Development of a pseudoreceptor model for virtual screening

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Eignung von Pseudorezeptoren im virtuellen Screening untersucht. Hierzu wurde nach intensiver Auseinandersetzung mit bisher bekannten Konzepten ein neues Computerprogramm zur automatischen Konstruktion von Pseudorezeptormodellen entwickelt. Das Ziel von Pseudorezeptoren ist die Konstruktion eines alternativen, artifiziellen Wirtssystems aus bekannten Liganden eines Zielproteins, dessen dreidimensionale Struktur unbekannt ist. Der generierte Pseudorezeptor ist zu verstehen als die Menge aller Pseudoatome, die um die Ausgangssubstanz(en) projiziert werden. Bei multiplen Referenzliganden wird eine Gewichtung der Pseudoatome durchgeführt. Zudem wird ausschließlich von Distanz- und Winkelparametern Gebrauch gemacht, die aus Untersuchungen von Kokristall-strukturen gewonnenen wurden. Eine abschließende Kodierung generierter Pseudorezeptoren als 90-dimensionalen Korrelationsvektor wurde zum virtuellen Screening eingesetzt. In zwei retrospektiven Fallbeispielen wird gezeigt, dass die generierten Pseudorezeptoren für COX-2 und PPARα mit den realen Zuständen ihrer kokristallisierten Bindetaschen in den PDB Einträge 6cox und 2p54 kompatibel sind. Im retrospektiven virtuellen Screening in der Wirkstoffdatenbank COBRA (8.311 Moleküle) nach COX-2 Inhibitoren (136 Aktive) konnte eine Anreicherung der aktiven Strukturen in den ersten zwei Perzentilen gezeigt werden (54% der Aktiven). Zudem konnten 80% der aktiven Moleküle bereits nach Vorhersage von 10% Falsch-Positiven gefunden werden. Im Falle des retrospektiven Screenings nach 94 PPAR Liganden konnten 30% der aktiven Moleküle nach der Vorhersage von 10% Falsch-Positiven entdeckt. Nach 20% Falsch-Positiver wurden 46% der PPAR Liganden wieder gefunden. Weiterhin konnte mit den ligandenbasierten Informationen eines H4 Pseudorezeptors eine Justierung einer potentiellen Bindetasche des Histamin H4 Rezeptors aus einer molekularen Dynamiksimulation vorgenommen werden. Schließlich wurde in einem prospektiven virtuellen Screening nach Histamin H4 Liganden mit einem Pseudorezeptor zwei Strukturen mit unterschiedlichem Grundgerüst und einem Ki ~ 30 µM identifiziert.In this thesis, the suitability of pseudoreceptors for virtual screening applications was analyzed. An automated pseudoreceptor construction program was developed after known design principles had been thoroughly studied and compared. The aim of pseudoreceptor modelling is the construction of an alternative host system for known ligands of a given target protein in the absence of three-dimensional structure information. The constructed pseudoreceptor is represented as the sum of all pseudoatoms, which are projected around reference ligand(s). A weighting scheme is introduced, when pseudoreceptors are generated from multiple reference ligands. For pseudoatom placing distance and angle parameters from a survey of known co-crystal structures were used. For virtual screening pseudoreceptors were encoded as correlation vectors. It is demonstrated that the generated pseudoreceptors match with their respective co- crystallized binding pockets, taking COX-2 and PPAR-alpha as an example (PDB entries 6cox and 2p54). In a retrospective virtual screening in the drug collection COBRA (8,311 molecules) for COX-2 inhibitors (136 actives) high enrichment of ligands in the first two percentiles was yielded (54% of the actives). 80% of all active compounds were found after the prediction of only 10% false-positives. In a retrospective screening study for 94 PPAR ligands, 30% of the actives were found together with 10% false-positives. After the prediction of 20% false-positives, 46% of all PPAR ligands could be found. In addition, a putative binding pocket of the histamine H4 receptor from a molecular dynamics simulation could be adjusted using ligand-based information of a H4 pseudoreceptor. Finally, two micromolar ligands with different scaffolds were identified with a Ki ~ 30 µM by a pseudoreceptor-based prospective virtual screening for novel H4 ligands

