hERG bloker olmayan farmakolojik aktivitesi korunmuş bileşiklerin çok boyutlu moleküler modelleme uygulamaları ile in siliko tasarımı

Bu tezde, bilgisayar destekli moleküler modelleme metodları kullanılarak, hERG blokörü olan bileşiklerin hERG1 K + iyon kanalları (farklı membran potansiyellerinde açık ve açık-inaktif konformasyonel halleri göz önünde bulundurularak) ve ilgili hedef proteinleri ile olan etkileşimleri moleküler seviyede detaylı olarak incelenmiştir. İn siliko yöntemlerden yararlanılarak, literatürden seçilmiş bazı fosfodiesteraz tip 5 (PDE5) enzim inhibitörlerine yönelik olarak hERG1 kanalları için bağlanma afinitelerinin azaltılması amacı ile rehabilitasyon çalışmaları yapılmıştır. Aynı zamanda, bu bileşiklerin hedef proteinleri ile olan etkileşimlerinin aydınlatılması ve bağlanma enerjilerinin korunmasına yönelik olarak da hesaplamalar yapılmış ve incelemelerin sonuçları tezde sunulmuştur. Protein-ligant moleküler kenetlenme, homoloji modelleme, Alanin mutasyon çalışması, E- Farmakofor modelleme, yapısal ve ligant bazlı olarak sanal molekül kütüphanelerinin çeşitli teknikler ile tarama stratejileri, moleküler dinamik (MD) simülasyonlar, MD sonrası analizler (simülasyon trajektörilerinin detaylı olarak incelenmesi-özellikle apo ve holo sistemlerinin konformasyonal davranışları olmak üzere) ve ligantların kompleks yaptığı proteinlere (hERG1 iyon kanalı ve aynı zamanda PDE enzimlerine karşı olan) bağlanma enerjilerinin tayin edilmesi amacı ile MD sonrası yapılan hesaplamalar ((Moleküler Mekanik Poisson Boltzmann Yüzey Alanı (MM-PBSA) ve Moleküler Mekanik Genelleştirilmiş Born Yüzey Alanı (MM- GBSA)) neticesinde, hERG kanallarının merkez iç bağlanma bölgesinde gerçekleşen ilaç-benzeri küçük moleküller ile etkileşimlerinde rol oynayan önemli bloke edici elementler ve aminoasit rezidüleri ortaya konulmuştur. Aynı zamanda, uygulanan çok kademeli sanal tarama protokolleri sonucunda, bazı ilaç-benzeri moleküller (ana reseptör bağlanma afinitesi korunarak hERG bağlanma afinitesi düşürülmüş) sunulmuştur. hERG K + iyon kanalları, insan kalp karıncığı kas hücrelerinin görev aldığı aksiyon potansiyelinin düzenlenmesi işleminde rol üstlenirler. Bu aşamada, hERG kanalları, hücre içi-dışı iyon konsantrasyon gradientlerinden kaynaklanan hücresel elektriksel potansiyeline bağlı olarak genel olarak üç aşamalı bir konformasyonel aşamadan (açık hal, açık-inaktif hal ve kapalı hal olmak üzere) geçerek potasyum akışını sağlarlar. hERG kanallarının içerisinden gerçekleşen potasyum iyonları akışı, hERG kanallarının sahip olduğu seçici filtrenin (SF) sahip olduğu aminoasit rezidülarının (S624, V625,G626, F627, G628) K + iyonları ve su molekülleri ile oluşturabildiği koordinasyon motifi sayesinde gerçekleşir. Bu potasyum akışı, kalp aksiyon potansiyelinin, I Kr komponentine (geciktirilmiş düzeltici K + akışı hızlı bileşeni) önemli bir katkı yapar. hERG kanallarının ve görev aldıkları akışın doğrudan inhibe edilmesi, ciddi ve ölümcül kalp hastalıklarına (örneğin Torsades de pointes (TdP) ve uzun QT sendromu (LQTS)) neden olabilmektedir. Yıllar içerisinde, yol açtıkları kardiyak aritmiyaları sebebi ile birçok ilaç (bazı antihistaminler, antibakteriyeller, antipsikotikler ve antidepresanlar dahil olmak üzere) piyasadan çekilmiştir ve/veya kullanımları kısıtlandırılmıştır. Bu ilaçlara örnek olarak terfenadine, cisapride, astemizol, thioridazine, haloperidol, sertindole ve pimozide verilebilir. Bu yüzden, FDA (Amerikan Gıda ve İlaç Dairesi) yeni ilaç geliştirme aşamalarında yapılan