选择具有降低心脏毒性风险的化合物的系统及方法技术方案

本文提供用于选择具有降低心脏毒性风险或不可能为心脏毒性的化合物的系统及方法。作为一个实例，系统及方法可包括与计算机(in silico)高通量筛选组合的计算动态模型，其模拟与心脏毒性相关的最重要离子通道之一、即人类Ether‑a‑go‑go相关基因(human Ether‑a‑go‑go Related Gene；hERG)通道。本文亦提供基于该模型及该高通量筛选重新设计预测为心脏毒性的化合物的系统及方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】1.相关申请案的交叉引用本申请案主张2013年12月13日申请的美国临时申请案第61/916,093号及2014年8月7日美国临时申请案第62/034,745号的优先权，其中每一个的内容以其全文引用的方式并入本文中。2.
本申请案大体上系关于化合物及心脏毒性及更一般化地关于分析相对于心脏毒性的化合物的处理器实施系统及方法。3.技术背景心脏毒性为临床研究及上市后撤回方面的损耗的主要原因。人类Ether-a-go-go相关基因1(human Ether-a-go-go Related Gene 1；hERG1)K+离子信道牵涉心脏毒性，且美国食品药物管理局(Food and Drug Administration；FDA)要求对于针对hERG1通道的活性筛选候选药物。近期研究表明非hERG心脏离子通道亦牵涉心脏毒性。因此，推荐对于针对心脏离子通道(包括hERG1)的活性筛选候选药物。hERG1离子通道(亦称为KCNH2或Kv11.1)为心肌细胞中的延迟整流钾电流(IKr)的快速分量的关键要素，为心脏动作电位的正常复极化相所需(Curran等人,1995,「A Molecular Basis for Cardiac-Arrhythmia；HERG Mutations Cause Long Qt Syndrome,」Cell,80,795-803；Tseng,2001,「I(Kr):The hERG Channel,」J.Mol.Cell.Cardiol.,33,835-49；Vandenberg等人,2001,「HERGChannels:Friend and Foe,」Trends.Pharm.Sci.22,240-246)。hERG1中的功能丧失突变使心室复极化的持续时间增加，其导致体表心电图的Q波与T波的间的时间间隔延长(长QT症候群-LQTS)(Vandenberg等人,2001；Splawski等人,2000,「Spectrum of Mutations in Long-QT Syndrome Genes KVLQT1,HERG,SCN5A,KCNE1,and KCNE2,」Circulation,102,1178-1185；Witchel等人,2000,「Familial and Acquired Long QT Syndrome and the Cardiac Rapid Delayed Rectifier Potassium Current,」Clin.Exp.Pharmacol.Physiol.,27,753-766)。LQTS导致严重心血管病症，诸如快速性心律不整及心因性猝死。常见的心脏及非心脏药物，诸如抗生素、抗组织胺药及抗菌药所用的不同类型的有机化合物可减少复极电流IKr(亦即，通过结合至hERG1的孔域的中心腔)且导致心室心律不整(Lees-Miller等人,2000,「Novel Gain-of-Function Mechanism inChannel-Related Long-QT Syndrome:Altered Gating and Selectivity in the HERG1N629D Mutant,」Circ.Res.,86,507-513；Mitcheson等人,2005,「Structural Determinants for High-affinity Block of hERG Potassium Channels,」Novartis Found.Symp.266,136-150；Lees-Miller等人,2000,「Molecular Determinant of High-Affinity Dofetilide Binding to HERG1Expressed in Xenopus Oocytes:Involvement of S6Sites,」Mol.Pharmacol.,57,367-374)。