Суперкомпьютерная разработка лекарств – новое лекарство от тромбоза Владимир Борисович Сулимов 02. 12. 2008 Научно-Исследовательский Вычислительный Центр МГУ Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 1
Зачем нужно суперкомпьютерное молекулярное моделирование? • Начальная стадия разработки новых лекарств • Разработка новых материалов с заданными свойствами • Моделирование для нанотехнологий 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 2
Действие лекарства Болезнь Белок Вируса Белок Человека Белок Активный Центр Белка Блокировка работы активного центра 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ Органическая молекула ингибитор 3
Начальный этап разработки нового лекарства Поиск ингибиторов для активного центра нужного белка Активный Центр Белка-Мишени Ингибитор Белок 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 4
Стадии разработки нового лекарства Начальный этап Ключевой Самый дешевый этап Разработка базового соединения Lead compound Доклинические испытания базового соединения на животных Клинические испытания на людях 10 -15 лет 02. 12. 2008 $ 500 000 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 5
Стадии разработки нового лекарства 7 -15 Лет! 0 $600 -$700 M или 5, 000 to 100, 000 соединений - перебор 2 4 6 in vitro, in vivo открытие ключевого вещества in silico 250 Кандидатов в доклинические испытания Начальная стадия 8 5 кандидатов – клинические испытания I 10 - 80% проходят фазу I II - 30% проходят фазу II 12 14 16 02. 12. 2008 III Клинические испытания - 80% проходят фазу III Одно соединение становится разрешенным лекарством Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 6
Существующие методы поиска ингибиторов ведут в тупик ! Затраты на исследования растут линейно Затраты NMEs New Molecular Entities Новые Молекулярные Объекты Число новых лекарств на рынке сокращается 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 7
Ключевая программа для дизайна лекарств: программа докинга SOL Docking – позиционирование лиганда в активном центре белка Scoring – правильная оценка энергии связывания белок-лиганд Слабые межмолекулярные взаимодействия белок: тысячи атомов Нужна высокая точность: ~ 1 kcal/mol ~ 0. 05 e. V Связывание происходит в воде Десятки тысяч лигандов лиганды: Десятки атомов Взаимодействие белка с водой Взаимодействие лиганда с водой docking Взаимодействие Лиганда с белком 02. 12. 2008 WATER SOLVENT 1 лиганд 1 CPU: 1 -10 часов Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 8
Оригинальная программа докинга SOL Позиционирование лиганда в активном центре заданного белкамишени: – – Силовое поле MMFF 94 – Активный центр белка в виде набора сеток различных потенциалов – жесткий белок – Учет десольватации: подсчет баланса взаимодействий: лиганда с растворителем, белка с растворителем, комплекса белок-лиганд с растворителем – Гибкий лиганд и учет его внутренних напряжений – 02. 12. 2008 Генетический алгоритм поиска глобального минимума – модель эволюции Изменение числа вращательных степеней свободы лиганда при связывании Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 9
Основная проблема докинга Типичный лиганд – ингибитор тромбина – Аргатробан Получаем задачу на нахождение глобального минимума в пространстве 15+6=21 измерений! Систематический перебор невозможен. 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 10
Докинг – задача поиска глобального минимума энергии • на многомерной поверхности >10 измерений • с большим числом локальных минимумов • Только полный перебор гарантирует нахождение глобального минимума • Для докинга это невозможно: – Пусть 15 измерений – По каждому измерению 10 точек – Всего 1015 точек – 1015 вычислений энергии связывания 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 11
Модель белка – программа SOL_Grid • Белок жесткий • Белок представлен сеткой потенциалов • Сетка потенциалов вычисляется заранее • Сетка – это набор «сеток» потенциалов для разных типов атомов и разных типов взаимодействий • Область докинга – куб размера -101 Х 101 точек - длина ребра куба: 22 Ангстрем 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 12
Программа SOL-Grid 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 13
DOCKING RESULT vs. PDB POSITION (SIALIDASE B, PDB: 1 A 4 Q RMSD: 1. 6Å BLUE – NATIVE POSITION FROM PDB RED – DOCKED POSITION 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 14
Положение молекулы лекарства-антикоагулянта (аргатробана) в активном центре тромбина Высокая точность докинга: RMSD = 1. 5 Å - Экспериментальные положения атомов - Положения атомов молекулы после докинга 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 15
Структура ПК Keen. BASE Программный комплекс для поиска новых ингибиторов разработан в НИВЦ МГУ в 2005 -2007 гг. 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 16
Схема работы ПК Keen. BASE Выявление из набора лигандов молекул избирательно взаимодействующих с белком-мишенью 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 17
Вычисления ПК Keen. BASE • Распределенные вычисления на основе технологии X-Com • Апробация докинга с распределенными вычислениями X-Com: несколько городов, до 1120 CPU, докинг одной молекулы от нескольких часов до десяти и больше часов на 1 CPU 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 18
Метакомпьютинг Подключение большого количества удаленных компьютеров через Интернет для решения одной задачи Грид-технология X-Com • Тысячи молекул • Для хорошего качества докинга надо 1 – 10 часов на 1 CPU • Концентрация вычислительных ресурсов по всему миру 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 19
Правильная 3 х-мерная структура молекул-лигандов – основа успеха поиска ингибиторов • До того, как новое соединение синтезировано, невозможно экспериментально определить его 3 х-мерную структуру • Единственный способ a priori определить структуру молекулы - квантовохимический расчет с учетом электронных корреляций • Высокая точность расчета энергии молекулы ≈ 1 ккал/моль • Структура молекул правильно рассчитываются только методами квантовой механики (химии) • Вывод: конструировать лекарства надо с использованием методов квантовой механики (химии) 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 20
Применение докинга для дизайна синтетических вакцин - инновация Предсказание связывания олигопептидных эпитопов с белками главного комплекса гистосовместимости на основе докинга – путь к рациональному компьютерному дизайну вакцин. В том числе вакцин против рака. эпитоп Презентация эпитопа белком главного комплекса гистосовместимости (MHC) рецептору на поверхности CD 8+ T-лимфоцита (TCR). Связывание 9 -аминокислотного эпитопа на поверхности белка главного комплекса гистосовместимости 1 класса (гаплотип HLA-A 2) 21
Команда разработчиков ингибиторов тромбина • Научно-Исследовательский Вычислительный Центр МГУ имени М. В. Ломоносова – молекулярные дизайнеры, применение суперкомпьютеров • Институт Органической Химии имени Н. Д. Зелинского РАН, Москва – синтез новых органических соединений • Гематологический Научный Центр РАМН, Москва – измерение ингибирующей активности новых соединений, биофизики, биохимики • В. Б. Сулимов, А. Н. Романов, О. А. Кондакова, Е. И. Синауридзе, А. А. Бутылин, И. В. Грибкова, А. С. Горбатенко, А. А. Боголюбов, И. Ю. Титов, Е. В. Полунин, Ю. В. Кузнецов, И. В. Тайдаков, В. В. Воеводин, С. И. Соболев, Ф. И. Атауллаханов Приглашенный доклад на конгрессе IDDST: International Drug Discovery Science and Technology 7 -13 ноября 2007, Xi’an, China 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 22
Травмы, отравления, болезни: переливание крови Капельница промывание крови, введение различных растворов. Риск тромбоза – образования тромбов в крови 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 23
Актуальность поиска новых ингибиторов тромбина (постановка задачи) • Тромбин – основной фермент системы свертывания крови, превращающий растворимый белок плазмы фибриноген в нерастворимый фибриновый сгусток • Чрезмерное образование тромбина приводит к тромбозам • Для предупреждения тромбозов в клинике в настоящее время используют только гепарин • Гепарин (Heparin) ускоряет действие природного ингибитора тромбина ATIII • Гепарин → ATIII → Ингибирование тромбина 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 24
• При низкой концентрации ATIII введение гепарина не подавляет активность тромбина • В некоторых важных случаях Гепарин не может быть использован (Heparin Induced Thrombocytopenia) • При недостатке ATIII единственная возможность остановить работу избыточного тромбина – добавить в систему его прямой ингибитор. • Сейчас существует только один прямой низкомолекулярный синтетический ингибитор тромбина, аргатробан – разрешен к применению в США, Японии, Германии, Франции и др. Аргатробан: 02. 12. 2008 IC 50 = 125 наномолей Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 25
Алгоритм разработки Докинг молекул из баз данных доступных соединений (синтезированы, их можно купить или заказать бесплатно) 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 26
Открыт и запатентован новый класс прямых ингибиторов тромбина – основа нового лекарства от тромбоза На рисунке показано положение 4 -х новых ингибиторов в активном центре тромбина На разработку понадобилось около 1, 5 лет THROMBIN Ингибирующая активность новых ингибиторов IC 50=2 нано. Моля значительно выше, чем у аргатробана IC 50=125 нано. Молей 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 27
Экономия затрат на разработку: – При экспериментальном поиске пришлось бы синтезировать 6000 новых соединений – кандидатов – В настоящей работе новый класс ингибиторов был открыт после синтеза 20 -ого соединения! – При экспериментальном переборе всех 6000 кандидатов только на синтез 6000 новых соединений потребовалось бы минимум $6 000. – В настоящей разработке затраты на синтез составили около $ 20 000 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 28
Применение суперкомпьютеров для разработки новых лекарств: • Повышает эффективность разработки – Ускоряет стадию разработки lead compound’а – Существенно удешевляет разработку – Повышает разнообразие молекул-кандидатов в lead compound’ы • Создает основу для регулярной конвейерной разработки новых лекарств против различных болезней • Обеспечивает лекарственную безопасность России • Может привести к существенному удешевлению лекарств 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 29
The End • …Surely every medicine is an innovation; and he that will not apply new remedies, must expect new evils… • …Каждое лекарство есть инновация; а кто не хочет применять новые средства, должен ждать новых бед… Francis Bacon (1561 -1626) OF INNOVATIONS Мы можем избежать многих новых бед. Надо только, чтобы разработчики лекарств поняли возможности молекулярного моделирования и использования компьютеров 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 30
Scheme of the substrate hydrolysis by thrombin Thrombin АМС Fluorogenic substrate АМС 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ Fluorescent product (AMC) 31
Программа докинга SOL PHENOTYPE GENOTYPE Эволюция популяции особей Особь – положение лиганда в активном центре белка a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 a 7 a 8 a 9 C R O M O S O M E a 10 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 32
Modified Genetic Algorithm selection Generation N Mating pool crossover в Mating Pool выбираются особи с наилучшей энергией связывания Transfer Generation NEXT M U T A T I O N S C R O S S O V E R Direct transfer elite 02. 12. 2008 Direct transfer of elite Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ elite 33
Surface Generalized Born Formulation: 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 34
Surface Generalized Born Formulation 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 35
Self-polarization energies: rigorous PCM vs S-GB HIV integrase catalytic domain (2374 atoms). Correlation coefficient is 0. 999707. Maximal deviation is 1. 90 kcal/mol. RMS is 0. 319 kcal/mol. 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 36
Присутствие ингибитора замедляетс скорость гидролиза хромогенного субстрата тромбином 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 37
Коррекция гемодилюционной гиперкоагуляции путем введения в ПЗР низкомолекулярного ингибитора тромбина НС-025 s-IOC Концентрация низкомолекулярного ингибитора тромбина в физиологическом растворе: 1– 0 2 – 0. 25 мк. М 3 – 0. 5 мк. М 4 – 1. 0 мк. М 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 38
Изменение ЭТП в плазме крыс после кровопотери и переливания им стандартного физиологического раствора или раствора с добавлением ингибитора тромбина 02. 12. 2008 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 39
Скачать презентацию Суперкомпьютерная разработка лекарств новое лекарство от тромбоза
a3367187c3a52d098812dcac5ef4b6cc.ppt