De Novo Prédiction de P-glycoprotéine -Médiatisée Efflux Responsabilité pour les composés Druglike

De Novo Prédiction de P-glycoprotéine -Médiatisée Efflux Responsabilité pour les composés Druglike

P-glycoprotéine (Pgp) joue un

rôle important dans la disposition in vivo d’un large éventail de cliniquement

l’impact de Pgp sur la perméabilité.

à travers la barrière hémato-encéphalique (BBB) ​​a reçu

L’efflux actif de Pgp à la BBB représente souvent un défi important

dans la découverte et le développement d’agents qui nécessitent un système nerveux central

pénétration du système (CNS) pour l’engagement de la cible.3,4

En outre, la surexpression de Pgp dans les cellules tumorales cancéreuses a été impliquée

dans le développement de la pharmacorésistance aux agents anticancéreux.5Pgp est un transporteur de promiscuité qui est

capable de reconnaître et de transporter une large gamme de produits chimiques

diverses structures.6 Une structure de cristal de rayon X

de souris Pgp, qui partage 87% d’identité de séquence avec Pgp humaine, était

récemment rapporté.1 Cette structure peut

fournir un aperçu de la compréhension du mécanisme par lequel l’homme

Fonctions de transporteur Pgp. Druglike composés ont été supposés

être recruté à la poche de liaison Pgp alors qu’ils sont soit diffusant

à travers la membrane ou à travers l’ouverture faisant face à l’intracellulaire.1 Lors de la liaison, l’état intracellulaire

de Pgp subit un changement d’état ATP-dépendant qui le rend extracellulaire

face et permet aux substrats d’être exportés dans le extracellulaire

domaine (Figure ​ (Figure11) .1Figure 1Proposée

mécanisme pour l’efflux des composés par Pgp (adapté de ref (1)). Les composés neutres étaient

supposé se lier à l’état intracellulaire. Lors de la liaison, Pgp

subit un changement d’état ATP-dépendant et libère le composé

dans l’extracellulaire … Ici, nous rapportons nos résultats, qui corrèlent

la susceptibilité d’un composé à l’efflux médié par Pgp avec le

l’énergie nécessaire pour un composé à la transition d’un lipophile à

un environnement aqueux (Figure ​ (Figure2) 2) depuis le

les résidus entourant la poche de liaison aux médicaments Pgp sont principalement hydrophobes

et aromatique. Nous avons proposé qu’un élément important contribuant

à l’efflux est la préférence d’un composé à être dans un environnement aqueux

et (heuristically) a émis l’hypothèse que l’efflux médiée par Pgp peut être liée

à la probabilité par laquelle un composé sera transféré de Pgp

En conséquence, Pgp transporte des composés druglike à l’extracellulaire

domaine quand il y a une forte préférence pour le composé à être en

un environnement aqueux. Alternativement, lorsque la préférence

être dans le domaine extracellulaire est diminué, la capacité de Pgp

transporter des composés vers le domaine extracellulaire est également diminué.

Cette nouvelle hypothèse diffère significativement des hypothèses existantes

sur la façon dont Pgp se lie ou transporte des composés druglike, qui reposent sur la reconnaissance des groupes fonctionnels polaires tels que les amides, l’hydrogène

donneurs d’obligations, ou accepteurs; nous avons spéculé que ces mesures peuvent être

considéré comme des substituts pour l’hydrophilie des composés. Cependant, courant

l’hypothèse n’invalide aucune des hypothèses publiées dans la littérature.

Parce que l’état extrapellulaire de Pgp est inconnu, nous avons proposé

que les affinités relatives pour les composés à être dans la liaison Pgp

poche (c’est-à-dire environnement hydrophobe) ou dans le domaine extracellulaire

(c’est-à-dire, environnement aqueux) peut être approché avec solvatation

les énergies libres calculées dans le chloroforme (GCHCl3) et l’eau (GH2O), respectivement (voir les procédures expérimentales pour les détails). Nous avons calculé GCHCl3 et GH2O pour neutre

espèce. Dans les cas où les composés contiennent des groupes fonctionnels ionisables,

comme les amines basiques ou les acides carboxyliques, nous avons utilisé des valeurs de pKa calculées pour estimer la différence d’énergie libre

