ИСТИНА

После окончания эпохи «блокбастеров» в разработке лекарственных препаратов, которые во многом являются результатом сбора «низко висящих плодов», наступил период, когда поиск подходящей терапевтической мишени и вывод на рынок новых препаратов является сложным, дорогостоящим и высоко рискованным процессом. В немалой степени этому способствуют существенно усилившиеся за последние десятилетия требования к безопасности, предъявляемые к выводимым на рынок препаратам. В такой ситуации стали особенно важными требования к эффективности и результативности как всей цепочки разработки, так и ее важнейшей начальной доклинической стадии — поиску соединения-хита и оптимизации его до соединения-лидера. С технической точки зрения эту задачу можно описать как поиск соединений, обладающих наиболее высокой активностью и селективностью к заданной мишени при использовании минимального количества дорогостоящей и длительной лабораторной работы (синтез, in vitro и in vivo испытания). В этих условиях практикуется «рачительное» использование химического материала для образования наиболее выгодных и селективных взаимодействий исследуемого вещества с рецептором. Такое положение вещей в сочетании с увеличившимися за последнее десятилетие вычислительными мощностями и более глубоким развитием теории приводит к тому, что все больше в разработке лекарств рационально используются так называемые внутри- и межмолекулярные «малые взаимодействия», по порядку величины энергии, как правило, уступающие водородным связям. Примерами таких взаимодействий являются пи-катионное и пи-анионное взаимодействия, галогеновое связывание, C-H водородные связи, а также более точный учет поляризуемости молекул. Сера является распространенным элементом как в эндогенных лигандах, так и в успешных лекарственных препаратах и кандидатах. В последнее время обратили внимание на то, что атом серы не только позволяет удобно получить строительные блоки лигандов с подходящим диапазоном физико-химических свойств, но и способен образовывать выгодные внутри- и межмолекулярные взаимодействия, проявляющиеся в «близких контактах» в рентгеноструктурных исследованиях. Природа таких, неучитываемых ранее, взаимодействий связана с наличием так называемой сигма-дырки (области положительного потенциала) на продолжении сигма-связей C-S. Таким образом, существует запрос на получение инструментов для надежного моделирования взаимодействий с участием атома серы на более точном уровне, чем предоставляют существующие средства молекулярной механики и молекулярного докинга, ограниченные использованием изотропных потенциалов. В работе планируется, используя начальные данные о важности электростатического вклада в анизотропные взаимодействия атома серы, исследовать возможность экономичного, но верного описания таких взаимодействий с использованием ограниченного ряда мультипольного разложения. Применение аналогичного подхода нами к тяжелым атомам галогена для описания галогенового связывания оказалось успешным. Кроме того, планируется исследовать возможность получения параметров электростатического взаимодействия без использования трудоемких квантово-химических расчетов. На завершающем этапе планируется внедрить полученные результаты в оценочную функцию AutoDock и оценить получаемые результаты на известных из литературы примерах лиганд-рецепторных взаимодействий.

