Badania molekularne odkrywają tajemnice interakcji leków z ACE2

Jak molekularne badania odkrywają tajemnice interakcji leków z ACE2?

Badanie in silico przeprowadzone przez zespół badawczy koncentruje się na interakcji między enancjomerami chlorochiny (CQ) i hydroksychlorochiny (HCQ) z enzymem konwertującym angiotensynę 2 (ACE2), który jest receptorem dla wirusa SARS-CoV-2. Pomimo braku rekomendacji ze strony organów regulacyjnych dotyczących stosowania tych leków w leczeniu COVID-19, ich potencjalna rola w chemoprofilaktyce nadal budzi zainteresowanie naukowców.

Badanie wykorzystuje zaawansowane techniki modelowania molekularnego do analizy interakcji między enancjomerami CQ i HCQ a receptorem ACE2. Wcześniejsze badania wykazały, że enancjomer (R) HCQ może wykazywać większą skuteczność przeciwwirusową w porównaniu do enancjomeru (S), z istotnie wyższą aktywnością antywirusową (EC50 = 3,05 μM vs 5,38 μM). Jednocześnie raportowano, że enancjomer (S) HCQ może wykazywać wyższą toksyczność ostrą in vivo. Farmakokineyka HCQ jest również enancjoselektywna, z wyższymi stężeniami enancjomeru (R) we krwi i stereoselektywnym metabolizmem prowadzącym do wyższych stężeń metabolitów enancjomeru (S).

Oba leki, CQ i HCQ, zachowują się jako słabe zasady amfifilowe. HCQ zawiera trzy podstawowe grupy funkcyjne z odpowiednimi wartościami pKa wynoszącymi 4,0 (azot aromatyczny), 8,3 (azot typu aniliny) i 9,7 (azot trzeciorzędowej aminy) dla ich skoniugowanych kwasów. CQ wykazuje podobne wartości pKa: 4,0 (azot aromatyczny), 8,4 (azot typu aniliny) i 10,2 (azot trzeciorzędowy). Te właściwości kwasowo-zasadowe są istotne dla zbadania aktywności tych leków przeciwko ACE2.

Wykorzystując narzędzie DoGSiteScorer, badacze zidentyfikowali główne obszary interakcji między CQ/HCQ a receptorem ACE2. Wykryto trzy główne miejsca wiązania, oznaczone jako α, β i γ. Miejsce β wykazało najwyższy potencjał farmakologiczny (0,8) i objętość 2644,33 ų, z obszarem 2770,26 Ų i głębokością 34,39 Å, sięgającym poza region miejsca katalitycznego. Wyraźne aminokwasy zidentyfikowane w miejscu wiązania zostały sklasyfikowane jako polarne (42%), niepolarne (38%) i naładowane (20%), zlokalizowane w regionie poddomeny I, która jest związana z ruchem zawiasowym ACE2.

Czy enancjomer (R) zapewnia lepszą skuteczność wiązania?

Badanie dokowania molekularnego wykazało, że miejsce β ma preferencję dla enancjomerów o konfiguracji (R), podczas gdy miejsca α i γ wykazują wyższe powinowactwo do enancjomeru (S) CQ i HCQ. W przypadku CQ, enancjomer (R) przyjmuje konformację rozszerzoną, gdzie pierścień chinolinowy dobrze pasuje do hydrofobowej wnęki kieszeni i jest stabilizowany przez niekowalencyjne oddziaływanie przyciągające π-π z resztą aminokwasową Tyr-127. Dodatkowo, ta konformacja jest stabilizowana przez elektrostatyczne oddziaływania przyciągające z resztą Asp-335. Zaobserwowano również tworzenie wiązania wodorowego między drugorzędową grupą aminową N a grupą tiolową w Cys-344. Te stabilizujące interakcje z enancjomerem (R) zapewniają wartość energii swobodnej wiązania -11,32 kcal/mol, ki = 0,005 µM i 16% liczby póz. Dla porównania, enancjomer (S) wykazał powinowactwo -10,13 kcal/mol, ki = 0,014 µM i 6% liczby póz.

W przypadku HCQ, enancjomer (R) przyjmuje konformację zgiętą w wyniku dwóch zbieżnych stabilizujących interakcji: wiązania wodorowego między grupą karboksylową Glu-145 a drugorzędnym azotem w HCQ oraz oddziaływania elektrostatycznego między tą samą resztą Glu-145 a protonowanym trzeciorzędowym azotem w ligandzie HCQ. Te stabilizujące interakcje zapewniają wartość energii swobodnej wiązania -10,43 kcal/mol, ki = 0,022 µM i 19% liczby póz. Enancjomer (S) HCQ również przyjmuje konformację zgiętą, ale z słabszymi oddziaływaniami typu π-anion między pierścieniem chinolinowym a grupą karboksylową reszty aminokwasowej, co daje energię wiązania -9,23 kcal/mol, ki = 0,171 μM i 12% liczby póz.

Jak symulacje dynamiki molekularnej uzupełniają model dokowania?

Badacze przeprowadzili również dokowanie elastyczne z uwzględnieniem cząsteczek wody, aby lepiej odzwierciedlić warunki fizjologiczne. W tym modelu, enancjomer (R) CQ uczestniczy w tworzeniu wiązań wodorowych z mostkującą wodą między resztami Ser-128 i Asp-335, co daje energię stabilizacji -12,62 kcal/mol, ki = 500 pM i 12% liczby póz. Z kolei enancjomer (S) CQ tworzył dwa mostki wodne, jeden między Tyr-127 a protonowanym azotem drugorzędowym, a drugi między Glu-145 a protonowanym azotem trzeciorzędowym, co daje energię stabilizacji -11,48 kcal/mol, ki = 3000 pM i 2% liczby póz.

