Herramientas de cribado virtual aplicadas a inhibidores de entrada del VIH. Diseño de nuevos compuestos anti-VIH

Abstract

Els inhibidors d'entrada del VIH han sorgit recentment com una nova generació de fàrmacs antiretrovirals, els quals bloquegen la unió del virus als co-receptors de membrana CXCR4 i CCR5. S'han desenvolupat diverses molècules petites antagonistes d'aquests co-receptors, algunes de les quals estan actualment en fase d'assaig clínic. No obstant això, donat que no existeixen estructures cristal·logràfiques per aquests co-receptors proteics, és necessari analitzar els modes d'unió d'inhibidors coneguts a la cavitat d'unió extracel·lular dels co-receptors mitjançant experiments de mutagènesi dirigida i estudis computacionals. En general, l'objectiu d'aquestes aproximacions computacionals és cribar un gran nombre de compostos candidats a fàrmacs ràpidament. El cribatge virtual s'ha convertit recentment en un complement útil dels mètodes de cribatge experimentals high-throughput screening per a grans llibreries de compostos. Per tant, en aquesta tesi s'ha portat a terme un protocol de cribatge virtual, mitjançant aproximacions basades en el receptor i en lligands actius coneguts, amb la finalitat de trobar antagonistes de CXCR4 i CCR5 que puguin servir com a potencials inhibidors d'entrada del VIH.<br/>Per al cribatge virtual basat en el receptor, s'han millorat els models dels co-receptors CXCR4 i CCR5 construïts a la secció de disseny molecular de l'IQS, i s'han portat a terme assajos preliminars de mode d'unió utilitzant aquests models i lligands coneguts d'elevada afinitat. Així mateix, s'ha analitzat el comportament en el cribatge virtual i en el post-processat de resultats de docking de diferents fingerprints d'interacció en comparació amb els resultats obtinguts per un nou fingerprint d'interacció (APIF) desenvolupat a la secció de disseny molecular de l'IQS.<br/>Per al cribatge virtual basat en lligands, s'han comparat models farmacofòrics i diverses aproximacions basades en la forma i propietats moleculars utilitzant lligands d'elevada afinitat com a molècules de referència. A més, s'ha desenvolupat una nova aproximació basada en la forma molecular, la qual s'ha utilitzat per a estudiar en profunditat la hipòtesi de la multi-regió d'unió de la cavitat d'unió extracel·lular del co-receptor CCR5.<br/>Tots els mètodes, ja siguin basats en el receptor o en lligands coneguts, s'han aplicat en primer lloc de manera retrospectiva utilitzant una extensa base de dades d'inhibidors de CXCR4/CCR5 i suposats inactius, similars en propietats als actius, recopilada en aquesta tesi. Per a cada receptor, la quimioteca ha estat cribada utilitzat inhibidors coneguts, S'han analitzat els factors d'enriquiment i la diversitat a les llistes finals de hits. A més, s'han portat a terme anàlisis ROC per a ambdós inhibidors de CXCR4 i CCR5 amb la finalitat de comparar l'habilitat del nou algoritme basat en la igualtat de formes de lligands amb la resta d'aproximacions de cribatge utilitzades.<br/>Una vegada validades les diferents aproximacions de cribatge i seleccionats els millors paràmetres per a cadascuna d'elles, s'han aplicat les eines de cribatge virtual de manera prospectiva sobre una quimioteca combinatòria dissenyada a la secció de disseny molecular de l'IQS, així com tècniques de disseny de novo de lligands per tal d'identificar nous bloquejadors de l'entrada del VIH a les cèl·lules.