MIA-QSAR modeling of inhibitors actylcholinesterase

Orientador: Roberto Rittner NetoDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Ciências MédicasResumo: O presente trabalho trata de um estudo sobre compostos que se comportam como inibidores da acetilcolinesterase, uma importante enzima do processo de cognição. A acetilcolinesterase atua na hidrólise da acetilcolina, responsável pela comunicação entre os neurônios. Uma das modalidades para o design racional de fármacos é a estimativa de propriedades biológicas de novas moléculas utilizando métodos computacionais. Análise quantitativa entre estrutura química e atividade biológica (QSAR) é uma dessas técnicas. No presente trabalho, análise multivariada de imagens aplicada em QSAR (MIA-QSAR) foi utilizada para se construírem modelos QSAR preditivos para uma série congênere de carbamatos com atividade anticolinesterásica. Os bons resultados estatísticos da modelagem credenciaram o modelo MIA-QSAR construído a predizer a atividade biológica de alguns novos derivados, potencialmente úteis para o tratamento do Mal de AlzheimerAbstract: The present work describes the study of some compounds which act as acetylcholinesterase inhibitors a very important enzyme in the cognitive process. zAcetylcholinesterase is responsible by the hydrolysis of acetylcholine, which accounts for the communication among the neurons. One of the approaches for the rational pharmaceuticals design is the estimation of the biological properties of new molecules using computational methods. The quantitative analysis between chemical structure and biological activity (QSAR) is one of these techniques. In the present work, the multivariate analysis of images applied in QSAR (MIA-QSAR) was employed for building predictable QSAR models for a congenial series of carbamates which exhibit anticholinesterase activity. The significant statistical results from this treatment enabled the MIA-QSAR model thus obtained to reliably predict the biological activity of some new derivatives, as potentially useful for the Alzheimer Disease treatmentMestradoCiencias BiomedicasMestra em Ciências Médica

Identification of structure activity relationships in primary screening data of high-throughput screening assays