entre les formes neutres et ionisées dans un environnement aqueux et corrigé

les valeurs GH2O avec l’énergie

différence obtenue avec l’expression Δ G =

− 1,4 (pH – pKa). Cette approximation

nous a permis de tester l’hypothèse décrite dans la figure ​ Figure11 en utilisant GCHCl3, GH2O et pKa valeurs calculées pour les composés druglike.Figure 2Relationship observé

entre ER net (échelle logarithmique) et énergie libre de solvatation calculée

différence, Δ GH2O – CHCl3. La ligne pointillée est l’ajustement obtenu pour les données avec

eq 1. Vert, composés avec net ER < 2; rouge,

composés avec … Différences d’énergie sans pollution entre l’eau

et le chloroforme (Δ GH2O – CHCl3) ont été calculés pour un ensemble diversifié de 282 composés et

ont été tracés en fonction du logarithme du ratio net d’efflux (ER) (Log [net

ER]) dans la figure ​ Figure22 (voir les procédures expérimentales pour plus de détails). ER net a été calculé

en divisant le ER obtenu dans Pgp surexprimant des lignées cellulaires avec

le ER obtenu dans les lignées cellulaires parentales. Il y avait une relation sigmoïdale

entre Log [net ER] et Δ GH2O – CHCl3, et cette relation peut être décrite

avec eq 1, où a = − 1,17, b = 0,78, c = & x02212; 13,90 et d = 1,22 (voir les informations de support pour la relation observée entre Log [ER] et Δ GH2O – CHC13). L’erreur R2 et la moyenne quadratique obtenues à partir de

un ajustement pour l’entraînement (test) a été de 0,65 (0,64) et de 0,28 (0,29), respectivement.

Réduit χ 2 pour cet ajustement pour tous les composés

était de 0,9.8 Il y avait 134 et 148 composés

dans les ensembles d’entraînement et de test, respectivement. Dans cette intrigue, un grand

négatif Δ GH2O – CHCl3 suggère une forte préférence pour les composés à être

dans un environnement aqueux, alors qu’un petit CHCl3 négatif suggère un plus faible

préférence pour de tels médias. La relation observée sur la figure 22 nous a permis de classer les composés en trois catégories:

(i) les composés susceptibles d’être des substrats de la Pgp et prédits

être des substrats de Pgp avec une confiance élevée, Δ GH2O – CHCl3 < 16 kcal / mol

(51 composés); (ii) les composés qui ne sont probablement pas des substrats de Pgp

et prédites ne pas être des substrats de Pgp avec une confiance élevée, Δ GH2O – CHCl3 >

− 12 kcal / mol (75 composés); et (iii) les prédictions faites avec

faible confiance, − 12 < Δ GH2O – CHCl3 < 16 (156 composés).

La forte relation observée entre Log [net ER] et Δ GH2O – CHCl3 autour

− 14 kcal / mol a limité notre capacité à faire des prédictions précises

dans cette gamme; la méthode nous a permis de prédire avec précision l’efflux

responsabilité pour 45% des composés. Il convient de noter que les composés

inclus dans cette analyse a porté sur un large éventail de RE et de perméabilité

valeurs. Alors qu’une forte corrélation entre Δ GH2O – CHCl3 et Pgp-médiation

un efflux a été observé, aucune corrélation de ce type n’a été observée entre CH2O3 et la perméabilité,

suggérant que la relation observée est unique (voir les informations de support pour plus de détails). 1 L’équation 1 était la suivante

utilisé pour prédire l’ER nette pour 12 médicaments cliniquement pertinents (Tableau 1) .9 − 12 Le but de cet exercice n’était pas de prédire la RE absolue mais

tester la capacité de la méthode à distinguer les composés à forte efflux

de ceux qui ne devraient pas succomber à l’efflux médié par Pgp.13 Comme le montre le tableau 1, la loratadine,

la tacrine et le midazolam, les médicaments qui ne sont pas des sous-produits de la Pgp

prédites avoir des ER faibles (≤ 1.2). En revanche, les composés qui

ont été signalés être des substrats pour Pgp ont été prédites avoir plus

ER (1,9 – 16,7) .Tableau 1 REsurfaits mesurés et mesurés pour 12

Molécules de médicamentsPrédictions pour le labétalol, le midazolam et le zolmitriptan

