Univerza na Primorskem
Fakulteta za matematiko, naravoslovje in informacijske tehnologije
Več informacij o projektu / More info about the project
Opis / Description
SLO:
Opioidi so ključni pri lajšanju zmernih in hudih bolečin pri boleznih, kot je rak, in pri travmatskih poškodbah. Vendar so povezani s hudimi neželenimi učinki, zlasti z upočasnitvijo dihanja, kar lahko vodi v smrt. Velik zasvojitveni potencial opioidov je povezan z njihovo pogosto zlorabo, kar je vodilo v krizo predoziranja z opioidi, ki je samo v letu 2020 v ZDA povzročila več kot 70.000 smrti. Posledično obstaja velika potreba po novih opioidih z blažjimi stranskimi učinki.
V ta namen bo predlagani raziskovalni projekt uporabil najsodobnejše komplementarne računalniške in eksperimentalne tehnike za koreliranje struktur opioidov in vzorcev njihove vezave z njihovimi farmakološkimi aktivnostmi in neželenimi stranskimi učinki. Takšno znanje je ključnega pomena za načrtovanje varnejših opioidov.
Uporabljene bodo različne računalniške metode za razlago mehanizmov, ki vodijo do tega, da opioidi aktivirajo z G proteinom povezan μ-opioidni receptor (MOR). Slednji predstavlja najpomembnejšo podvrsto receptorja tako glede analgezije kot neželenih stranskih učinkov. Uporabili bomo lastno-razvit algoritem ProBiS-Dock za identifikacijo vezavnih poz opioidov.
Simulacije molekulske dinamike (MD) bodo uporabljene za identifikacijo vzorcev dinamične vezave, s čimer bodo pridobljene informacije o tem, kako nastajajo in se prekinjajo nekovalentne interakcije med opioidi in MOR v odvisnosti od časa.
Pred kratkim so naši sodelavci razvili nov derivat fentanila – NFEPP, ki predstavlja potencialno bolj varen analgetik. Ker morajo biti opioidi pozitivno nabiti, da so aktivni, nizek pKa NFEPP v primerjavi z drugimi opioidi omogoča selektivno aktivacijo MOR le pri nizkem pH, ki je značilen za vneta tkiva na periferiji. NFEPP je torej aktiven pri izvoru bolečinskega signala, obide pa aktivacijo v centralnem živčnem sistemu. Zato predlagamo izvajanje MD simulacij v sistemih, značilnih za kisla pH okolja. MD simulacije bodo uporabljene tudi za izvedbo izračunov proste vezavne energije opioidov, ki so neposredno primerljive z eksperimentalno določenimi inhibicijskimi konstantami. Zaradi našega predhodno razvitega postopka za pridobivanje parametrov polja sil za opioide smo v edinstvenem položaju za izvajanje MD simulacij z neprimerljivo natančnostjo. Dinamični vezavni vzorci, dobljeni s simulacijami MD, bodo združeni v grupe, in sicer z namenom identifikacije strukturnih in vezavnih lastnosti, ki vodijo do podobnih farmakoloških aktivnosti in neželenih stranskih učinkov. Prav tako bomo uporabili zelo natančne kvantno-mehanske simulacije v eksplicitnem vodnem okolju z namenom obravnave pomena torzijskih deformacij v opioidih. Te bodo zagotovile nizkoenergijske konformacije fleksibilnih opioidov. Takšne konformacije bodo služile kot primerjalne strukture za validacijo struktur, pridobljenih z molekulskim sidranjem in MD, saj nizkoenergijske konformacije pogosto ustrezajo tistim, ki se vežejo na receptor.