testlerde ilaçların hERG taramasından geçirilmesini 2007 yılında zorunlu kılmıştır. Tezde, seçilen ilaçlara uygulanan in siliko rehabilitasyon çalışmalarının sonuçları, bu sebeple yeni ve güvenli ilaç tasarım çalışmalarına bir katkı olarak değerlendirilebilir. Bu tezde çalışılan ilaçlar (sildenafil-Viagra TM , vardenafil-Levitra TM , tadalafil- Cialis TM ve vesnarinone)-vesnarinone haricinde (PDE3 inhibitörü)-PDE5 inhibitörüdürler ve erektil fonksiyon bozukluğunu tedavi amacı ile kullanılırlar. PDE enzimleri, insan organizmasında çok geniş doku ve organlara yayılmış ve birçok hastalığın da tedavisinde kullanılan ilaçların etki ettiği ana reseptör olma özelliğine sahiptirler. Bu enzimlerin biyolojik fonksiyonları, substrat (3',5'-siklik guanozin monofosfat (cGMP) ve/veya 3',5'-siklik adenozin monofosfat (cAMP)) bağlanma bölgelerinde gerçekleştirdikleri katalitik degradasyon reaksiyonları üzerinden bu substratların sitoplazmik konsantrasyon seviyelerini düzenlemektir. Bu tezde uygulanan çok kademeli moleküler modelleme teknikleri neticesinde, ilaç olma özelliğine sahip (farmakokinetik özellikleri moleküler modelleme uygulamaları ile tahmin edildikten sonra) yeni ve güvenilir (hERG1 ve PDE5 bağlanma enerjileri moleküler kenetlenme ve MM-PBSA ve MM-GBSA hesaplamaları ile kontrol edilmiştir) PDE5 inhibitörleri olarak tadalafil ve sildenafil benzeri moleküller ortaya konulmuştur. İlaçların, ana reseptörlerine karşı olan bağlanma afinitelerinin korunarak hERG bloke etme özelliklerinin düşürülmesi çalışmalarının yanısıra, PDE6 ve PDE11 enzimlerine karşı olan aktiviteleri de çalışılmıştır. Çünkü, PDE6 ve PDE11 enzimlerinin katalitik kısımlarının PDE5 ile aminoasit sekansı ve 3-boyutlu sekonder yapılarındaki benzerlikleri ve bu benzerliklerin neticesinde ise PDE5 inhibitörü olarak kullanılan ilaçların bu izoenzimlere karşı aktivite gösterdiği bilinmektedir. Bu izoenzimlere karşı olan bağlanma yatkınlığı neticesinde bazı yan etkiler (görme bozukluğu, kas ağrıları, vb.) görülebilmektedir. Özetle, tez süresince, birçok bilgisayar destekli modelleme araçları ile birlikte moleküler modelleme teknik ve yaklaşımlarından yararlanılmış, yeni ve yan etkileri azaltılmış (ana reseptöre olan-PDE5-etki mekanizması korunarak) güvenilir ilaç- benzeri moleküller ortaya konulmuştur. Bununla birlikte, önemli ve kritik protein- ligant etkileşimleri detaylı bir şekilde moleküler düzeyde çalışılmış ve tartışılmıştır. Moleküllerin ve etki ettikleri proteinlerin dinamik özellikleri (zaman içerisindeki konformasyonel değişimleri vb.) uygulanan MD simülasyon teknikleri ve MD sonrası trajektörü analizleri ile ortaya çıkarılmıştır. Bu tez, SCI ve SCI-Expanded indeksinde yeralan dergilerde yayını gerçekleştirilmiş üç adet makalenin derlenmesinden oluşturulmuştur. Yayınlanma tarihlerine göre makalelerin içerikleri ve amaçları şu şekilde detaylandırılabilir: Birinci makalenin konusu; sildenafil, vardenafil ve tadalafil ilaçlarının (FDA onaylı birinci jenerasyon PDE5 inhibitörleri), hedef reseptörleri olan PDE5 enzimi ve hERG1 kanal modelleri (açık ve açık-inaktif halleri) ile etkileşimlerinin birden fazla moleküler kenetlenme programı (esnek, rijit ve indüklenmiş protein-ligand kenetlenme yaklaşımları uygulanarak) kullanılarak incelenmesi, bağlanma özellikleri ve bağlanma enerjilerinin ortaya konulması olarak özetlenebilir. Çalışmanın amacı ise, sildenafil molekülünün fragment-bazlı sanal tarama tekniği kullanılarak belirli bir fragmentin çıkarılıp bu fragment yerine eklenen fragmentler ile oluşturulan