Компьютерный дизайн и синтез потенциальных лекарств против ВИЧ 1

Важную роль в процессе создания новых лекарственных препаратов играют современные методы компьютерного молекулярного моделирования. Их использование позволяет значительно сократить сроки разработки лекарств и существенно уменьшить финансовые расходы [1]. Нами выполнено исследование по компьютерному моделированию потенциальных лекарств против вируса иммунодефицита человека типа 1 (ВИЧ 1). Основное внимание обращено на химические соединения, способные вмешиваться в ранние стадии жизненного цикла ВИЧ 1: такие молекулы препятствуют проникновению вируса в целевые клетки и поэтому перспективны для разработки эффективных препаратов нового поколения [2].
Одно из таких соединений – деацилированный аналог -галактозилцерамида ( -галактозилсфингозин) – было сконструировано нами методами молекулярного моделирования [3], а затем синтезировано и проверено на анти-ВИЧ-активность в РНПЦ эпидемиологии и микробиологии [3, 4]. Оно образуется при щелочном гидролизе цереброзидов с сохранением природной конфигурации (рис. 1). Биологические испытания показали наличие ВИЧ-ингибирующих свойств у полученного аналога -галактозилцерамида, представляющего перспективную базовую структуру для разработки его более эффективных модифицированных форм [4]. Химиотерапевтический индекс (отношение максимально переносимой концентрации к минимально активной концентрации соединения) составил 40,0 [8], что свидетельствует о достаточно высокой степени его анти-ВИЧ-активности.
В дальнейших исследованиях были сконструированы 12 производных этой молекулы, нейтрализующее действие которых оценено в компьютерных экспериментах [5, 6]. Эти работы включали четыре последовательных этапа:
конструирование производных -галактозилцерамида, содержащих различные заместители остатка жирной кислоты по аминогруппе агликона, и квантово-химические расчеты их трехмерных структур;
молекулярный докинг структурных комплексов сконструированных гликолипидов с белком gp120 ВИЧ 1 и анализ межмолекулярных взаимодействий, ответственных за их энергетическую стабилизацию;
молекулярную динамику (МД) комплексов и расчет свободной энергии их образования (программный пакет Amber 11; силовое поле Amber ff03);
сравнительный анализ эффективности связывания гликолипидов с белком gp120 ВИЧ 1 с последующей идентификацией соединений-лидеров.
Оптимизацию трехмерных структур гликолипидов проводили методами квантовой химии в пакете Gaussian. Для расчета электронной конфигурации применяли метод самосогласованного поля Хартри – Фока с валентно-­расщепленным базисом 6-31G*. Молекулярный докинг выполняли с помощью программы AutoDock Vina с учетом конформационной подвижности гликолипида, перебирая все его возможные ориентации относительно молекулы-рецептора. Молекулярно-динамические расчеты осуществляли в программном пакете Amber 11 в изобарно-изотермических условиях в силовом поле Amber c набором параметров ff10 в течение 30 нс. Для задания свойств растворителя использовали трехточечную модель воды TIP3P.
В результате проведенных исследований установлено, что сконструированные гликолипиды способны к специ­фическим и эффективным взаимодействиям с третьим вариабельным доменом (петля V3) белка gp120 различных модификаций ВИЧ 1. Этот вывод подтвержден данными молекулярно-динамических расчетов структурных комплексов, согласно которым на их МД-траекториях превалируют структуры, в которых сохраняются межмолекулярные водородные связи, наблюдаемые в статических моделях, а углеводная составляющая гликолипидов сближена в пространстве с -сопряженными системами остатков Phe 20/Tyr 21 или His 34 петли V3 ВИЧ 1 на расстояния, благоприятные для реализации XH… взаимодействий. Структурные комплексы, построенные методами молекулярного докинга, энергетически стабильны, о чем свидетельствуют низкие величины свободной энергии их образования. На основе анализа значений свободной энергии образования комплексов идентифицированы гликолипиды, формирующие более стабильные относительно контрольного гликолипида ( -галактозил­сфингозина) комплексы со всеми использованными в расчетах V3-мишенями [5, 6].
