Сулимов В.Б. "Суперкомпьютерная разработка лекарств"
advertisement
Суперкомпьютерная разработка лекарств Владимир Борисович Сулимов Научно-Исследовательский Вычислительный Центр МГУ 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 1 Для многих болезней известны белки-мишени, блокирование работы которых останавливает болезнь Поиск ингибиторов для активного центра нужного белка Активный Центр Белка-Мишени Ингибитор Белок 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 2 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 25.03.2009 $ 500 000 000 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 3 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 eV Связывание происходит в воде Десятки тысяч лигандов лиганды: Десятки атомов Взаимодействие белка с водой Взаимодействие лиганда с водой docking Взаимодействие Лиганда с белком 25.03.2009 WATER SOLVENT Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 4 Докинг: безусловный поиск глобального минимума энергии Оригинальная программа докинга SOL Пространство ≤ 21 измерений Взаимодействие лиганда со всеми атомами белка записывается в виде набора сеток потенциалов в кубе: 22 Х 22 Х 22 Ангстрема 1 лиганд 1 CPU: 1-10 часов 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 5 Положение молекулы лекарства-антикоагулянта (аргатробана) в активном центре тромбина Высокая точность докинга:RMSD = 1.5 Å - Экспериментальные положения атомов - Положения атомов молекулы после докинга 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 6 Вакцины • Традиционный способ создания вакцин: – Живые вакцины – Аттенюированые вакцины – Убитые вакцины • Вакцины, содержащие фрагменты возбудителя – методы генной инженерии • Синтетические вакцины – получение методами органического синтеза 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 7 Основные этапы технологии создания синтетической вакцины 1. секвенирование генома возбудителя 2. рациональный компьютерный дизайн вакцины 3. наработка вакцины 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 8 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 CD8+ T-лимфоцита (TCR). 25.03.2009 Связывание 9-аминокислотного эпитопа на поверхности белка главного комплекса гистосовместимости 1 класса (гаплотип HLA-A2) Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 9 Программа докинга ASTRA: концы олигопептида при докинге закреплены Условный поиск глобального минимума: условия типа равенств Позиционирование и оценка энергии связывания олигопептидных эпитопов, содержащих > 30 внутренних вращающихся связей Обычные программы Докинга могут позиционировать лиганды, содержащие < 15 внутренних вращающихся связей 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 10 Правильная 3х-мерная структура молекуллигандов – основа успеха поиска ингибиторов • До того, как новое соединение синтезировано, невозможно экспериментально определить его 3х-мерную структуру • Единственный способ a priori определить структуру молекулы - квантовохимический расчет с учетом электронных корреляций • Высокая точность расчета энергии молекулы ≈ 1 ккал/моль • Структура молекул правильно рассчитываются только методами квантовой механики (химии) • Вывод: конструировать лекарства надо с использованием методов квантовой механики (химии) 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 11 Применяемые инновации Отработана методика расчета энергии хелатирования, которая определяет энергию связи ингибиторов с интегразой ВИЧ 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 12 Применяемые инновации Расчет конформеров ингибиторов с помощью квантовой химии: расчет энергий конформеров – какой конформер более энергетически выгоден При выборе кандидатов для синтеза принимается во внимание большой объем точных квантово-химических расчетов высокой точности Используются программы: MOLPRO (UK) PRIRODA(НИВЦ) Не всякий нарисованный лиганд будучи синтезирован находится в нужной для хелатирования конфигурации. 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 13 Квантовая Химия – Квантовая Механика • Основной инструмент молекулярного моделирования • Один из самых ресурсоемких вычислительных инструментов – Требует много памяти – RAM – Требует много быстрой дисковой памяти – десятки гигабайт – Линейное масштабирование по числу CPU только до нескольких десятков CPU • Точность вычислений ab initio– 1 kcal/mol ≈ 0.04 эВ • Главный вызов науки о материалах, о наноматериалах, разработки лекарств – квантовая химия для молекулярных систем в сотни и тысячи атомов 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 14 Квантовая Химия • PRIRODA – создатель Дмитрий Лайков – Большинство современных методов – Оригинальный способ распараллеливания: почти линейное масштабирование до N/2, где N – число электронов – Более 400 ссылок российских и зарубежных научных публикаций – Установлена на суперкомпьютере Чебышёв • CIRIN – квантовохимическая программа, ведущий разработчик А.В.Николаев: реализация программы квантовой химии на ПЛИС (совместно с г.Таганрог) 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 15 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, Вл.