmentr umen haben zwei oder weniger Linkatome Daher wurde dieser Ansatz trotz seiner Validit t f r einen besser wartbaren Programmcode verworfen und die C Standardfunktion next permutation verwendet 65 5 Methoden 20k e LL E E N L _ L naiv index naiv index naiv index O D D E E N 0 naiv index naiv index naiv index b Logarithmische Achsenskalierung Abbildung 5 6 1 Box Whisker Plots f r den Vergleich des naiven Algorithmus gegen die Verwendung eines Indexes in zwei verschiedenen Skalierungen Ins gesamt wurden jeweils 1000 Anfragen durchgef hrt Ein Messpunkt beschreibt die Dauer von zehn Anfragen Beim Vergleich ist zu beach ten dass sich die Gr e der Datens tze von links nach rechts jeweils verdoppelt Beide Algorithmen scheinen linear zu skalieren 66 5 7 Fragmenterweiterung Algorithmus 5 3 Bestimmung aller M glichkeiten zur Verbindung eines Fragments mit den Linkatomen k und dem Restmolek l mit den offenen Linkatomen I Die Eingabe be steht aus zwei Vektoren von Linkatomen die k beziehungsweise l repr sentieren wobei k gt l ist Der Algorithmus erzeugt Vektoren der L nge k die jeweils eine Verbin dungsm glichkeit
162. ulare Grundger ste und Grundger stwechsel 2 5 Chemische Fragmentr ume aaa aaa a eee eee 3 de novo Design 3 1 Einf hrung und berblick 3 2 Der chemische Raum 3 3 Rezeptorbasierte de novo Methoden 3 4 Ligandbasierte de novo Methoden 3 5 Neuheitswert der Methode 4 Modellierung 4 1 Fragmentraummodell 2 0 0 4 2 Interaktionsmodell 2 2 nn 4 3 Pharmakophormodell 22 2 2 rn nn nn 4 4 Molekulare Flexibilit t und Konformationen 4 5 Molekulares Volumen 0 0 0 00000000 eee eee 5 Methoden 5 1 Allgemeiner berblick ber die Methode 5 2 Modifikation von Molek len und schnelle Ablehnung 5 3 Ausrichtung an den Pharmakophor 2 2 2 2 rn nn nn 10 10 11 11 13 13 15 17 19 22 25 25 26 27 29 32 34 34 36 37 40 41 Inhaltsverzeichnis 5 4 Nachtr gliche Entdekoration von Molek len 5 5 Bewertung von Konformationen 0 2000000204 5 6 Suche nach kompatiblen Fragmenten beim Ersetzungsschritt 5 7 Fragmenterweiterung Ergebnisse und Diskussion 6 1 Analyse der verwendeten Fragmentr ume 6 2 COX 2 Inhibitoren 6 3 BCR ABL Tyrosinkinase Inhibitoren 2 22 22mm 6 4 Parametrisierung von Qsearch 6 5 Einschr nkungen der Methode 6 6 Fragmentr ume und ihre Entdekorierung Zusammenfassung und Ausblick Col Zusammenfas
163. ung 2 4 3 aufgef hrt und besteht aus einem Chinolin Doppelring mit einer Carbons ure in 3 Position und einem Carbonyl in 4 Position Das Grundger st nach Bemis und Murcko w rde diese Benzodiazepine sind eine Klasse von kompetitiven GABA Rezeptorinhibitoren die das gleiche Grund ger st teilen und je nach Dekoration angstl send muskelrelaxierend sedierend und oder hypnotisch wirken 20 2 4 Molekulare Grundgertiste und Grundgertistwechsel nn ots H C N H G Has ZC My L e er Ce AE OH cl AN ci mN i ze cl mN Q Q ea Q a Grundger st b Diazepam c Oxazepam d Flurazepam e Midazolam Abbildung 2 4 2 Verschiedene Benzodiazepine und das Grundger st a das fast alle Mitglieder der Klasse teilen Die unter f aufgef hrte Struktur hat das Grundger st als Substruktur w rde allerdings nach der Definition von Bemis und Murcko 21 nicht zu der gleichen Klasse geh ren da der Siebenring eine Bindung mit einem weiteren F nfring teilt Kess Sal Lech a Grundger st nach 21 a edie Grundge c Norfloxacin r st e oe e a d E 8 o N N N N N 4 i o COOH F COOH F COOH o d Ciprofloxacin e Lomefloxacin f Cinoxacin Abbildung 2 4 3 Verschiedene Chinolone c e und zwei Grundger ste a b Mit f ist ein Chinolon aufgef hrt das der Grundstruktur in a nicht entspricht 2 Grundlagen Information nicht korrekt widerspiegeln und stattdessen in dem in Abbildung 2 4 3 a gezeigt