В настоящее время проводится синтез этих химических соединений с целью их тестирования на противовирусную активность [7]. Разработана оригинальная методика синтеза «растворимых» аналогов -галакто­зилцерамида, апробированная на примере N-(L- -тиро­зинил)- -галактозилсфингозина [7] – одного из сконструированных в [6] гликолипидов.
Методы компьютерного скрининга использованы нами в еще одном, новом направлении поиска лекарственных препаратов против ВИЧ 1. В последние годы были обнаружены антитела к ВИЧ 1, которые в лабораторных экспериментах нейтрализуют свыше 90 % частиц, принадлежащих различным модификациям вируса [8]. Очевидно, что обнаружение антител с широким спектром нейтрализующей активности – важный шаг в разработке эффективной вакцины против ВИЧ 1. Однако высокая вариабельность вируса, отсутствие для ВИЧ-инфекции адекватной модели на животных, возможность оценки безопасности, иммуногенности и эффективности вакцинного препарата только с помощью клинических исследований создают серьезные препятствия на этом пути. Для решения проблемы нами был предложен оригинальный подход, заключающийся в замене сложных молекул-антител более простыми химическими соединениями, способными имитировать их фармакологические свойства [9–11]. С помощью методов виртуального скрининга, использующих алгоритм сверхбыстрого распознавания формы, суть которого состоит в обнаружении молекул, геометрически соответствующих заданному пептиду, в комбинации с алгоритмом поиска по фармакофорам – молекулярным остовам, несущим существенные признаки, ответственные за биологическую активность, были идентифицированы небольшие молекулы – пептидомиметики нейтрализующих антител 3074 [9], VRC 01 [10] и 10Е8 [11] (рис. 2), отвечающие нужным требованиям. Далее методами молекулярного моделирования было проверено их действие на ВИЧ 1: с какими участками вируса они связываются, ведут ли себя так же, как и антитела.
Для достижения поставленной цели была применена комплексная методология, включавшая следующие теоретические процедуры [9–11]:
виртуальный скрининг молекулярной базы данных MMsINC, содержащей 17 млн структур химических соединений;
молекулярный докинг для построения структурных комплексов молекулярных мишеней с потенциальными лигандами;
молекулярную динамику и расчет свободной энергии образования этих надмолекулярных структур для оценки их энергетической стабильности.
В результате поиска потенциальных пептидомиметиков нейтрализующих антител VRC 01, 3074 и 10Е8 в базе данных MMsINC с привлечением пяти методов, включающих различные комбинации алгоритмов сверхбыстрого распознавания формы и идентификации по фармакофорам, генерировали наборы химических соединений, эффективность связывания которых с белками оболочки ВИЧ 1 оценивали методами молекулярного докинга.
Полученные результаты свидетельствуют о высокой потенциальной нейтрализующей активности идентифицированных соединений. Согласно расчетным данным, обнаруженные пептидомиметики антител VRC 01, 3074 и 10Е8 могут проявлять высокую аффинность связывания с функционально консервативными эпитопами ВИЧ 1, имитируя критические взаимодействия вируса с рецепторами клеточной мембраны, которые обеспечивают его прочную адсорбцию на поверхности клетки-мишени [9–11]. В связи с этим можно предполагать, что «коктейль» из низкомолекулярных соединений – пептидомиметиков этих антител, блокирующих три ключевых стадии процесса проникновения ВИЧ 1 в клетку-мишень, способен подавить репликацию вируса и существенно снизить уровень вирусной нагрузки в плазме крови.