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 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 16 Травмы, отравления, болезни: переливание крови Капельница промывание крови, введение различных растворов. Риск тромбоза – образования тромбов в крови 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 17 Найти новый ингибитор тромбина! – Начало работ: ноябрь 2005 – Непрерывно ≈ 20 CPU лучшего кластера НИВЦ МГУ – Распределенные вычисления: • Рождество 2006 – 12 дней: Москва-Челябинск 273 CPU 2123 лигандов по 5 мишеням • Фестиваль науки МГУ 2006 - 5 дней: Москва-Челябинск-Уфа-Дубна 1840 молекул 600 CPU • Троица 2007 – 5 дней: Томск, Cyberia 1500 молекул 2008 год Скиф-МГУ «Чебышёв, 60 TFlops 1120 CPU – Август 2008, 24000 лигандов за 4 дня на 1000 ядрах 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 18 Конвейерная разработка основы лекарства (lead compound): Дизайн ингибиторов с помощью молекулярного моделирования Синтез ингибиторов Измерения активности ингибиторов IC50 in vitro Измерение ингибирования репликации ВИЧ в культуре клеток Измерение острой токсичности LD50 на мышах 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 19 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 IC50=2 наноМоля значительно выше, чем у аргатробана IC50=125 наноМолей 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 20 Экономия затрат на разработку: – При экспериментальном поиске пришлось бы синтезировать 6000 новых соединений – кандидатов – В настоящей работе новый класс ингибиторов был открыт после синтеза 20-ого соединения! – При экспериментальном переборе всех 6000 кандидатов только на синтез 6000 новых соединений потребовалось бы минимум $6 000 000. – В настоящей разработке затраты на синтез составили около $ 20 000 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 21 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 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 22 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 25.03.2009 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 25.03.2009 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: 25.03.2009 IC50 = 125 наномолей Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 25 Алгоритм разработки Докинг молекул из баз данных доступных соединений (синтезированы, их можно купить или заказать бесплатно) 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 26 Действие лекарства Болезнь Белок Вируса Белок Человека Белок Активный Центр Белка Блокировка работы активного центра 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ Органическая молекула - ингибитор 27 Оригинальная программа докинга SOL Позиционирование лиганда в активном центре заданного белкамишени: 25.03.2009 – Поиск глобального минимума на многомерной поверхности энергии лиганд-белок – Силовое поле MMFF94 – набор потенциалов: атомы – классические частицы (молекулярная механика) – Активный центр белка в виде набора сеток различных потенциалов – жесткий белок – Учет десольватации: подсчет баланса взаимодействий: лиганда с растворителем, белка с растворителем, комплекса белок-лиганд с растворителем – Гибкий лиганд и учет его внутренних напряжений – Изменение числа вращательных степеней свободы лиганда при связывании Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 28 Рациональный дизайн вакцины Основа иммунного ответа: способность организма распознавать чужеродные белки Чужеродный белок в организме (в дендридных клетках) нарезается на олигопептиды (эпитопы) из 8-10 аминокислотных остатков Эпитопы связываются с белками Главного Комплекса Гистосовместимости – Major Histocompatibility Complex (MHC) Эпитопы, наиболее сильно связывающиеся с белками MHC – кандидаты в вакцины 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 29 Создание синтетической вакцины против рака на основе белка BORIS Есть: 1. 3D структура белка главного комплекса гистосовместимости (из рентгено-структурных данных) 2. первичная последовательность белка BORIS. Программа «Астра» позиционирует пептид (9 аминокислот) в активный центр белка MHC и оценивает скоринг-функцию (энергию связывания) пептида с белком MHC 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 30 Поиск глобального минимума энергии с условиями типа равенств Задача разбивается на две подзадачи: 1) Определение конформации основной цепи с двумя закрепленными концами путем торсионных вращений вокруг химических связей. 2) Определение конформаций боковых цепей с одним закрепленных концом путем торсионных вращений вокруг химических связей. 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 31 Clot - Тромб эритроциты тромбоциты 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 32 X TF TF-VIIa VIIa Va Xa V Prothrombinase VII Prothrombin Thrombin Fibrinogen 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ Fibrin 33 Scheme of the substrate hydrolysis by thrombin Thrombin АМС Fluorogenic substrate АМС 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ Fluorescent product (AMC) 34 Inhibitor HC-019s-IOC concentration: 0,16 0 2.5 nM 25 nM 100 inhibition, % 0,20 0,12 Hydrolysis D450 nM, optic units Присутствие ингибитора замедляетс скорость гидролиза хромогенного субстрата тромбином 0,08 0,04 80 60 IC50=130 nM 40 20 0 0 4 8 12 16 0 Time, min 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 500 1000 1500 2000 [HC-018s-IOC], nM 35 Коррекция гемодилюционной гиперкоагуляции путем введения в ПЗР низкомолекулярного ингибитора тромбина НС-025s-IOC 1 350 300 ЭТП (60'), % 250 Концентрация низкомолекулярного ингибитора тромбина в физиологическом растворе: 200 1–0 150 2 100 2 – 0.25 мкМ 3 – 0.5 мкМ 50 3 4 0 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4 – 1.0 мкМ 4.0 Степень разбавления плазмы, раз 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 36 Изменение ЭТП, в % от исходного Изменение ЭТП в плазме крыс после кровопотери и переливания им стандартного физиологического раствора или раствора с добавлением ингибитора тромбина Время после переливания: 40 2 мин 10 мин 30 мин 60 мин 30 20 10 0 -10 -20 -30 25.03.2009 NaCl NaCl + ингибитор 19s Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 37 Зачем нужно суперкомпьютерное молекулярное моделирование? • Начальная стадия разработки новых лекарств • Разработка новых материалов с заданными свойствами • Моделирование для нанотехнологий 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 38 Рост тромба 25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 39
