Суперкомпьютерная разработка лекарств
DESCRIPTION
В ладимир Б орисович Сулимов Н аучно-Исследовательский Вычислительный Ц ентр МГУ. Суперкомпьютерная разработка лекарств. Поиск ингибиторов для активного центра нужного белка. Для многих болезней известны белки-мишени, блокирование работы которых останавливает болезнь. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 1
Суперкомпьютерная разработка лекарствСуперкомпьютерная разработка лекарств
Владимир Борисович Сулимов Научно-Исследовательский Вычислительный
Центр МГУ
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 2
Для многих болезней известны белки-мишени, блокирование Для многих болезней известны белки-мишени, блокирование работы которых останавливает болезнь работы которых останавливает болезнь
Ингибитор
Активный Центр Белка-Мишени
Белок
Поиск ингибиторов для активного центра нужного белка
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 3
Стадии разработки Стадии разработки нового лекарстванового лекарства
Разработка базового соединенияLead compound
Доклинические испытания базового соединения на животных
Клинические испытания на людях
Ключевой Ключевой Самый дешевый этап
10-15 лет $ 500 000 000
Начальный этап
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 4
WATER SOLVENT
белок: тысячи атомов
docking
Слабые межмолекулярныевзаимодействия
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
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 5
Докинг: безусловный поиск глобального минимума Докинг: безусловный поиск глобального минимума энергииэнергии
Оригинальная программа докинга Оригинальная программа докинга SOLSOL
Взаимодействие лиганда со всеми атомами белка записывается в виденабора сеток потенциалов в кубе:22 Х 22 Х 22 Ангстрема
1 лиганд 1 CPU: 1-10 часов
Пространство ≤ 21 измерений
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 6
Положение молекулы лекарства-антикоагулянта (аргатробана) в активном центре тромбина
- Экспериментальные положения атомов
- Положения атомов молекулы после докинга
Высокая точность докинга:RMSD = 1.5 Å
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 7
ВакциныВакцины
• 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 8
Основные этапы технологии создания Основные этапы технологии создания синтетической вакцинысинтетической вакцины
1. секвенирование генома возбудителя
2. рациональный компьютерный дизайн вакцины
3. наработка вакцины
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 9
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
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 10
Программа докинга Программа докинга ASTRAASTRA: концы : концы олигопептида при докинге закрепленыолигопептида при докинге закреплены
Позиционирование и оценка энергии связыванияолигопептидных эпитопов,содержащих > 30 внутренних вращающихся связей
Обычные программы Докинга могут позиционировать лиганды,содержащие < 15 внутренних вращающихся связей
Условный поиск глобального минимума: условия типа равенств
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 11
Правильная 3х-мерная структура молекул-Правильная 3х-мерная структура молекул-лигандов – основа успеха поиска ингибиторовлигандов – 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 12
Применяемые инновацииПрименяемые инновации
Отработана методика расчета энергии хелатирования, которая определяет энергию связи ингибиторов с интегразой ВИЧ
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 13
Применяемые инновацииПрименяемые инновации
Расчет конформеров ингибиторов с помощью квантовой химии: расчет энергий конформеров – какой конформер более энергетически выгоден
Не всякий нарисованный лиганд будучи синтезирован находится в нужной для хелатирования конфигурации.
При выборе кандидатов для синтеза принимается во внимание большой объем точных квантово-химических расчетов высокой точности
Используются программы:MOLPRO (UK)PRIRODA(НИВЦ)
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 14
Квантовая Химия – Квантовая МеханикаКвантовая 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 15
Квантовая ХимияКвантовая 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 16
Команда разработчиков ингибиторов тромбинаКоманда 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 17
Травмы, отравления, болезни: Травмы, отравления, болезни: переливание кровипереливание крови
Риск тромбоза – образования
тромбов в крови
Капельница - промывание
крови, введение различных растворов.