The aim of the thesis was to identify structure activity relationships (SAR) in the primary screening data of high-throughput screening (HTS) assays. The strategy was to perform a hierarchical clustering of the molecules, assign the primary screening data to the created clusters and derive models from the clusters. The models should serve to identify singletons, clusters enriched with actives, not confirmed hits and false-negatives. Two hierarchical clustering algorithms, NIPALSTREE and hierarchical k-means have been developed and adapted for this purpose, respectively. A graphical user interface (GUI) has been implemented to extract SAR from the clustering results. Retrospective and prospective applications of the clustering approach were performed. SAR models were created by combining the clustering results with different chemoinformatic methods. NIPALSTREE projects a data set onto one dimension using principle component analysis. The data set is sorted according to the scoring vector and split at the median position into two subsets. The algorithm is applied recursively onto the subsets. The hierarchical k-means recursively separates a data set into two clusters using the k-means algorithm. Both algorithms are capable of clustering large data sets with more than a million data points. They were validated and compared to each other on the basis of different structural classes. NIPALSTREE provided with the loading vectors first insights into SAR whereas the hierarchical k-means yielded superior results. A GUI was developed allowing the display of and the navigation in the clustering results. Functionalities were integrated to analyse the clusters in the dendrogram, molecules in a cluster, and physicochemical properties of a molecule. Measures were developed to identify clusters enriched with actives, to characterize singletons and to analyse selectivity and specificity. Different protease inhibitors of the COBRA database were examined using the hierarchical k-means algorithm. Supported by similarity searches and nearest neighbour analyses thrombin inhibitor singletons were quickly isolated and displayed in the dendrogram. By scaling enrichment factors to the logarithm of the dendrogram level, clusters enriched with different structural classes of factor Xa inhibitors were simultaneously identified. The observed co-clustering of other protease inhibitors provided a deeper insight into selectivity and specificity and shows the utility of the approach for constructing focussed screening libraries. Specificity was analyzed by extracting and clustering relative frequencies of the protease inhibitors from the clusters of dendrogram level 7. A unique ligand based point of view on the pocketome of the protease enzymes was obtained. To identify not confirmed hits and false-negatives in the primary screening data of HTS assays, three assays were retrospectively analysed with the hierarchical k-means algorithm. A rule catalogue was developed judging hits in terminal clusters based on the cluster size, the percent control values of the entries in a cluster, the overall hit rate, the hit rate in the cluster and the environment of a cluster in the dendrogram. It resulted in the identification of a high proportion of not confirmed hits and provided for each hit a rating in context of related non-hits. This allows prioritizing compounds for follow-up studies. Non-hits and hits were retrieved from terminal clusters containing hits. Molecules bearing false-negative scaffolds were co-extracted and enriched. To minimize the number of false-positives in the extracted lists, Bayesian regularized artificial neutral network classification models were trained with the data. Applying the models marked improvement of enrichment factors for the false-negatives was obtained. It proofs the scaffold-hopping potential of the approach. NIPALSTREE, the hierarchical k-means algorithm and self-organising maps were prospectively applied to identify novel lead candidates for dopamine D3 receptors. Compounds with novel scaffolds and low nanomolar binding affinity (65 nM, compound 42) were identified. To provide a deeper insight into the SAR of these molecules, different alternative computational methods were employed. Support vector-based regression and partial least squares were examined. Predictive models for dopamine D2 and D3 receptor binding affinity values were obtained. Important features explaining SAR were extracted from the models. The prospective application of the models to the diverse and novel virtual screening data was of limited success only. Docking studies were performed using a homology model of the dopamine D3 receptor. The visual inspection of the binding modes resulted in the hypothesis of two alternative binding pockets for the aryl moiety of dopamine D3 receptor antagonists. A pharmacophore model was created simultaneously requiring both aryl moieties. Virtual screening with the model identified a nanomolar hit (65 nM, compound 59) corroborating the hypothesis of the two binding pockets and providing a new lead structure for dopamine D3 receptors. The presented data shows that the combined approach of hierarchically clustering a data set in combination with the subsequent usage of the clusters for model generation is suited to extract SAR from screening data. The models are successful in identifying singletons, clusters enriched with actives, not confirmed hits and false-negative scaffolds.Das Ziel der Arbeit war es, Struktur-Aktivitätsbeziehungen (SAR) in primären Screeningdaten von Hochdurchsatzscreening (HTS)- Assays zu finden. Als Strategie sollten die Moleküle hierarchisch geclustert werden, die primären