Los inhibidores de entrada del VIH han surgido recientemente como una nueva generación de fármacos antiretrovirales, los cuales bloquean la unión del virus con los co-receptores de membrana CXCR4 y CCR5. Se han desarrollado diversas moléculas pequeñas antagonistas de estos co-receptores, algunas de las cuales están actualmente en fase de ensayo clínico. Sin embargo, dado que no existen estructuras cristalográficas para estos co-receptores proteicos, es necesario analizar los modos de unión de inhibidores conocidos a la cavidad de unión extracelular de los co-receptores mediante experimentos de mutagénesis dirigida y estudios computacionales. En general, el objetivo de estas aproximaciones computacionales es cribar un gran número de compuestos candidatos a fármacos rápidamente. El cribado virtual se ha convertido recientemente en un complemento útil de los métodos de cribado experimentales high-throughput screening para grandes librerías de compuestos. Por lo tanto, en esta tesis se ha llevado a cabo un protocolo de cribado virtual, mediante aproximaciones basadas en el receptor y en ligandos activos conocidos, con el fin de encontrar antagonistas de CXCR4 y CCR5 que puedan servir como potenciales inhibidores de entrada del VIH.<br/>Para el cribado virtual basado en el receptor, se han mejorado los modelos de los co-receptores CXCR4 y CCR5 construidos en la sección de diseño molecular del IQS, y se han llevado a cabo ensayos preliminares de modo de unión utilizando estos modelos y ligandos conocidos de elevada afinidad. Asimismo, se ha analizado el comportamiento en el cribado virtual y en el post-procesado de resultados de docking de diferentes fingerprints de interacción en comparación con los resultados obtenidos por un nuevo fingerprint de interacción (APIF) desarrollado en la sección de diseño molecular del IQS.<br/>Para el cribado virtual basado en ligandos, se han comparado modelos farmacofóricos y diversas aproximaciones basadas en la forma y propiedades moleculares utilizando ligandos de elevada afinidad como moléculas de referencia. Además, se ha desarrollado una nueva aproximación basada en la forma molecular, la cual se ha utilizado para estudiar en profundidad la hipótesis de la multi-región de unión de la cavidad de unión extracelular del co-receptor CCR5.<br/>Todos los métodos, ya sean basados en el receptor o en ligandos conocidos, se han aplicado en primer lugar de manera retrospectiva utilizando una extensa base de datos de inhibidores de CXCR4/CCR5 y supuestos inactivos, similares en propiedades a los activos, recopilada en esta tesis. Para cada receptor, la quimioteca ha sido cribada utilizando inhibidores conocidos, Se han analizado los factores de enriquecimiento y la diversidad en las listas finales de hits. Además, se han llevado a cabo análisis ROC para ambos inhibidores de CXCR4 y CCR5 con el fin de comparar la habilidad del nuevo algoritmo basado en la igualdad de formas de ligandos con el resto de aproximaciones de cribado utilizadas.<br/>Una vez validadas las diferentes aproximaciones de cribado y seleccionados los mejores parámetros para cada una de ellas, se han aplicado las herramientas de cribado virtual de manera prospectiva sobre una quimioteca combinatoria diseñada en la sección de diseño molecular del IQS, así como técnicas de diseño de novo de ligandos para identificar nuevos bloqueadores de la entrada del VIH a las células.

HIV entry inhibitors have emerged as a new generation of antiretroviral drugs that block viral fusion with the CXCR4 and CCR5 membrane co-receptors. Several small molecule antagonists for these co-receptors have been developed, some of which are currently in clinical trials. However, because no crystal structures for the co-receptor proteins are available, the binding modes of the known inhibitors within the co-receptor extracellular pockets need to be analyzed by means of site-directed mutagenesis and computational experiments. Generally, the objective of these computational approaches is to screen large numbers of candidate drug compounds rapidly. Virtual screening has recently become a useful complement to laboratory-based high-throughput screening methods for large libraries of compounds. Hence, in this thesis, a virtual screening protocol, using several receptor-based and ligand-based approaches, has been performed to find CXCR4 and CCR5 antagonists that could potentially serve as HIV entry inhibitors.<br/>For receptor-based virtual screening, homology models of CXCR4 and CCR5 co-receptors built in our research group have been improved, and preliminary binding mode analyses using these models and high affinity known ligands have been carried out. Also, the performance in virtual screening and docking post-processing of different interaction fingerprints, compared to the results obtained with a new interaction fingerprint (APIF) developed in our research group, has been analysed.<br/>For ligand-based virtual screening, pharmacophore modelling and several shape-based and property-based molecular comparison approaches have been compared, using high-affinity ligands as query molecules. Also, a novel consensus shape-based virtual screening approach has been developed and used to investigate and add further evidence for multiple binding sites within the CCR5 extracellular pocket hypothesis.<br/>All the receptor-based and ligand-based methods have been firstly applied in a retrospective virtual screening, using a large database of known CXCR4/CCR5 inhibitors and similar presumed inactive molecules assembled in this thesis. For each receptor, the library has been queried using known binders, and the enrichment factors and diversity of the resulting virtual hit lists have been analyzed. Moreover, receiver-operator-characteristic analyses for both CXCR4 and CCR5 inhibitors have been carried out in order to compare the performance of the new consensus shape matching algorithm with the other screening approaches used. <br/>Once the different virtual screening approaches have been validated and the best parameters for each one have been selected, prospective virtual screening of a combinatorial library designed by our research group and de novo design methods have been applied to identify new HIV entry blockers.