Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 1 Суперкомпьютерная разработка лекарств – новое лекарство от тромбоза Владимир Борисович Сулимов Научно-Исследовательский Вычислительный Центр МГУ

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 2 Зачем нужно суперкомпьютерное молекулярное моделирование? Начальная стадия разработки новых лекарств Разработка новых материалов с заданными свойствами Моделирование для нанотехнологий

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 3 Действие лекарства Болезнь Блокировка работы активного центра Белок Активный Центр Белка Белок Человека Белок Вируса Органическая молекула - ингибитор

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 4 Начальный этап разработки нового лекарства Ингибитор Активный Центр Белка-Мишени Белок Поиск ингибиторов для активного центра нужного белка

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 5 Стадии разработки нового лекарства Разработка базового соединения Lead compound Доклинические испытания базового соединения на животных Клинические испытания на людях Ключевой Ключевой Самый дешевый этап лет $ Начальный этап

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 6 Одно соединение становится разрешенным лекарством 250 Кандидатов в доклинические испытания 5,000 to 100,000 соединений - перебор in vitro, in vivo in silico или Стадии разработки нового лекарства 7-15 Лет!$600-$700 M Клинические испытания - 80% проходят фазу I - 30% проходят фазу II - 80% проходят фазу III 5 кандидатов – клинические испытания Начальная стадия III открытие ключевого вещества II I

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 7 Существующие методы поиска ингибиторов ведут в тупик ! Затраты на исследования растут линейно Число новых лекарств на рынке сокращается Затраты NMEs New Molecular Entities Новые Молекулярные Объекты

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 8 WATER SOLVENT белок: тысячи атомов docking Слабые межмолекулярные взаимодействия Scoring – правильная оценка энергии связывания белок-лиганд Ключевая программа для дизайна лекарств: программа докинга SOL лиганды: Десятки атомов Нужна высокая точность:~ 1 kcal/mol ~ 0.05 eV Связывание происходит в воде Взаимодействие лиганда с водой Взаимодействие Лиганда с белком Взаимодействие белка с водой Docking – позиционирование лиганда в активном центре белка Десятки тысяч лигандов 1 лиганд 1 CPU: 1-10 часов

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 9 Оригинальная программа докинга SOL Позиционирование лиганда в активном центре заданного белка- мишени: –Генетический алгоритм поиска глобального минимума – модель эволюции –Силовое поле MMFF94 –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 10 Основная проблема докинга Типичный лиганд – ингибитор тромбина – Аргатробан Получаем задачу на нахождение глобального минимума в пространстве15+6=21 измерений! Систематический перебор невозможен.

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 11 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 точек – вычислений энергии связывания

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 12 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 -101Х101Х101 точек - длина ребра куба: 22 Ангстрем

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 13 Программа SOL-Grid

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 14 BLUE – NATIVE POSITION FROM PDB RED – DOCKED POSITION DOCKING RESULT vs. PDB POSITION (SIALIDASE B, PDB:1A4Q) RMSD:1.6Å

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 15 Положение молекулы лекарства-антикоагулянта (аргатробана) в активном центре тромбина - Экспериментальные положения атомов - Положения атомов молекулы после докинга Высокая точность докинга:RMSD = 1.5 Å

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 16 Программный комплекс для поиска новых ингибиторов разработан в НИВЦ МГУ в гг. Структура ПК KeenBASE

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 17 Схема работы ПК KeenBASE Выявление из набора лигандов молекул избирательно взаимодействующих с белком-мишенью

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 18 Вычисления ПК KeenBASE 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

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 19 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

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 20 Правильная 3х-мерная структура молекул- лигандов – 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)

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 21 Связывание 9-аминокислотного эпитопа на поверхности белка главного комплекса гистосовместимости 1 класса (гаплотип HLA-A2) Презентация эпитопа белком главного комплекса гистосовместимости (MHC) рецептору на поверхности CD8+ T-лимфоцита (TCR). 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 Применение докинга для дизайна синтетических вакцин - инновация

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 22 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, Xian, China

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 23 Травмы, отравления, болезни: переливание крови Риск тромбоза – образования тромбов в крови Капельница - промывание крови, введение различных растворов.

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 24 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

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 25 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: Аргатробан: IC 50 = 125 наномолей

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 26 Алгоритм разработки Докинг молекул из баз данных доступных соединений (синтезированы, их можно купить или заказать бесплатно)

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 27 Открыт и запатентован новый класс прямых ингибиторов тромбина – основа нового лекарства от тромбоза На разработку понадобилось около 1,5 лет THROMBIN Ингибирующая активность новых ингибиторов IC50=2 наноМоля значительно выше, чем у аргатробана IC50=125 наноМолей На рисунке показано положение 4-х новых ингибиторов в активном центре тромбина

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 28 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 $ –В настоящей разработке затраты на синтез составили около $

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 29 Применение суперкомпьютеров для разработки новых лекарств: Повышает эффективность разработки –Ускоряет стадию разработки lead compoundа –Существенно удешевляет разработку –Повышает разнообразие молекул-кандидатов в lead compoundы Создает основу для регулярной конвейерной разработки новых лекарств против различных болезней Обеспечивает лекарственную безопасность России Может привести к существенному удешевлению лекарств

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 30 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 ( ) OF INNOVATIONS Мы можем избежать многих новых бед. Надо только, чтобы разработчики лекарств поняли возможности молекулярного моделирования и использования компьютеров

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 31 Scheme of the substrate hydrolysis by thrombin АМС Thrombin Fluorogenic substrate Fluorescent product (AMC)

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 32 CROMOSOMECROMOSOME a1a1 a2a2 a3a3 a4a4 a5a5 a6a6 a7a7 a8a8 a9a9 a 10 Программа докинга SOL PHENOTYPE GENOTYPE Эволюция популяции особей Особь – положение лиганда в активном центре белка

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 33 Modified Genetic Algorithm Mating pool selection Generation N elite Direct transfer of elite MUTATIONSMUTATIONS crossover Transfer Direct transfer CROSSOVERCROSSOVER Generation NEXT в Mating Pool выбираются особи с наилучшей энергией связывания

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 34 Surface Generalized Born Formulation:

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 35 Surface Generalized Born Formulation

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 36 Self-polarization energies: rigorous PCM vs S-GB HIV integrase catalytic domain (2374 atoms). Correlation coefficient is Maximal deviation is 1.90 kcal/mol. RMS is kcal/mol.

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 37 Присутствие ингибитора замедляетс скорость гидролиза хромогенного субстрата тромбином

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 38 Коррекция гемодилюционной гиперкоагуляции путем введения в ПЗР низкомолекулярного ингибитора тромбина НС-025s-IOC Концентрация низкомолекулярного ингибитора тромбина в физиологическом растворе: 1 – 0 2 – 0.25 мкМ 3 – 0.5 мкМ 4 – 1.0 мкМ

Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 39 Изменение ЭТП в плазме крыс после кровопотери и переливания им стандартного физиологического раствора или раствора с добавлением ингибитора тромбина