Screeningdaten den gebildeten Clustern zugeordnet und Modelle aus den Clustern abgeleitet werden. Die Modelle sollten das Auffinden von Singletons, mit Hits angereicherter Cluster, nicht bestätigter Hits und falsch Negativer ermöglichen. Zu diesem Zweck wurden zwei hierarchische Clusteralgorithmen, NIPALSTREE und hierarchischer k-means, entwickelt bzw. angepasst. Eine graphische Benutzeroberfläche (GUI) wurde implementiert, um SAR aus den Ergebnissen der Clusterung abzuleiten. Retrospektive und prospektive Anwendungen wurden mit den Clusteransätzen verfolgt. SAR Modelle wurden durch Verwendung der Ergebnisse der Clusterung mit verschiedenen chemoinformatischen Verfahren erstellt. NIPALSTREE projiziert mit Hilfe der Hauptkomponentenanalyse einen Datensatz auf eine Dimension. Der Datensatz wird anhand des Scoringvektors sortiert und, basierend auf dem Median, in zwei Teilmengen aufgetrennt. Der Algorithmus wird rekursiv auf die neu gebildeten Mengen angewandt. Der hierarchische k-means Algorithmus trennt, basierend auf dem k-means Algorithmus, einen Datensatz rekursiv in zwei Cluster auf. Beide Algorithmen sind in der Lage, große Datenmengen mit mehr als einer Million Datenpunkte zu clustern. Sie wurden anhand verschiedener Strukturklassen validiert und miteinander verglichen. NIPALSTREE erbrachte mit dem Loadingvektor erste Einblicke in die SAR, wohingegen der hierarchische k-means zu besseren Ergebnissen führte. Eine GUI wurde entwickelt, die es erlaubt, die Clusterergebnisse darzustellen und darin zu navigieren. Funktionalitäten wurden bereitgestellt, um die Cluster im Dendrogramm, die Moleküle eines Clusters und die physikochemischen Eigenschaften eines Moleküls zu analysieren. Verfahren wurden entwickelt, um mit Hits angereicherte Cluster zu finden, Singletons zu charakterisieren und Selektivität und Spezifität zu analysieren. Verschiedene Proteaseinhibitoren aus der COBRA-Datenbank wurden mit dem hierarchischen k-means Algorithmus näher betrachtet. Mit Hilfe von Ähnlichkeitssuchen und nächsten Nachbaranalysen wurden Thrombininhibitorsingletons im Dendrogram in kürzester Zeit isoliert und dargestellt. Cluster, die mit verschiedenen Strukturklassen von Faktor-Xa-Inhibitoren angereichert waren, wurden, durch Skalierung des Anreicherungsfaktors auf den Logarithmus der Dendrogrammebene, gleichzeitig im Dendrogramm identifiziert. Eine Clusterung der Faktor-Xa-Inhibitoren mit anderen Proteaseinhibitoren wurde beobachtet. Sie erbrachte einen vertieften Einblick in Selektivität und Spezifität und zeigt die Anwendbarkeit des Ansatzes zur Erstellung fokussierter Screeningbibliotheken. Durch Extrahierung und Clusterung der relativen Anteile der Proteaseinhibitoren aus den Clustern von Dendrogrammebene sieben wurde die Spezifität der Proteaseinhibitoren analysiert. Eine spezifische, Liganden basierte Betrachtung des Pocketoms der Proteaseenzyme wurde erhalten. Um nicht bestätigte Hits und falsch Negative in den primären Screening Daten von HTS Assays zu finden, wurden drei Assays in Retrospektive mit dem hierarchischen k-means analysiert. Ein Regelwerk wurde entwickelt, welches Hits anhand der Clustergröße, des Prozent-Kontrollwertes der Einträge eines Clusters, der Gesamthitrate, der Hitrate in einem Cluster und der Umgebung des Clusters im Dendrogramm bewertet. Das Regelwerk führte zum Auffindung eines großen Anteils nicht bestätigter Hits. Zudem wurde für jeden Hit eine Bewertung im Kontext verwandter Nichthits erhalten. Dies erlaubt ein Priorisieren von Molekülen für Folgeuntersuchungen. Nichthits und Hits wurden aus Endcluster, die Hits enthielten, extrahiert. Moleküle mit falsch negativen Molekülgrundgerüsten wurden koextrahiert und angereichert. Um falsch Positive in den extrahierten Listen zu minimieren, wurden Bayesische regularisierte neuronale Klassifizierungsnetze mit den Daten trainiert. Die Anwendung der Modelle ergab eine deutliche Verbesserung der Anreicherungsfaktoren der falsch Negativen. Es zeigt, dass die Methode in der Lage ist, einen Molekülgrundgerüstwechsel durchzuführen. NIPALSTREE, der hierarchische k-means und selbst organisierende Karten wurden prospektiv angewandt, um neue Leitstrukturkandidaten für Dopamin-D3-Rezeptoren zu finden. Moleküle mit neuen Molekülgrundgerüsten und Bindungsaffinitäten im niedrigen nanomolaren Bereich wurden gefunden (65 nM für Molekül 42). Um einen tieferen Einblick in die SAR dieser Moleküle zu erhalten, wurden verschiede Computerverfahren verwendet. Supportvektorregression und PLS („partial least squares“) wurden untersucht. Es war möglich, voraussagende Modelle für Dopamin-D2 und D3 Bindungsaffinitäten zu erstellen. Die SAR erklärende Moleküleigenschaften konnten aus den Modellen extrahiert werden. Die prospektive Anwendung der Modelle auf die diversen und neuen virtuellen Screeningdaten war nur von begrenztem Erfolg. Dockingstudien wurden mit einem Homologiemodell des Dopamin-D3-Rezeptors durchgeführt. Die visuelle Begutachtung der Bindemoden führte zur Hypothese zweier alternativer Bindetaschen für den Aryl-Rest von Dopamin-D3-Rezeptorantagonisten. Ein Pharmakophormodell wurde erstellt, welches beide Aryl-Reste gleichzeitig benötigt. Ein virtuelles Screening mit dem Modell identifizierte einen nanomolaren Hit (65 nM für Molekül 59), welcher die Hypothese unterstützt und eine neue Leitstruktur für Dopamin-D3-Rezeptoren darstellt. Die vorgestellten Daten zeigen, dass der kombinierte Ansatz aus hierarchischer Clusterung und anschließender Verwendung der Cluster zur Modellerstellung, SAR in HTS-Daten findet. Die Modelle sind geeignet zum Auffinden von Singletons, mit Hits angereichter Cluster, nicht bestätigter Hits und falsch negativer Molekülgrundgerüste