bir moleküler sanal kütüphanenin moleküler kenetlenme hesapları ile taranması ve MD simülasyon ile MM-GBSA analizleri neticesinde hERG afinitesi düşürülmüş ve PDE5 aktivitesi korunmuş sildenafil-benzeri moleküllerin açığa çıkarılması şeklinde verilebilir. Ayrıca, hERG kanalının bağlanma bölgesinden seçilmiş bazı aminoasit rezidüleri için sildenafilin bağlanmasına yönelik olarak Alanin mutasyon çalışması da yapılmıştır. Bu aşamadaki amaç hangi amoasitlerin sildenafilin bağlanmasına daha çok katkı yaptığının aydınlatılmasıdır. Seçilen rezidüler teker teker Alanin aminoasit rezidüsüne dönüştürülmüş ve moleküler kenetlenme çalışmaları elde edilen bu mutant hERG kanalları ile tekrarlanmıştır. Ortaya çıkan bulgular (moleküler kenetlenme skorları) ile doğal-tipteki (wild) sonuçlar karşılaştırılmış ve sildenafilin bağlanması bağlamındaki kritik rezidüler açığa çıkarılmıştır. İkinci makalede ise, diğer bir PDE5 inhibitörü olarak kullanılan tadalafil molekülü ele alınmıştır. Geniş bir ilaç-benzeri moleküler veri tabanına ligand-bazlı bir tarama tekniği uygulanarak (Tanimoto benzerlik katsayısı ile MACCS yapısal moleküler parmakizi araçlarının kombine edilmesi vasıtasıyla) tadalafile %80 oranında yapısal benzerlik gösteren moleküller filtrelenmiştir. Filtrenen bu moleküllerin, PDE5, PDE6, PDE11 ve hERG kanallarına esnek moleküler doking çalışmaları yürütülmüştür. Bundan önce, PDE6 ve PDE11 enzimlerinin deneysel üç boyutlu yapılarının henüz keşfedilememesi sebebiyle 3D homoloji modelleri yapılmıştır. Seçilen bazı moleküllerin MD simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Buradaki temel amaç, filtrelenen tadalafil-benzeri moleküllerin PDE5/PDE6 ve PDE5/PDE11 seçiciliklerinin korunabilmesi ve ayrıca bazı hERG afinitesi düşürülmüş moleküllerin önerilmesidir. Bunun için, seçilen moleküller ile hERG kanallarının hem açık hem de açık-inaktif hallerine moleküler kenetlenme çalışmaları yapılmış ve sonuçlar yayınlanmıştır. Üçüncü makalede ise, vesnarinon molekülünün (PDE3 inhibitörü) hERG kanallarının iç boşluk kısmına (açık ve açık-inaktif halleri gözönünde bulundurularak) bağlanması ile ilgili olarak, değişik skorlama fonksiyonları kullanılarak yapılan moleküler kenetlenme çalışmaları sonuçlarının incelenmesi, birbirleri ile karşılaştırılması ve peşinden gerçekleştirilen MD simülasyonların ve MM-PBSA analizlerin yardımı ile vesnarinon molekülünün hERG kanalları ile olan etkileşimlerinin analiz edilmesi ve en olası bağlanma oriyantasyonunun açığa çıkartılması hedeflenmiştir. Elde edilen moleküler kenetlenme skorları, MM-PBSA hesaplamalarından gelen bağlanma enerjileri, simülasyonlardan elde edilen protein- ligant arasındaki Lennard-Jones (van der Waals) ve Elektrostatik (Coloumb) enerjileri ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca her bir simülasyon yörüngesi için yapılan simülasyon süresindeki detaylı ligand/protein RMSD (karekök ortalama sapma değeri) ve PCA (Temel Bileşenler Analizi) analizleri ile elde edilen bulgular detaylandırılmıştır. Buradan elde edilen sonuçlar, hERG-ilaç molekülü etkileşimlerinin daha iyi anlaşılabilmesi, bu bağlamda kritik önem taşıyan aminoasit rezidülerinin aydınlatılması (hem protein-ligant kenetlenme hem de MM-PBSA sonrası yapılan rezidü başına dekompozisyon hesaplamaları vasıtasıyla) ve bunların neticesinde elde edilen bulgular ile beraber uygulanan in siliko modelleme tekniklerinin, hERG bağlanması rehabilite edilmek istenen moleküllere genel anlamda bir örnek teşkil edebilmesi bakımından önem taşıması olarak özetlenebilir.