因此，若干审批通过药物(亦即，特非那定(terfenadine)、西沙必利(cisapride)、阿司咪唑(astemizole)及格帕沙星(grepafloxin))已自市场撤回，而诸如硫利达嗪(thioridazine)、氟哌啶醇(haloperidol)、舍吲哚(sertindole)及哌迷清(pimozide)的若干药物由于其对QT时间间隔延长的影响而限制了其用途(Du等人,2009,「Interactions between hERG Potassium Channel and Blockers,」Curr.Top.Med.Chem.,9,330-338；Sanguinetti等人,2006,「hERG Potassium Channels and Cardiac Arrhythmia,」Nature,440,463-469)。所推荐的活体外药物筛选方法包括传统膜片钳技术、放射性标记药物结合分析、86RB-使用分析及来自中国仓鼠卵巢(Chinese hamster ovary；CHO)细胞(Stork等人,2007,「State Dependent Dissociation of HERG Channel Inhibitors,」Br.J.Pharmacol,151,1368-1376)与HEK 293细胞(亦称为293T细胞)的高通量基于细胞的荧光染料与稳定转染hERG1离子通道(Diaz等人,2004,「The[3H]Dofetilide Binding Assay is a Predictive Screening Tool for hERG Blockade and Proarrhythmia:Comparison of Intact Cell and Membrane Preparations and Effects of Altering[K+]o,」J.Pharmacol.Toxicol.Methods.,50(3),187-199)。尽管精心设计的非临床测试显示新颖治疗剂的合理灵敏度且为其建立安全标准，但所有可能候选物的筛选仍极为耗时的且因此增加药物设计的最终成本。分子模拟技术已在针对候选药物对心脏通道蛋白的阻断能力来筛选候选药物方面提供一些导引。举例而言，已公布基于分子对接与分子动力学(molecular dynamics；MD)模拟研究的hERG药物相互作用的基于受体的若干模型(Stansfeld等人,2007,「Drug Block of the hERG Potassium Channel:Insight from Modeling,」Proteins:Struct.Funct.Bioinf.68,568-580；Masetti等人,2007,「Modeling the hERG Potassium Channel in a Phospholipid Bilayer:Molecular Dynamics and Drug Docking Studies,」J.Comp.Chem.,29(5),795-808；Zachariae等人,2009,「Side Chain Flexibilities in 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于选择具有降低心脏毒性风险的化合物的方法，其包含以下步骤：a)使用描述心脏离子信道蛋白结构的结构信息；b)执行该蛋白结构的分子动力学(molecular dynamics；MD)模拟；c)使用丛集算法自该MD模拟识别该蛋白结构的优势构形；d)选择由该丛集算法识别的蛋白结构的优势构形；e)提供描述一或多种化合物的构形异构体的结构信息；f)使用对接算法来对接步骤e)的一或多种化合物的构形异构体与步骤d)的优势构形；g)识别蛋白与化合物的各组合的多个较佳结合构形；h)使用可扩充的MD优化该较佳结合构形；及i)判定在该较佳结合构形中该化合物是否阻断该蛋白的离子通道；其中，若在该较佳结合构形中该化合物阻断该离子通道，则预测该化合物为心脏毒性；或其中，若在该较佳结合构形中该化合物不阻断该离子通道，则预测该化合物具有降低的心脏毒性风险；及其中，基于该化合物具有降低心脏毒性风险的预测来选择该化合物；其中在一或多个处理器上执行该步骤a)至步骤i)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.13 US 61/916,093;2014.08.07 US 62/034,7451.