Immune-Mediated Drug Induced Liver Injury: A Multidisciplinary Approach

This thesis presents an approach to expose relationships between immune mediated drug induced liver injury (IMDILI) and the three-dimensional structural features of toxic drug molecules and their metabolites. The series of analyses test the hypothesis that drugs which produce similar patterns of toxicity interact with targets within common toxicological pathways and that activation of the underlying mechanisms depends on structural similarity among toxic molecules. Spontaneous adverse drug reaction (ADR) reports were used to identify cases of IMDILI. Network map tools were used to compare the known and predicted protein interactions with each of the probe drugs to explore the interactions that are common between the drugs. The IMDILI probe set was then used to develop a pharmacophore model which became the starting point for identifying potential toxicity targets for IMDILI. Pharmacophore screening results demonstrated similarities between the probe IMDILI set of drugs and Toll-Like Receptor 7 (TLR7) agonists, suggesting TLR7 as a potential toxicity target. This thesis highlights the potential for multidisciplinary approaches in the study of complex diseases. Such approaches are particularly helpful for rare diseases where little knowledge is available, and may provide key insights into mechanisms of toxicity that cannot be gleaned from a single disciplinary study

Immune-Mediated Drug Induced Liver Injury: A Multidisciplinary Approach

This thesis presents an approach to expose relationships between immune mediated drug induced liver injury (IMDILI) and the three-dimensional structural features of toxic drug molecules and their metabolites. The series of analyses test the hypothesis that drugs which produce similar patterns of toxicity interact with targets within common toxicological pathways and that activation of the underlying mechanisms depends on structural similarity among toxic molecules. Spontaneous adverse drug reaction (ADR) reports were used to identify cases of IMDILI. Network map tools were used to compare the known and predicted protein interactions with each of the probe drugs to explore the interactions that are common between the drugs. The IMDILI probe set was then used to develop a pharmacophore model which became the starting point for identifying potential toxicity targets for IMDILI. Pharmacophore screening results demonstrated similarities between the probe IMDILI set of drugs and Toll-Like Receptor 7 (TLR7) agonists, suggesting TLR7 as a potential toxicity target. This thesis highlights the potential for multidisciplinary approaches in the study of complex diseases. Such approaches are particularly helpful for rare diseases where little knowledge is available, and may provide key insights into mechanisms of toxicity that cannot be gleaned from a single disciplinary study