Pred kratkim so naši sodelavci razvili nov derivat fentanila – NFEPP, ki predstavlja potencialno bolj varen analgetik. Ker morajo biti opioidi pozitivno nabiti, da so aktivni, nizek pKa NFEPP v primerjavi z drugimi opioidi omogoča selektivno aktivacijo MOR le pri nizkem pH, ki je značilen za vneta tkiva na periferiji. NFEPP je torej aktiven pri izvoru bolečinskega signala, obide pa aktivacijo v centralnem živčnem sistemu. Zato predlagamo izvajanje MD simulacij v sistemih, značilnih za kisla pH okolja. MD simulacije bodo uporabljene tudi za izvedbo izračunov proste vezavne energije opioidov, ki so neposredno primerljive z eksperimentalno določenimi inhibicijskimi konstantami. Zaradi našega predhodno razvitega postopka za pridobivanje parametrov polja sil za opioide smo v edinstvenem položaju za izvajanje MD simulacij z neprimerljivo natančnostjo. Dinamični vezavni vzorci, dobljeni s simulacijami MD, bodo združeni v grupe, in sicer z namenom identifikacije strukturnih in vezavnih lastnosti, ki vodijo do podobnih farmakoloških aktivnosti in neželenih stranskih učinkov. Prav tako bomo uporabili zelo natančne kvantno-mehanske simulacije v eksplicitnem vodnem okolju z namenom obravnave pomena torzijskih deformacij v opioidih. Te bodo zagotovile nizkoenergijske konformacije fleksibilnih opioidov. Takšne konformacije bodo služile kot primerjalne strukture za validacijo struktur, pridobljenih z molekulskim sidranjem in MD, saj nizkoenergijske konformacije pogosto ustrezajo tistim, ki se vežejo na receptor.
Medtem, ko je podrobne farmakološke podatke in profile neželenih učinkov za uveljavljene opioide mogoče pridobiti iz znanstvene literature, to ne velja za novo razvite spojine. Za določitev ustreznih farmakoloških profilov, s katerimi bi lahko korelirali naše podatke, bomo izvedli in vitro testiranja vezave opioidov na MOR kot tudi meritve posledične aktivacije proteina G.
Za pridobitev celostnega farmakološkega profila bo opravljeno in vivo testiranje z uporabo podganjih modelov bolečine in analgezije.
Končni cilj je vzpostaviti standardiziran postopek, ki bi omogočil korelacijo katerekoli strukture opioidov z njegovim farmakološkim profilom, saj bo to omogočilo farmacevtskim kemikom, da se osredotočijo na (pod)strukture, katerih farmakološki profili kažejo na večjo varnost.
EN:
Opioids represent crucial drugs in the treatment of moderate and severe pain associated with diseases such as cancer and with traumatic injuries. They are, however, associated with severe adverse side effects, notably respiratory depression, which can lead to death. The high addiction potential of opioids is related to their frequent abuse, which has led to the opioid overdose crisis, resulting in over 70,000 deaths in the U.S. in 2020 alone. Therefore, there is a strong need for novel opioids with milder side effects.
To this end, the proposed research project will employ complementary state-of-the-art computational and experimental techniques to correlate opioid structural and binding patterns with their pharmacological activities and adverse side effects. Such knowledge is crucial for the future design of safer opioids.
Several computational methods will be used to discern the biological phenomena leading to opioid activation of the μ-opioid receptor (MOR), which represents the most important receptor subtype with respect to both analgesia and adverse side effects. We will use the in-house developed ProBiS-Dock algorithm to identify opioid binding poses.
Molecular dynamics (MD) simulations will be used to identify dynamic binding patterns, thus obtaining information on how non-covalent interactions between opioids and MOR are formed and broken over time.
Recently, a potentially safer opioid was developed by our collaborators—a fentanyl derivative, NFEPP. Because opioids must be positively charged to be active, the low pKa of NFEPP compared to other opioids allows for selective activation of MOR only at low pH, which is characteristic of inflamed tissues in the periphery. NFEPP is therefore active at the source of pain signaling while bypassing activation in the central nervous system (CNS).
Therefore, we will also perform MD simulations in systems characteristic of acidic pH environments. MD simulations will also be used to perform rigorous free-energy calculations of opioid binding, which are directly comparable with experimentally determined inhibition constants. Due to our previously developed automatic procedure for obtaining force-field parameters for opioids, we are in a unique position to perform MD simulations with unprecedented accuracy.
The dynamic binding patterns obtained from the MD simulations will be clustered to identify structural and binding features that lead to similar pharmacological activities and adverse side effects.
Moreover, we will employ high-accuracy quantum-mechanical simulations in explicit water to address the importance of torsional strain in opioids. These simulations will provide low-energy conformations of flexible opioids, which will serve as comparative structures for validating the structures obtained by molecular docking and MD, as low-energy conformations often correspond to those that complement the receptor.
Whereas detailed pharmacological data and adverse side-effect profiles for established opioids can be obtained from the scientific literature, this is not the case for newly developed compounds. To establish the appropriate pharmacological profiles against which our data could be correlated, we will perform in vitro testing of opioid binding, as well as measurements of the subsequent G protein activation.
To obtain a comprehensive pharmacological profile, in vivo testing will be performed using rat models of pain and analgesia.