一种用于选择具有降低心脏毒性风险的化合物的方法，其包含以下步骤：a)使用描述心脏离子信道蛋白结构的结构信息；b)执行该蛋白结构的分子动力学(molecular dynamics；MD)模拟；c)使用丛集算法自该MD模拟识别该蛋白结构的优势构形；d)选择由该丛集算法识别的蛋白结构的优势构形；e)提供描述一或多种化合物的构形异构体的结构信息；f)使用对接算法来对接步骤e)的一或多种化合物的构形异构体与步骤d)的优势构形；g)识别蛋白与化合物的各组合的多个较佳结合构形；h)使用可扩充的MD优化该较佳结合构形；及i)判定在该较佳结合构形中该化合物是否阻断该蛋白的离子通道；其中，若在该较佳结合构形中该化合物阻断该离子通道，则预测该化合物为心脏毒性；或其中，若在该较佳结合构形中该化合物不阻断该离子通道，则预测该化合物具有降低的心脏毒性风险；及其中，基于该化合物具有降低心脏毒性风险的预测来选择该化合物；其中在一或多个处理器上执行该步骤a)至步骤i)。2.如权利要求1的方法，其中该心脏离子通道蛋白为膜结合蛋白。3.如权利要求1的方法，其中该心脏离子信道蛋白为电压闸控的。4.如权利要求1的方法，其中该心脏离子通道蛋白为钠、钙或钾离子通道蛋白。5.如权利要求4的方法，其中该心脏离子通道蛋白为钾离子通道蛋白。6.如权利要求5的方法，其中该钾离子通道蛋白为hERG1；其中该hERG1通道经由四个单体次单元的缔合形成为四聚体。7.如权利要求4的方法，其中该心脏离子通道蛋白为钠离子通道蛋白。8.如权利要求7的方法，其中该钠离子通道蛋白为hNav1.5。9.如权利要求4的方法，其中该心脏离子通道蛋白为钙离子通道蛋白。10.如权利要求9的方法，其中该钙离子通道蛋白为hCav1.2。11.如权利要求6的方法，其中该钾离子通道蛋白的可挠性在该单体次单元内或在该单体的相互作用位点的间具有大于100个可变大小的口袋。12.如权利要求1的方法，其中该化合物能够抑制C型肝炎病毒(HCV)感染。13.如权利要求12的方法，其中该化合物为HCV NS3/4A蛋白酶的抑制剂、HCV NS5B聚合酶的抑制剂或HCV NS5a蛋白的抑制剂。14.如权利要求1的方法，其中步骤a)的结构信息为三维(3D)结构。15.如权利要求1的方法，其中步骤a)的结构信息为X射线晶体结构、NMR溶液结构或同源模型。16.如权利要求1的方法，其中在执行步骤b)的MD模拟的前对步骤a)的结构信息进行能量最小化(energy minimization；EM)。17.如权利要求1的方法，其中步骤b)的MD模拟合并内隐或外显溶剂分子及离子分子。18.如权利要求1的方法，其中步骤b)的MD模拟合并具有外显磷脂、溶剂及离子分子的水合脂质双层。19.如权利要求1的方法，其中该MD模拟使用AMBER力场、CHARMM力场或GROMACS力场。20.如权利要求1的方法，其中步骤b)的MD模拟的持续时间大于50ns。21.如权利要求1的方法，其中步骤b)的MD模拟的持续时间大于200ns。22.如权利要求1的方法，其中步骤b)的MD模拟的持续时间为200ns。23.如权利要求1的方法，其中步骤f)的对接算法为DOCK或AutoDock。24.如权利要求1的方法，其中步骤h)的可扩充的MD使用NAMD软件。25.如权利要求1的方法，其进一步包含计算在该相应优化较佳结合构形中该蛋白与化合物的各组合的结合能的步骤。26.如权利要求25的方法，其进一步包含以下步骤：为该蛋白与化合物的各组合选择该优化较佳结合构形中的最低计算结合能，且输出该所选择的计算结合能作为该蛋白与化合物的各组合的预测结合能。27.如权利要求1的方法，其中若在该较佳结合构形中该化合物阻断该离子通道，则该方法进一步包含使用分子模拟算法化学修改该化合物以使得其在该较佳结合构形中不阻断该离子通道的步骤。28.如权利要求27的方法，其进一步包含对该经修改的化合物重复步骤e)至步骤i)。29.如权利要求25的方法，其进一步包含在活体外生物分析中测试该化合物或经修改的化合物的心脏毒性。30.如权利要求29的方法，其中该活体外生物分析包含高通量筛选钾离子通道及转运体活性。31.如权利要求29的方法，其中该活体外生物分析为hERG1通道抑制分析。32.如权利要求29的方法，其中该活体外生物分析为FluxORTM钾离子通道分析。33.如权利要求32的方法，其中对稳定表现hERG1的HEK 293细胞或小鼠心肌细胞细胞株HL-1细胞执行该FluxORTM钾通道分析。34.如权利要求29的方法，其中该活体外生物分析包含单细胞中的电生理学量测，而该电生理学量测包含膜片钳量测。35.如权利要求34的方法，其中该单细胞为经hERG1稳定转染的中国仓鼠卵巢细胞。36.如权利要求34的方法，其中该活体外生物分析为Cloe筛选IC50hERG1安全分析。37.如权利要求25的方法，其进一步包含通过量测野生型小鼠或表现人类hERG1的转殖基因动物模型中的ECG在活体内测试该化合物或经修改的化合物的心脏毒性。