1. Будет исследована адекватность и точность воспроизведения молекулярного электростатического потенциала (МЭП), рассчитанного квантово-химически, при помощи модельных описаний, использующих анизотропную электростатическую составляющую взаимодействия. Дополнительно будет исследована возможность количественного воспроизведения энергий взаимодействий модельных малых молекул, содержащих атом серы, полученных при помощи квантово-химических расчетов (DFT, MP2/aug-cc-pVTZ), при помощи исследуемых модельных описаний. Анизотропная составляющая будет использована на атоме серы. Изотропная электростатическая (атомные заряды), а также неэлектростатические (изотропные) компоненты будут взяты из известных силовых полей молекулярной механики (GAFF, MMFF, GROMACS). Этот этап призван подтвердить (или опровергнуть) правильность сделанных предположений о возможности качественного воспроизведения взаимодействий выбранным способом. Кроме того, будет получена оценка вклада анизотропной электростатической компоненты в общую картину взаимодействий. 2. Будет произведен подбор оптимальной конфигурации набора мультиполей электростатического взаимодействия. Исследование зависимости величин мультипольных моментов от вариации химического окружения атома серы. На основании результатов п.1 будет выбран минимальный набор мультиполей, обеспечивающих сочетание приемлемого качества описания анизотропии взаимодействий с переносимостью параметров и минимальной дополнительной вычислительной нагрузкой. 3. Будет предложен способ получения параметров электростатического взаимодействия без использования квантово-химических расчетов - эмпирический способ. Для минимальной конфигурации мультиполей (результат п.2), получаемых прямым подгоном при воспроизведении МЭП молекул, рассчитанного квантово-химически, будет исследована зависимость величин их значений от химического окружения. Таким образом, будет оценена возможность эмпирического получения данных параметров для произвольных органических молекул без использования квантово-химических расчетов. 4. Будет проведено внедрение модели атома серы в оценочную функцию и программный комплекс AutoDock. Произведена модификация программного кода пакета AutoDock для использования полученной ранее (п.3) анизотропной модели атома серы. 5. Будет проведена апробация предлагаемых подходов на реальных примерах взаимодействий, имеющих отношение к разработке лекарств. Модифицированный программный код AutoDock будет использован для проведения экспериментов по описанию позиции и энергии связывания для известных из литературы примеров лиганд-рецепторных взаимодействий, включающих атом серы. Для сравнения будет использована оригинальная версия AutoDock. Кроме того, могут быть исследованы примеры выгодного образования внутримолекулярных нековалентных связей с участием атома серы, ограничивающих конформационную подвижность малых молекул, с использованием полученной анизотропной модели атома серы. 6. Подготовка к печати публикации и выступлений на научных конференциях. Планируется подготовить к печати не менее одной статьи по теме проекта, а также принять участие с докладами в конференциях, посвященных молекулярному моделированию и разработке лекарств.

Научный коллектив имеет глубокий мультидисциплинарный опыт, необходимый для успешного выполнения проекта. Во-первых, имеется большой опыт теоретического описания зарядового распределения органических молекул. Разработано несколько подходов и предложен ряд методов (МГ, ОГ [1], Лаплассиан [2], ТСФЭ, ДРЭО [3]) расчета атомных зарядов. Есть опыт прикладных квантово-химических расчетов для оценки энергий взаимодействий малых молекул, а также для получения и исследования молекулярного электростатического потенциала (МЭП). МЭП явным образом использован в качестве эталонного потенциала для подбора параметров таких зарядовых методов как ТСФЭ и ДРЭО. Во-вторых, подходит к успешному завершению проект (РФФИ 14-03-00851-а) по качественному и количественному описанию галогенового связывания в силовых полях молекулярной механики, а также оценочных функциях для виртуального скринига и молекулярного докинга (AutoDock и AutoDock Vina) [4,5]. В проекте по описанию галогенового связывания оправдали себя наработки и подходы, предлагаемые для решения задач описания анизотропных электростатических взаимодействий атома серы. В-третьих, коллектив обладает более чем 20-ти летним опытом моделирования физиологических активных лигандов и лекарственных препаратов с применением методов математической химии, построения корреляций структура-свойство и структура активность (QSAR/QSPR) [6], молекулярного моделирования — от исследования конформационного пространства малых молекул [7], до проведения массированного виртуального скрининга и проведения молекулярно-динамических исследований [8,9]. Некоторые из веществ, полученных в результате исследований, экспериментально проявили заданный уровень активности и находятся на доклинических испытаниях. Таким образом, имеются все предпосылки для успешного завершения предлагаемого проекта — имеется достаточные понимание проблемы, опыт и инструменты.

В ходе выполнения проекта были рассмотрены различные мультипольные подходы для улучшения описания молекулярного электростатического потенциала (МЭП) атома серы. Для выборки серосодержащих молекул было предложено 15 различных электростатических подходов и проведено их сравнение как по качеству достигаемого описания, так и по количеству параметров и физической обоснованности. Анизотропия МЭП атома серы оказалась значительно более сложной, чем в случае с атомами галогена. Для ее описания нами были отобраны три мультипольных подхода, содержащих атомный заряд, а также: (1) несимметричный атомный квадруполь, (2) атомный диполь и симметричный квадруполь и (3) атомный диполь и несимметричный квадруполь. Предложенные модели позволяют достичь различной точности описания анизотропии МЭП атома серы при различном числе дополнительных параметров. Модели были успешно применены как для оценки межмолекулярных взаимодействий, так и для сравнения энергий конформаций серосодержащих лекарствоподобных соединений. Во всех случаях удалось достичь улучшения учета эффектов, связанных с анизотропией МЭП атома серы. В дальнейшем потребуется частичная перепараметризация силовых полей, а также более глубокое исследование анизотропных моделей.