164. zieht 4 Die Bewertungsfunktion kann auch dahingehend erweitert werden dass sie in ligandbasierten Szenarien eingesetzt werden kann 52 und Terme f r die Rezeptorflexibilit t mit ber cksichtigt 53 Die generelle Anwendbarkeit von SkelGen wird in einer Reihe von Publikationen be schrieben Hierbei ist eine Validierungsstudie von Stahl et al 54 herauszuheben in der die Ergebnisse von SkelGen retrospektiv mit bekannten Liganden verglichen werden In ihr wird gezeigt wie SkelGen f r eine Reihe von Zielstrukturen Estrogen Rezeptor COX 2 Stromelysin und CDK 2 eine Anzahl an bekannten Grundger sten reproduzie ren konnte und neuartige Strukturen generiert hat die von medizinischen Chemikern als relevant angesehen wurden Unter den L sungen fanden sich auch Molek le mit neu artigen Grundger sten die den Estrogen Rezeptor inhibieren was durch Experimente best tigt werden konnte J 3 4 Ligandbasierte de novo Methoden Qsearch geh rt zu der Klasse der ligandbasierten de novo Methoden Methoden dieser Klasse basieren auf dem active analog Prinzip das die biologischen Aktivit t von Mole k len auf einen Satz an Schl sselinteraktionen zur ckf hrt 56 Auf Basis dieses Prinzips wurden verschiedene Methoden entwickelt die die hnlichkeit von Molek len in Bezug auf die Schl ssel Interaktionen die sie ausbilden bewerten Dabei werden die ausge bildeten Interaktionen nicht direkt miteinander verglichen sondern nur indirekt be
165. zweite Fragment zu 20 aus polaren Schweratomen besteht Konsequenzen Eine der auff lligsten Konsequenzen f r Qsearch ist die hohe Polari t t der Molek le die als Ergebnis geliefert werden Da in den Fragmenten eine hohe Anzahl an polaren Gruppen vorhanden ist finden sich diese sofern sie nicht durch den in Abschnitt 5 4 2 beschriebenen Entdekorierungsschritt entfernt werden in den Ergebnismolek len wieder Dar ber hinaus ist die Verwendung von hydrophoben Phar makophormerkmalen mit den BRICS Fragmentr umen stark beeintr chtigt da es kaum Fragmente ohne polare Atome gibt Diskussion Die hohe Zahl an polaren Fragmenten in den BRICS R umen l sst sich einfach auf die Datens tze zur ckf hren die benutzt wurden um die Fragmente zu ge nerieren Zum einen sind die verwendeten Molek le voll optimierte Wirkstoffe so dass bereits polare Gruppen f r die Erh hung der L slichkeit eingef hrt wurden Zum anderen wurden aromatische Heterozyklen im Fragmentauswahlprozess berrepr sentiert was im n chsten Abschnitt gezeigt wird Die direkten Konsequenzen durch polare Fragmente f r Qsearch halten sich allerdings in Grenzen Sie stellen vor allen Dingen ein gro es Hindernis bei der Akzeptanz der L sungen bei den Endanwendern dar die polare Gruppen nur bei entsprechenden Phar makophormerkmalen erwarten Vielmehr ist es f r den Algorithmus eher f rderlich Frag menten mit m glichst vielen funktionellen Gruppen zu haben von
166. zwischen k und beschreiben Jeder Vektor a dieser Ausgabe besteht aus Elementen von sowie und einer Anzahl von e Eine Stelle a des Vektors zeigt an wie das Linkatom k zu verkn pfen ist Steht an der Stelle ein Element von l so repr sentiert dies eine Verkn pfung mit diesem Linkatom Steht dort ein so bleibt es unverkn pft Bei der Sortierung ist ein e kleiner als alle Werte die l annehmen kann Die Grundla ge dieses Algorithmus insbesondere das Erzeugen von Permutationen in lexikographisch aufsteigender Reihenfolge stammt von Knuth 95 function ERZEUGEKOMPATIBLEVERBINDUNGEN LinktypVektor l LinktypVektor k r a gt R ckgabewert Arbeitsvektor for i 1 k do gt Generieren des Arbeitsvektors a der L nge k if i lt I then i ErweitereUm I 7 gt Setzen der l ersten Positionen else i ErweitereUm e gt Auff llen mit e end if end for SORTIERE D a muss die lexikographisch erste Permutation sein while true do gt Hauptschleife k Jal 1 for a in Qan a do k k 1 k 1 beschreibt den Beginn des l ngsten kompatiblen Suffix if not KOMPATIBEL a l then break end if end for if k 1 then gt Alle Stellen sind kompatibel r ErweitereUm a end if if es gibt eine lexikogr gr ere Permutation die a ver ndert then a n chste lexikogr gr ere Permutation die a ver ndert else return r end if end while end function 67 5 Methoden Problemstellung verwendet w

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