38.一种用于设计化合物以降低心脏毒性风险的处理器实施系统，其包含：一或多个计算机可读媒体，其用于储存心脏离子信道蛋白的蛋白结构信息代表及用于储存描述化合物的构形异构体的化合物结构信息；网格计算系统，其包含多个处理器实施计算节点及一个处理器实施中央协调器，该网格计算系统自该一或多个计算机可读媒体接收该储存的蛋白结构信息及该储存的化合物结构信息；该网格计算系统使用该接收的蛋白结构信息来执行分子动力学模拟以历经大于50ns模拟时长确定靶蛋白可挠性的构形；其中，该分子动力学模拟涉及基于近似分子内力的经验力场确定作用于原子的力的各计算节点；其中执行数值积分以更新原子的位置及速度；其中，该中央协调器基于各计算节点确定的该原子的更新位置及速度形成分子动态轨迹；该网格计算系统经结构设计(configured)以：将该分子动态轨迹丛集成该蛋白的优势构形；执行对接算法，其使用该化合物的结构信息以对接该化合物的构形异构体与该蛋白的优势构形；基于与对接化合物的构形异构体相关的信息识别蛋白与化合物的各组合的多个较佳结合构形；储存于内存中的数据结构，其包括阻断该蛋白的离子通道的经识别多个较佳结合构形中的一或多个的信息；由此，基于阻断该离子信道的信息，重新设计该化合物以降低心脏毒性风险。39.如权利要求38的系统，其中该一或多个计算机可读媒体相对于该网格计算系统本地(locally)或远程定位；该网格计算系统直接或间接自该一或多个计算机可读媒体接收该储存的蛋白结构信息及该储存的化合物结构信息。40.如权利要求39的系统，其中该计算机可读媒体中的至少一个相对于该网格计算系统本地定位；其中该计算机可读媒体中的至少一个相对于该网格计算系统远程定位；该网格计算系统直接或间接自该一或多个计算机可读媒体接收该储存的蛋白结构信息及该储存的化合物结构信息。41.如权利要求38的系统，其中该内存为挥发性内存、非挥发性内存或其组合。42.如权利要求38的系统，其中该计算节点含有多核处理器以执行该分子动力学模拟。43.如权利要求42的系统，其中该计算节点管理该多核处理器上的线程(thread)执行且包括共享内存；其中线程在核心处理器上执行。44.如权利要求43的系统，其中该中央协调器在多核处理器上操作且提供命令及资料至该多个计算节点。45.如权利要求38的系统，其中该蛋白结构信息为三维(3D)结构。46.如权利要求38的系统，其中该蛋白结构信息为X射线晶体结构、NMR溶液结构或同源模型。47.如权利要求38的系统，其中该模拟时长大于200ns。48.如权利要求38的系统，其中储存于该数据结构中的关于阻断该离子信道的信息包括阻断位点及非阻断位点的识别。49.如权利要求48的系统，其中阻断位点及非阻断位点的识别提供与心脏毒性相关的预测信息。50.如权利要求49的系统，其中若在该较佳结合构形中该化合物不阻断该离子通道，则预测该化合物具有降低的心脏毒性风险；其中，若在该较佳结合构形中该化合物阻断该离子通道，则预测该化合物为心脏毒性。51.如权利要求38的系统，其中该心脏离子通道蛋白为膜结合蛋白。52.如权利要求38的系统，其中该心脏离子信道蛋白为电压闸控的。53.如权利要求38的系统，其中该心脏离子通道蛋白为钠、钙或钾离子通道蛋白。54.如权利要求38的系统，其中该心脏离子通道蛋白为钾离子通道蛋白。55.如权利要求54的系统，其中该钾离子通道蛋白为hERG1；其中该hERG1通道经由四个单体次单元的缔合形成为四聚体。56.如权利要求54的系统，其中该心脏离子通道蛋白为钠离子通道蛋白。57.如权利要求56的系统，其中该钠离子通道蛋白为hNav1.5。58.如权利要求54的系统，其中该心脏离子通道蛋白为钙离子通道蛋白。59.如权利要求58的系统，其中该钙离子通道蛋白为hCav1.2。60.如权利要求54的系统，其中该钾离子信道蛋白的结构涵盖1020个胺基酸残基。61.如权利要求54的系统，其中该钾离子通道蛋白的可挠性在该单体次单元内或在该单体的相互作用位点的间具有大于100个可变大小的口袋。62.如权利要求55的系统，其中储存于该数据结构中的关于阻断该离子信道的信息包括阻断位点及非阻断位点的识别；其中当(i)该hERG1通道内的口袋分类为阻断位点及(ii)配位体适合在该口袋内且于预定结合亲和力水平内时，该数据结构中的信息指示潜在的心脏危...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·霍顿，杰克·A·图津斯基，哈立德·巴拉卡特，安瓦尔·穆罕默德，
申请(专利权)人：艾伯塔大学校董事会，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA