Prediktion av läkemedelsabsorption i dator Per Artursson & Patric Stenberg Avdel. för galenisk farmaci Inst. För farmaci Box 580, BMC 751 23 Uppsala Projekt: 2/97, 3/98, 3/99 Nyckelord: Läkemedelsabsorption, tarm, datormodell, Caco-2 celler, cellinje, humant tarmepitel Målsättningen med projektet är att prediktera läkemedelsabsorption i tarm. Genom att etablera samband mellan läkemedels absorptionsegenskaper och molekylära egenskaper kan upptaget av nya läkemedel predikteras. Beräkningarna av läkemedelsmolekylernas egenskaper utförs i dator. Absorptionsegenskaperna bestäms huvudsakligen i cellmodeller av humant tarmepitel; alternativt används publicerade uppgifter om läkemedelsabsorption i olika in vitro och in vivo modeller. Eftersom de strukturella egenskaperna kan beräknas teoretiskt innebär detta att nya läkemedels absorptionegenskaper kan utvärderas på ett tidigt stadium i läkemedelsutvecklingen och onödiga absorptionsförsök i djurmodeller kan minimeras. Prediktion av läkemedelsabsorption utifrån molelylära egenskaper. Under perioden 1999/2000 har ett större antal läkemedel studerats med avseende på molekylära egenskaper och permeabilitet. Studier av molekylära egenskapers betydelse för absorption i Caco-2 Vi har bestämt transporthastigheter genom monolager av Caco-2-celler (Pc) för 27 strukturellt olika läkemedel. Dessa hastighetsmått har visat sig korrelera väl med läkemedelstransport i human tarm in vivo. 1 Molekylära egenskaper som teoretiskt bestämts med sju olika metoder har undersökts med avseende på deras förmåga att prediktera Pc. Denna utvärdering visar att man väsentligen kan öka genomströmningen i en datorbaserad screen av Pc genom att använda en snabb fragmentbaserad metod istället för en som kräver kvantmekaniska beräkningar; och detta utan att göra avkall på prediktionsförmågan (Tabell I) 2. Av tabellen framgår att prediktionsförmågan hos fragmentmetoder (elektrotopologiska index), kvantmekaniska metoder och molekylmekaniska metoder (ytareor) är likvärdig trots stora skillnader i beräkningstid. Enkel uppräkning av antal vätebindande atomer (vätebindningsantal) tycks dock medföra osäkrare prediktioner. När det gäller molekylära ytareor tycks den resurskrävande konformationssökning som resulterar i dynamiska egenskaper vara överflödig. Man kan därför spara mycket tid (dagar-veckor per molekyl) genom att bestämma statiska ytareor med ett förenklat förfarande. Se avsnittet nedan vad gäller sammansatta versus uppdelade ytor.
Tabell I. Kvalitativ jämförelse av tidsåtgång, tolkbarhet och prediktionsförmåga för de undersökta beräkningsmetoderna. Beräkning av deskriptorer a Tolkbarhet b Prediktionsförmåga c Vätebindningsantal ms 3 1 Elektrotopologiskt index ms 1 3 Statiska ytareor, sammansatta ms 1 2 Statiska ytareor, uppdelade ms 2 3 Kvantmekanik timmar-dagar 1 3 Dynamiska ytareor, sammansatta timmar-veckor 1 2 Dynamiska ytareor, uppdelade timmar-veckor 2 3 a Anger tidsåtgång för beräkning av deskriptorer från 2D-struktur. Innebär i vissa fall generering av 3Dstruktur, konformationssökning eller vågfunktion. b Tolkbarhet anger hur lätt det är att överföra modellens prediktioner till strukturinformation som kan användas för design eller optimering av läkemedel. Metoderna har tilldelats siffran 1 till 3 där 3 betyder att tolkbarheten är god. c Prediktionsförmåga baserar sig på hur väl metoderna predikterar Pc. Metoderna har tilldelats siffran 1 till 3 där 3 betyder att prediktionsförmågan är god. Ytterligare förfining av begreppet polär yta Sedan vi införde polär yta (PSA) som en deskriptor för transport genom tarmmembran har ett stort antal läkemedelsföretag och akademiska institutioner med framgång korrelerat PSA till läkemedelstransport (se till exempel referens 3 5). För att göra denna sammansatta deskriptor mer lättolkad, och därmed mer användbar för läkemedelsutveckling, har vi delat upp den i välkända fysikalkemiska egenskaper. För dessa studier har vi använt oss av en kvantmekanisk metod för generering av molekylegenskaper. Resultaten visar att PSA framför allt representerar vätebindningsantal (figur 1) 2. Genom att på detta sätt bryta ner PSA i sina fysikal-kemiska beståndsdelar tror vi att denna deskriptor kan finna ett bredare applikationsområde inom strukturoptimering, och även göra det möjlig att utveckla nya, snabba prediktionsmodeller baserade på de av PSA beskrivna egenskaperna som t.ex. vätebindingsantal.
Figur 1. Kvantmekanisk bekrivning av polär yta (PSA) med hjälp av multivariat statistik. VIP-plotten visar den relativa betydelsen av beräknade molekylegenskaper för beskrivning av PSA där ett högt värde representerar en betydelsefull deskriptor. Grafen visar en dominerande betydelse av vätebindningsantal. De deskriptorer som användes för att beskriva PSA var antalet vätebindningsdonerande väteatomer (#HBD), antalet syreatomer (#HBAo), den totala vätebindningsaccepterande styrkan (SumHBA), styrkan av vätebindningsaccepterandesyren (HBAo), storleken av den isoelektriska svagt positiva (weakly pos.) eller negativa (weakly neg.) ytan, polariteten, Lewis syra-styrkan, storleken av den isoelektriska starkt positiva (strongly pos.) eller negativa (strongly neg.) ytan, den totala isoelektriska ytan (surface), polariserbarheten (polaris.), antalet kväveatomer (#HBAn) och fördelningskoefficienten mellan vatten och heptan (logp h/w). Genom att P c för ett flertal föreningar bestämts är det möjligt att beräkna enskilda ytareors inverkan på tarmabsorptionen. Tidigare studier av analoga serier av läkemedel har visat att man genom att ta hänsyn till den icke-polära ytarean (NPSA) erhåller bättre prediktioner av läkemedelstransport än om endast den polära ytan (PSA) beaktas. 6,7 Den experimentella databas som vi byggt upp under det gångna året uppvisar emellertid en större strukturell diversitet och varken PSA eller kombinationen av PSA och NPSA ger en bra beskrivning av permeabiliteten för dessa föreningar (figur 2). Figur 2. Samband mellan permeabilitet i Caco-2 celler (Pc) och (A) polär yta (PSAd) eller (B) en linjär kombination av polär och icke-polär yta (PSAd-0.06*NPSAd).
Vi lyckades istället beskriva permeabiliteten genom att dela upp den molekylära ytan i mindre beståndsdelar. 1 Modellen tränades på 17 av föreningarna i datasettet medan de tio återstående användes som externt testset för att utvärdera modellen. Den modell som vi konstruerat genom multivariat analys av dessa förfinade ytegenskaper uppvisar goda deskriptiva (R 2 =0.95; korsvaliderad R 2 =0.86) och prediktiva (RMSE för externt testset=1.15) egenskaper (figur 3) 2. Figur 3. Samband mellan beräknad och observerad permeabilitet i Caco-2 celler (P c ). P c beräknades med hjälp av uppdelade molelylytor som beskrivs i texten. Föreningarna i tränings- och testsetten betecknas med o respektive x. Eftersom de olika atomtypernas individuella påverkan på P c kan utläsas av modellen blir resultaten från denna metod mer lättolkade än de från sammansatta ytor som PSA och NPSA (Tabell I). Därmed har de mål som utstakades i 1999 års ansökan uppnåtts. 1 De uppdelade ytareor som användes var: PSA, andel PSA av totalytan, dubbelbundet syre, sp3-hybridiserat kväve, väte bundet till syre, sp3-hybridiserat kol, enkelbundet syre, total NPSA och mättad NPSA.
Referenser (1) Artursson, P; Karlsson, J. Correlation between oral drug absorption in humans and apparent drug perrneability coefficients in human intestinal epithelial (Caco-2) cells. Biochem. Biophys. Res. Commun. 1991, 175, 880 885. (2) Stenberg, P.; Norinder, U.; Luthman, K.; Artursson, P. Prediction of intestinal drug permeability: devising efficient experimental and computational screening models. 2000. (3) Kelder, J.; Grootenhuis, P. D.; Bayada, D. M.; Delbressine, L. P.; Ploemen, J. P. Polar molecular surface as a dominating determinant for oral absorption and brain penetration of drugs. Pharm. Res. 1999, 16, 1514 1519. (4) Pickett, S. D.; McLay, I. M.; Clark, D. E. Enhancing the hit-to-lead properties of lead optimization libraries. J. Chem. Inf. Comput. Sci. 2000, 40, 263 272. (5) Krarup, L. H.; Christensen, I. T.; Hovgaard, L.; Frokjaer, S. Predicting drug absorption from molecular surface properties based on molecular dynamics simulations. Pharm.Res. 1998, 15, 972 8. (6) Stenberg, P.; Luthman, K.; Artursson, P. Prediction of membrane permeability to peptides from calculated dynamic molecular surface properties. Pharm. Res. 1999, 16, 205 212. (7) Stenberg, P.; Luthrnan, K., Ellens, H., Lee, C.-P.; Smith, P. L.; Lago, A.; Elliott, J. D.; Artursson, P. Prediction of the intestinal absorption of endothelin receptor antagonists using three theoretical methods of increasing complexity. Pharm. Res. 1999, 16, 1520 1 526.