sont illustrés sur la figure ​ GCHCl3 et GH2O calculés pour le labétalol sont − 6.91 et − 20.83

kcal / mol, respectivement; ceci correspond à Δ GH2O – CHCl3 de − 13.92

kcal / mol. Labetalol a un groupe amine basique, et l’ACD prédit

pKa pour ce groupe amine est de 9,3. Parce que GH2O calculé pour le médicament neutre

sous-estime la polarité du labétalol dans l’eau, une correction basée sur le pKa a été appliquée pour tenir compte

différence d’énergie entre les formes ionisées et neturales; nous avons obtenu

une énergie sans solvatation corrigée par pKa

différence de − 13.92 + − 1.4 × (9.3 et # x02013; 7.4)

= − 16,58 kcal / mol. Brancher − 16.58 pour Δ GH2O – CHCl3 dans

eq 1 a donné un ER prédit (ERpred)

de 12,5. GCHCl3 et GH2O calculés pour le midazolam sont − 6.91

et − 20,83 kcal / mol, respectivement, et a donné un Δ GH2O – CHCl3 de − 6,98

kcal / mol et un ERpred de 1,2. La méthode surestimée

l’ER a été mesuré pour le zolmitriptan; nous avons observé que conformationnellement

molécules flexibles avec une polarité répartie étaient parfois prédites

incorrectement. L’utilisation d’ensembles conformationnels dans les calculs peut

soulager ce problème.Figure 3 ERs mesurées et mesurées pour le labétalol,

midazolam, et le zolmitriptan. Les ER mesurés en interne pour le labétalol

est de 12, et les valeurs rapportées par la littérature vont de 2,9 à 6,0. Une quantité importante de travail a été dirigée

vers la compréhension des propriétés physico-chimiques ou des attributs moléculaires

qui sont associés à l’efflux médié par Pgp de composés druglike.

Plusieurs propriétés physicochimiques ont été rapportées pour corréler

avec reconnaissance Pgp, y compris cLog P, topologique

surface polaire (TPSA), et le nombre de donneurs de liaison hydrogène

(HBD) et accepteurs (HBA) .14,15 Données Net ER pour les composés

qui sont des substrats probables de Pgp (tels que définis par ER ≥ 2) et

les substrats non-Pgp (tels que définis par net ER < 2) ont été tracés

cLog P, TPSA, HBD et HBA pour le même ensemble de 282

Composés d’Amgen (Figure ​ (Figure4) .4). Histogrammes donnés

dans la figure ​ la figure4A4A corrobore les observations rapportées

dans la littérature14,15 et peut fournir des lignes directrices empiriques

pour aider à minimiser l’efflux médié par Pgp. Par exemple, les attributs suivants

sont couramment utilisés pour aider à concevoir des composés à faible efflux: l’inclusion

de < 2 HBD, TPSA de < 70 Å 2, et cLog P de > 3. Bien que ces lignes directrices puissent être utiles dans

processus de conception de médicaments, il est bien connu que les composés avec le même

propriétés physicochimiques peuvent avoir des niveaux sensiblement différents

de l’efflux médié par Pgp. En outre, ces relations ne parviennent pas à donner

des directives claires aux chimistes médicinaux en raison des chevauchements considérables

entre les composés avec net ER ≥ 2 et net ER < 2 à travers

chacune des propriétés mentionnées précédemment (Figure ​ (Figure4) .4). De plus, les éléments de reconnaissance requis pour interagir

avec certaines cibles protéiques ne correspondent souvent pas à ceux qui corrèlent

avec un faible efflux, nécessitant la nécessité d’une approche plus raffinée.

En plus des relations observées entre les descripteurs moléculaires

et ER, de nombreux modèles in silico ont été développés pour prédire

La plupart de ces modèles reposent sur des ensembles de données existants pour prédire les urgences.

de nouveaux composés en fonction de leur similitude avec les composés existants avec

Les données. Alors que de tels modèles sont très utiles dans les projets en fin de

interpolations sont en cours, le pouvoir prédictif de ces modèles

devient discutable lorsque de nouveaux espaces chimiques sont explorés et

il y a peu ou pas de données existantes pour “ former ” celles-ci

des modèles. Récemment, les ER de divers composés ont été prédits par

en utilisant une méthode d’amarrage flexible qui utilise le revêtement intracellulaire

état de la protéine Pgp de la souris.

une corrélation entre le score d’amarrage et le logarithme des RE a été observée,

la pertinence entre le score de liaison obtenu avec la face intracellulaire

L’état et le transport actif par Pgp restent à explorer.

observé entre les mesures de Net ER et de cLog P, HBD,

TPSA et HBA. Vert, composés avec net ER < 2; rouge, composés

avec net ER ≥ 2. Les lignes pointillées dans le panneau A correspondent aux observations

En plus des lignes directrices mentionnées ci-dessus,

plusieurs stratégies ont également été utilisées pour aider à moduler Pgp-médiation

efflux tout en maintenant l’activité biologique. Par exemple, dans les cas

où un DBC est nécessaire pour maintenir les interactions clés avec le biologique

cible d’intérêt, il a été constaté que l’inclusion de la stratégie

HBA placés ou en vrac stérique peuvent servir à masquer le HBD et en faisant

atténuer ainsi la responsabilité de l’efflux médiée par la Pgp24. Bien que de telles modifications soient faites dans le but de masquer la polarité,

les TPSA obtenus pour les deux analogues peuvent rester les mêmes et fournir

une déconnexion entre ce qui est observé expérimentalement et le probabiliste

les relations déduites de tracés tels que ceux montrés dans la Figure ​ Figure4A.4A. Le tableau 2 illustre davantage

ce point avec plusieurs paires de fragments moléculaires. Chacun de ces

paires a les mêmes valeurs TPSA mais peuvent être différenciées par leur

énergies libres de solvatation calculées. La pyridone (1) / 6-méthylpyridone

(2) paire représente un cas dans lequel la polarité de la

fragment est destiné à être manipulé avec un volume stérique. La 1,3,5-triazine

(3) / 1,2,3-triazine (4) représente un

cas où la polarité est répartie différemment à travers les fragments.

Le composé 4 peut être perçu comme plus polaire en raison de

proximité des hétéroatomes. Enfin, le N-méthylpicolinamide

(5) / N-méthylisonicotinamide (6) représentent une paire de composés dans lesquels le HBD a le potentiel

être masqué par un accepteur de liaison hydrogène dans 5 mais pas

dans 6.Table 2Fragments qui mettent en évidence la différence

entre la TPSA et les énergies sans SolvingLa paire de pyrazine (7) / pyrimidine (8) est un autre exemple qui montre que la distribution de la polarité

peut avoir un impact sur Δ GH2O ou Δ GH2O – CHCl3. Une analyse de nos données internes25 a fourni 35 paires de composés qui contiennent des paires moléculaires de 7/8 appariées avec ER mesuré. Sur ces 35 paires,

26 analogues de la pyrimidine ont des ER plus élevés que leur pyrazine appariée

analogues, trois paires ont les mêmes ER nets, et cinq analogues de pyrazine

avoir des RE nets plus élevés (ER8 net et # x0003c; 7). Cependant, quatre de ces cinq paires avec ER8 &#x0003c net 7 avaient des ER nets inférieurs à 2 et étaient

considérés comme n’étant pas des substrats d’efflux lire plus. Nous avons également observé que

les analogues de la pyrimidine, en moyenne, avaient deux fois plus d’ER nets (voir l’information à l’appui pour plus de détails).

résumé, nous avons montré que Δ GH2O – CHCl3 peut être utilisé comme un descripteur de novo

pour prédire la responsabilité probable d’efflux médiée par Pgp pour une diversité

ensemble de molécules druglike et soutient l’hypothèse décrite dans

ce travail. La méthode décrite ici peut être utilisée pour classer la cible de l’ordre

composés ou faire des prédictions quantitatives lors de l’ajustement des données ER

à Δ GH2O – CHCl3. Par conséquent, nous croyons que c’est une méthode utile pour prédire

la responsabilité d’efflux pour les composés druglike quand il y a peu ou pas

données disponibles pour guider les efforts de chimie médicinale avec in silico

modèles qui s’appuient sur des ensembles d’entraînement. Le mécanisme par lequel Pgp reconnaît

ou lie des molécules druglike est au-delà de la portée de ce travail, et

la corrélation observée entre ER net et Δ GH2O – CHCl3 n’était pas destinée à

résoudre ce problème.