Таким образом, в результате проведенных исследований получен -галактозилсфингозин [3, 4] – деацилированный аналог -галактозилцерамида, ВИЧ-ингибирующие свойства которого подтверждены в результате тестирования на противовирусную активность [4]. Разработана оригинальная методика синтеза «растворимых» аналогов -галактозилцерамида, апробированная на примере N-(L- -тирозинил)- -галактозилсфингозина [7] – одного из сконструированных нами гликолипидов. С помощью методов молекулярного моделирования и компьютерного скрининга обнаружены потенциальные ингибиторы проникновения ВИЧ 1 – пептидомиметики нейтрализующих антител, перспективные для разработки новых анти-ВИЧ-препаратов с широким спектром действия [9–11].

Работа выполнена в рамках ГПНИ «Конвергенция» (задание 3.2.05; 2011–2015) и поддержана Белорусским республиканским фондом фундаментальных исследований (проекты X12–022, X15–022, X17МС 004).

Статья поступила в редакцию 13.01.2017 г.

ЛИТЕРАТУРА
1. Андрианов А. М. Конформационный анализ белков: теория и приложения / А. М. Андрианов. – Минск, 2013.
2. Andrianov A. M. HIV 1 gp120 V3 loop for anti-AIDS drug discovery: computer-aided approaches to the problem solving // Expert Opin. Drug Discov. 2011. Vol. 6. P. 419–435.
3. Computer-aided design of novel HIV 1 entry inhibitors targeting the envelope gp120 V3 loop / A. M. Andrianov [et al.] // Biopolym. Cell. 2012. Vol. 28, №6. P. 468–476.
4. Получение и анти-ВИЧ активность -галактозилсфингозина / Ю. В. Корноушенко [и др.] // Известия НАН Беларуси. Серия химических наук. 2015, №1. С. 85–88.
5. Компьютерное конструирование новых ингибиторов проникновения ВИЧ 1 на основе гликосфинголипидов / А. М. Андрианов [и др.] // Математическая биология и биоинформатика. 2013. Т. 8, №1. С. 88–105.
6. In silico design of novel broad anti-HIV 1 agents based on glycosphingolipid -galactosylceramide, a high-affinity receptor for the envelope gp120 V3 loop / A. M. Andrianov [et al.] // J. Biomol. Struct. Dyn. 2015. Vol. 33, №5. P. 1051–1066.
7. Корноушенко Ю. В. Синтез N-(L- -тирозинил)- -галактозилсфингозина – нового потенциального ингибитора ВИЧ 1 с широкой вирусной нейтрализацией // Молодежь в науке – 2015: прил. к журн. «Известия Национальной академии наук Беларуси». В 5 ч. Ч. 1. – 2016. С. 33–36.
8. McCoy L.E., Weiss R. A. Neutralizing antibodies to HIV 1 induced by immunization // J. Exp. Med. 2013. Vol. 210. P. 209–223.
9. Andrianov A. M. Discovery of novel anti-HIV 1 agents based on a broadly neutralizing antibody against the envelope gp120 V3 loop: a computational study / A. M. Andrianov, I. A. Kashyn, A. V. Tuzikov // J. Biomol. Struct. Dyn. 2014. Vol. 32, №12. P. 1993–2004.
10. Andrianov A. Computational discovery of novel HIV 1 entry inhibitors based on potent and broad neutralizing antibody VRC 01 / A. Andrianov, I. Kashyn, A. Tuzikov // J. Mol. Graph. Model. 2015. Vol. 61. P. 262–271.
11. Andrianov A. M. Identification of novel HIV 1 fusion inhibitor scaffolds by virtual screening, high-throughput docking and molecular dynamics simulations / A. M. Andrianov, I. A. Kashyn, A. V. Tuzikov // JSM Chem. 2016. Vol. 4, N2. P. 1022.
12. Huang J., Ofek G., Laub L. et al. Broad and potent neutralization of HIV 1 by a gp41-specific human antibody // Nature. 2012. Vol. 491. P. 406–414.