Symulacje dynamiki molekularnej (MD) potwierdziły preferencyjną selektywność miejsca β dla enancjomerów o konfiguracji (R). Analiza RMSD wykazała, że z ligandem 2RCQ cała trajektoria sprzężenia ligandu stabilizuje się po 50 ns, podczas gdy 2SCQ stabilizuje się po 75 ns, co wskazuje, że enancjomer (R) chlorochiny szybciej adaptuje się do aktywnej kieszeni w ACE2. W przypadku pary enancjomerycznej hydroksychlorochiny 2RHCQ/2SHCQ, proces osiągnął stabilizację już po 20 ns, co sugeruje, że wiązanie wodorowe z udziałem grupy hydroksylowej obniża energię aktywacji wiązania.

Jakie wyniki przynosi analiza sił oddziaływań między ligandami a ACE2?

Analiza fluktuacji średniokwadratowej (RMSF) wykazała niewielką, ale znaczącą różnicę między ligandami enancjomerycznymi w odniesieniu do fluktuacji w kieszeni interakcji, pokazując większe fluktuacje dla gatunków o konfiguracji (R). Większe fluktuacje zaobserwowano w resztach położonych daleko od miejsca β i domeny DP, szczególnie w bardziej elastycznych regionach, gdzie zlokalizowane są pętle, zwroty i spirale.

Oddziaływania wiązań wodorowych odgrywają istotną rolę w stabilizacji kompleksów białko-ligand. W przypadku enancjomeru (R) CQ, zaobserwowano częstotliwość 73,6% tych oddziaływań po 30 ns, podczas gdy 2SCQ miał wyższą częstotliwość 88,6% przed 60 ns. Dla pary enancjomerycznej 2HCQ, analiza wykazała powinowactwo enancjomeru (R) z częstotliwością 61,8% po 30 ns, w porównaniu do 40,42% dla enancjomeru (S).

Obliczenia MM-PBSA ujawniają, że zarówno enancjomery 2CQ, jak i 2HCQ wykazują znaczące powinowactwo do miejsca wiązania. W przypadku 2CQ oba enancjomery (R i S) wykazują podobne całkowite energie swobodne wiązania (-32,21 ± 6,62 kcal/mol i -33,22 ± 3,91 kcal/mol, odpowiednio), podczas gdy dla 2HCQ, enancjomer (R) wykazuje nieco wyższe powinowactwo (-39,04 ± 6,09 kcal/mol) w porównaniu do enancjomeru (S) (-36,52 ± 4,46 kcal/mol). W obu przypadkach, korzystne oddziaływania van der Waalsa i elektrostatyczne kompensują niekorzystną desolwatację, umożliwiając wiązanie.

Jakie perspektywy kliniczne niosą ze sobą te odkrycia?

Badanie to dostarcza szczegółowego wglądu w molekularne interakcje leżące u podstaw wiązania enancjomerów CQ i HCQ do ACE2, co może być kluczowe dla zrozumienia skuteczności i selektywności. Wyniki sugerują, że ACE2 wykazuje selektywność dla enancjomerów o konfiguracji (R) w miejscu β, co prowadzi do stabilności konformacyjnej kompleksów ligand-ACE2 po 45 ns symulacji. ACE2 ma wyższe powinowactwo do HCQ niż CQ, co potwierdza jego potencjał jako inhibitora SARS-CoV-2. Enancjomer (R) HCQ wiąże się bardziej efektywnie z ACE2 poprzez elektrostatyczne oddziaływania wiązań wodorowych, co skutkuje zwiększoną aktywnością. Natomiast enancjomery (R) i (S) CQ mają podobną aktywność. Wiązanie ligandu nie indukuje znaczących zmian konformacyjnych w ACE2.

Wyniki te podkreślają znaczenie uwzględniania enancjoselektywności przy opracowywaniu leków przeciwko SARS-CoV-2. Głębsze zrozumienie interakcji między HCQ a ACE2, a także enancjoselektywnej farmakokinetyki i farmakodynamiki HCQ, jest niezbędne do opracowania bezpieczniejszych i bardziej skutecznych leków. Badanie to dostarcza molekularnych podstaw do zrozumienia różnic w wiązaniu i aktywności enancjomerów (R) i (S) HCQ, co może być przydatne przy projektowaniu nowych leków i optymalizacji ich skuteczności i bezpieczeństwa.

Podsumowanie

Badania in silico koncentrują się na analizie interakcji między enancjomerami chlorochiny i hydroksychlorochiny a receptorem ACE2, kluczowym dla wirusa SARS-CoV-2. Wykorzystując zaawansowane techniki modelowania molekularnego, zidentyfikowano trzy główne miejsca wiązania (α, β, γ), z których miejsce β wykazało najwyższy potencjał farmakologiczny. Enancjomery o konfiguracji (R) wykazują lepsze właściwości wiązania w miejscu β, podczas gdy miejsca α i γ preferują enancjomery (S). Hydroksychlorochina wykazuje wyższe powinowactwo do ACE2 niż chlorochina, a jej enancjomer (R) wiąże się najefektywniej poprzez oddziaływania elektrostatyczne i wiązania wodorowe. Symulacje dynamiki molekularnej potwierdziły te obserwacje, wykazując szybszą stabilizację kompleksów z enancjomerami (R). Te odkrycia mają istotne znaczenie dla rozwoju skuteczniejszych i bezpieczniejszych leków przeciwko SARS-CoV-2.