Cresset应用案例第四期

基于场的虚拟筛选与生物等排体替换发现和优化新型小分子HIV-1进入抑制剂

一、文献来源

Marina Tuyishime et al. Discovery and optimization of novel small-molecule HIV-1 entry inhibitors using field-based virtual screening and bioisosteric replacement. Bioorg. Med. Chem. Lett. 24 (2014) 5439–5445.[PDF下载]

二、摘要

目前的治疗方案产生了大量耐药株和累计毒性,因此,迫切需要发展抑制HIV-1复制的新型药物。而对HIV-1进入抑制仍然是一个引人注目却尚未开发的治疗方法。本文中,作者将使用由场(field)获得的生物活性构象模板进行虚拟筛选以及进行生物等排体迭代替换,联合ADME预测,发现新型的HIV-1进入抑制剂。

三、计算步骤

1.生成场点模型

使用Forge软件中的FieldTemplater程序以BMS-626529、BMS-448043和BMS-378806(图1)的场和形状信息建立一个抑制剂与靶标结合时采取的三维构象假设,然后在这个假设上添加场点,生成一个三维场点模板(图2)。

Cresset应用案例第四期,HIV-1进入抑制剂,图1
Figure 1,用于构建三维场点模板的三个化合物的化学结构。

Cresset应用案例第四期,HIV-1进入抑制剂,图2
Figure 2,(a) 由BMS-626529、BMS-448043和BMS-378806的单个构象产生的基于场点的模板;(b) BMS-626529的构象69及其场点模式,该构象均出现在前3个模板中,因此,用作Blaze虚拟筛选的查询结构。

2.虚拟筛选

以该场点模板为查询条件,使用Blaze软件对大约6百万个化合物的商业库进行虚拟筛选,寻找场点模式与模板相似的化合物。最后从前1000个结果中挑选了50个进行购买和生物活性测试(图3)。

Cresset应用案例第四期,HIV-1进入抑制剂,图3
Figure 3,Blaze的基于场点的虚拟筛选步骤:(1)选择一个活性分子并转为相关生物活性构象;(2)添加场点;(3)Blaze以场点模式进行查询搜索,将化合物库中每个结构的每个构象与之叠合;(4)根据分子相似性(50%形状,50%场)进行打分,打分靠前的化合物及其打分将被输出。

3.生物学验证

采用单轮感染测试(single-round infection assay)测定化合物的HIV-1YU-2 Env pseudotyped HIV-1病毒抑制活性。实验结果表明,有5个化合物具有特异性抗HIV-1活性,IC50在13—150 μM之间;其中,化合物11活性最强,其抑制HIV-1YU-2的IC50值为13.1 ± 1.7 μM(表1)。

Cresset应用案例第四期,HIV-1进入抑制剂,表1
表1, 通过虚拟筛选发现的具有特异性抗HIV-1YU-2活性的化合物。

4.生物等排体替换

以化合物11为基础,进行生物等排体替换,设计出化合物SC04,生物测试表明,它的IC50 HIV-1YU-2 = 70 ± 6 μM;IC50 HIV-1JR-CSF = 100 ± 30 μM,与化合物11具有相当的抑制活性。

为提高新骨架化合物SC04的活性,对它进行生物等排替换。从PubChem中下载 453个与BMS-488043结构相似的化合物,使用Spark软件的DBGen程序进行片段化处理,然后使用Spark进行迭代替换。最终获得两类头部基团,BIF%值分别为57和64。

5.合成与生物学验证

具有这两类基团的两个化合物SC07和SC08以及SC08的衍生物通过化学合成方法得到,并通过单轮感染测试进行验证。最终获得了具有高选择性和高抑制活性的化合物SC11,其HIV-1JR-CSF IC50 = 0.0008 ± 0.0004 μM(表2)。

Cresset应用案例第四期,HIV-1进入抑制剂,表2
表2, 在化合物SC04基础上进行生物等排体换和进一步衍生化的化合物及其HIV-1抑制活性。

6.ADME预测

使用Spark进行生物等排体换,使用StarDrop 5.5中的口服非中枢神经系统(CNS)药物属性谱预测其类药性质(包括logS、logP、hERG pIC50、P450 CYP2D6分类、P450 CYP2C9 pKi值、P-糖蛋白运输分类、BBB渗透性分类及BBB渗透性预测值),最终获得化合物SC11的环己烯取代物SC26,具有良好的类药性。

7.生物学验证

为检验对完全感染病毒的抑制活性,在原代人类外周血单核细胞(primary human peripheral blood mononuclear cells,PBMCs)中测试化合物SC26对分布最为流行的四中HIV亚型(A、B、C和D)的抑制活性。结果表明,化合物SC26对各种分离株有不同程度的活性,但不影响HIV-2分离株的复制。同时,还使用MTS测试检测了SC26对PBMCs的毒性。

Cresset应用案例第四期,HIV-1进入抑制剂,表3
表3, 化合物SC26对非常普遍的HIV-1亚型和HIV-2的治疗谱。

四、结论

使用基于场点的方法进行活性构象识别、建立场点模型;建立的模型进一步用于虚拟筛选,成功找到了HIV-1的新骨架抑制剂;通过生物等排体替换及类药性预测,有效地设计出高活性、高选择性的类药化合物。本文成功地利用场点技术实现骨架跃迁和新化合物的设计。

五、亮点

1.从3个结构多样的化合物出发建立场点模型、识别活性构象;
2.利用上述的模型进一步进行基于场点的虚拟筛选发现活性化合物;
3.用SPARK进行生物等排替换,并使用BIF%值判断可进行生物等排替换的结构部位;
3.综合考虑ADME性质,实现多目标优化。

六、关键软件与技术

Cresset的FieldTemplater技术(实现自产品Forge):活性构象识别,模型建立。

Cresset的Blaze:虚拟筛选。

Cresset的Spark:生物等排替换。

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