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 18
Найти новый ингибиторНайти новый ингибитор тромбина!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 18401840 молекул 600
CPU
• Троица 2007 – 5 дней: Томск, Cyberia
1500 молекул 1120 CPU
2008 2008 год Скиф-МГУ «Чебышёв, 60 год Скиф-МГУ «Чебышёв, 60 TFlopsTFlops
– Август 2008, Август 2008, 24000 лигандов за 4 дня на 1000 ядрах24000 лигандов за 4 дня на 1000 ядрах
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 19
КонвейернаяКонвейерная разработка разработка основы лекарства основы лекарства (lead compound)(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 20
Открыт и запатентован новый класс прямых Открыт и запатентован новый класс прямых ингибиторов тромбина – основа нового лекарства ингибиторов тромбина – основа нового лекарства
от тромбозаот тромбоза
На разработку понадобилось около 1,5 лет THROMBINTHROMBIN
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
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 21
Экономия затрат на разработку: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 22
Применение суперкомпьютеров для Применение суперкомпьютеров для разработки новых лекарств: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 23
The EndThe 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 24
Актуальность поиска новых ингибиторов Актуальность поиска новых ингибиторов тромбина (постановка задачи)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 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: IC50 = 125 наномолей
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 26
Алгоритм разработкиАлгоритм разработки
Докинг молекул из баз данных доступных соединений (синтезированы, их можно купить или
заказать бесплатно)
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 27
Действие лекарства Действие лекарства
Болезнь
Блокировка работы
активного центра
Белок
Активный Центр Белка
Белок Человека Белок Вируса
Органическая
молекула -
ингибитор
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 28
Оригинальная программа докинга Оригинальная программа докинга SOLSOL
Позиционирование лиганда в активном центре заданного белка-мишени:
– 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
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 29
Рациональный дизайн вакциныРациональный дизайн вакциныОснова иммунного ответа: способность организма распознавать чужеродныебелки
Чужеродный белок в организме(в дендридных клетках) нарезается на олигопептидынарезается на олигопептиды(эпитопы)(эпитопы)из 8-10 аминокислотных остатковиз 8-10 аминокислотных остатков
Эпитопы связываются с белкамиГлавного Комплекса Гистосовместимости – Major Histocompatibility Complex (MHC)
Эпитопы, наиболее сильно связывающиеся с белками MHC – кандидаты в вакцины
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 30
Программа «Астра» позиционирует пептид (9 аминокислот) в активный центр белка MHC иоценивает скоринг-функцию (энергию связывания) пептида сбелком MHC
Создание синтетической вакцины против рака на основе белка BORIS
Есть:Есть: 1. 3D структура белка
главного комплекса гистосовместимости (из рентгено-структурных данных)
2. первичная последовательность белка BORIS.
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 31
Поиск глобального минимума энергии с условиями типа равенствПоиск 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 конформацийбоковых цепей с одним закрепленных концом путем торсионных вращений вокруг химических связей.
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 32
ClotClot - Тромб - Тромб
тромбоциты
эритроциты
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 33
X
Xa
VII
Fibrinogen Fibrin
Prothrombin Thrombin
Prothrombinase
Va V
TF-VIIa
TF
VIIa
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 34
Scheme of the substrate hydrolysis by Scheme of the substrate hydrolysis by thrombinthrombin
АМС
АМС
Thrombin
Fluorogenic substrate
Fluorescent product (AMC)
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 35
0 4 8 12 16
0,04
0,08
0,12
0,16
0,20
D450 n
M, o
pti
c u
nit
s
Time, min
Inhibitor HC-019s-IOCconcentration:
0 2.5 nM 25 nM
0 4 8 12 16
0,04
0,08
0,12
0,16
0,20
D450 n
M, o
pti
c u
nit
s
Time, min
Inhibitor HC-019s-IOCconcentration:
0 2.5 nM 25 nM
Присутствие ингибитора замедляетс Присутствие ингибитора замедляетс скорость гидролиза хромогенного скорость гидролиза хромогенного
субстрата тромбиномсубстрата тромбином
0 500 1000 1500 20000
20
40
60
80
100
IC50
=130 nM
Hyd
roly
sis
in
hib
itio
n,
%[HC-018s-IOC], nM
0 500 1000 1500 20000
20
40
60
80
100
IC50
=130 nM
Hyd
roly
sis
in
hib
itio
n,
%[HC-018s-IOC], nM
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 36
Коррекция гемодилюционной гиперкоагуляции путем Коррекция гемодилюционной гиперкоагуляции путем введения в ПЗР низкомолекулярного ингибитора введения в ПЗР низкомолекулярного ингибитора
тромбина НС-025тромбина НС-025s-IOCs-IOC
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.00
50
100
150
200
250
300
3501
2
34
ЭТ
П (
60')
, %
Степень разбавления плазмы, раз
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.00
50
100
150
200
250
300
3501
2
34
ЭТ
П (
60')
, %
Степень разбавления плазмы, раз
Концентрация низкомолекулярного ингибитора тромбина в физиологическом растворе:
1 – 0
2 – 0.25 мкМ
3 – 0.5 мкМ
4 – 1.0 мкМ
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 37
Изменение ЭТП в плазме крыс после кровопотери и Изменение ЭТП в плазме крыс после кровопотери и переливания им стандартного физиологического переливания им стандартного физиологического раствора или раствора с добавлением ингибитора раствора или раствора с добавлением ингибитора
тромбинатромбина
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
NaCl NaCl + ингибитор 19s
Изм
енен
ие
ЭТ
П,
в %
от
исх
од
но
гоВремя послепереливания:
2 мин 10 мин 30 мин 60 мин
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
NaCl NaCl + ингибитор 19s
Изм
енен
ие
ЭТ
П,
в %
от
исх
од
но
гоВремя послепереливания:
2 мин 10 мин 30 мин 60 мин
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 38
Зачем нужно суперкомпьютерное Зачем нужно суперкомпьютерное молекулярное моделирование?молекулярное моделирование?
• Начальная стадия разработки новых лекарств
• Разработка новых материалов с заданными свойствами
• Моделирование для нанотехнологий
25.03.2009 Владимир Борисович Сулимов, НИВЦ МГУ 39
Рост тромба