Introduzione
Il Centro per la progettazione computerizzata di farmaci NFCR è un "centro
virtuale" fondato da Bethesda, Fondazione Nazionale per la Ricerca sul Cancro
con sede nel Maryland (http://www.nfcr.org/).
E' diretto dal Professor Graham Richards
(Università di Oxford, Regno Unito) e coinvolge delle unità satellite in Spagna,
Portogallo, Inghilterra e Italia, collegate tramite internet (http://www.chem.ox.ac.uk/ccdd/ccdd.html).
Questi gruppi hanno uno scopo in comune: la progettazione di piccole molecole
quali potenziali farmaci che legano ed inibiscono l'azione delle proteine
coinvolte nel cancro, oppure hanno come proprio obiettivo gli acidi nucleici.
Internet ed il World Wide Web vengono usati per rendere immediata l'interazione
fra i ricercatori; pertanto ogni unità ha accesso ad un insieme di competenze
e di strutture che non potrebbero essere raggruppate in un'unica località.
Tutti i gruppi sono impegnati nel progetto più importante del centro. Si tratta
dell'ampiamente pubblicizzato progetto screensaver, finalizzato a selezionare
3,5 miliardi di piccole molecole quali potenziali inibitori di 16 proteine
che rappresentano l'obiettivo attuale dell'industria farmaceutica (http://www.ud.com).
Lo sviluppo di un nuovo farmaco costituisce un processo in più fasi. Prima
di tutto deve essere identificato un enzima o un recettore che sia implicato
in una patologia. In secondo luogo, deve essere stabilita la struttura dell'enzima
o recettore. Infine deve essere progettata e sintetizzata una molecola che
possa legarsi strettamente all'enzima o recettore. La crescita esponenziale
dell'informazione derivante dalla clonazione, sistemazione in frequenza ed
espressione di una varietà di recettori, sul piano della sperimentazione,
e l'aumentata disponibilità di computer veloci, unitamente al miglioramento
delle metodologie computerizzate, sul piano teorico, permettono l'indagine
teorica di caratteristiche strutturali e funzionali di grosse proteine, consentendo
ai ricercatori di fare un passo avanti nella comprensione dei meccanismi innescati
dal riconoscimento molecolare e comportanti una trasduzione di segnale. Questa
conoscenza può essere sfruttata per ottimizzare l'energia di legame della
piccola molecola al suo recettore e ridurre di conseguenza il dosaggio richiesto
per il farmaco, oppure per tracciare all'interno del farmaco un elevato livello
di selettività verso il sito di legame del recettore suo obiettivo o verso
il sito attivo enzimatico.
La ricerca dell'unità satellite italiana si concentra sulla definizione e
determinazione dei descrittori molecolari teorici per piccole molecole biologicamente
attive e sul loro confronto sul piano della capacità predittiva e dell'interpretabilità
fisica. Il problema di relazionare la struttura all'attività, al fine di ottenere
dei modelli di relazione quantitativa struttura-attività (QSAR) facilmente
interpretabili in termini di concetti reattivi e di interazioni intermolecolari,
è di fondamentale importanza nella progettazione di farmaci.
A tale riguardo, simulazioni computerizzate di interazioni legante-recettore
o proteina-proteina consentono la definizione di descrittori di interazione
intermolecolare che possiedono un elevato contenuto di informazioni e possono
essere d'aiuto, tramite la formulazione di modelli statistici, alla razionalizzazione
delle risposte biologiche osservate (affinità, selettività, efficacia, ecc.).
Pertanto sono possibili la predizione di proprietà biologiche prima della
fase sperimentale ed il suggerimento di ulteriori linee di indagine sperimentale.
Infatti, gli studi teorici sono finalizzati a fare da complemento alla sperimentazione,
offrendo una comprensione meccanicistica ad un livello di dettaglio molecolare,
e per guidare una precisa esplorazione sperimentale dei processi cellulari
e delle funzioni in numerosi studi condotti in collaborazione.
Metodi ed approcci
Gli approcci che impieghiamo includono la determinazione teorica della struttura
e delle proprietà molecolari e simulazioni computerizzate di meccanismi e
processi molecolari. Le procedure computerizzate che elaboriamo vengono continuamente
raffinate e testate sulla base dei risultati sperimentali ottenuti per i sistemi
biomolecolari in esame. Esse sono basate su metodi di meccanica quantistica,
statistica e molecolare, ed implementati in algoritmi spesso ritrovati da
altre unità di ricerca della rete operanti su supercomputer o stazioni di
lavoro grafiche.
Vengono descritte qui di seguito alcune delle materie attualmente in studio.
Relazioni quantitative struttura-attività (QSAR).
Svariati problemi si ricollegano al tentativo di razionalizzare in termini
quantitativi i dati farmacologici relativi ai recettori. Approcci basati sulla
biochimica delle proteine, congiunti a tecniche di clonazione e sistemazione
in sequenza, hanno dimostrato che i recettori costituiscono famiglie di proteine
costruite su un comune schema strutturale, nonostante l'ampia diversità molecolare
dei loro leganti. Pertanto, sottili fattori determinanti a livello molecolare
possono essere responsabili della selettività verso diversi sottotipi di recettori,
e modificazioni chimiche apparentemente poco rilevanti di un legante possono
modificarne drasticamente il fenotipo farmacologico.
Inoltre, sebbene le cellule che manifestano recettori clonati costituiscano
strumenti utili per la selezione di farmaci e rendano più facile stabilire
precise relazioni struttura-affinità, il fine ultimo è quello di generalizzare
l'informazione ottenuta su una popolazione pura di recettori naturali allo
scopo di progettare farmaci tessuto-selettivi.
Il processo teso alla distinzione del limitato numero di funzionalità che
contribuiscono alla legatura da quelle che sono superflue e causa di effetti
collaterali, dipende soprattutto dalla disponibilità di descrittori capaci
di catturare i precisi criteri di complementarità legante-recettore, determinanti
le proprietà biologiche di interesse.
Lo scopo è quello di definire descrittori molecolari teorici che offrano forti
modelli QSAR predittivi ed interpretativi, da usarsi per la progettazione
di farmaci e per la selezione teorica (in-silico) di dati farmacologici in
vitro e in vivo.
Assemblaggi proteinici
L'enucleazione di complessi multimerici sembra essere una strategia biologica
comune per citochine, che hanno similarità strutturali o funzionali in comune
con IL-6, utilizzando la catena di segnale comune gp130.
La decifrazione della formazione complessa dei recettori e l'identificazione
delle zone di residui aminoacidi sui leganti e sui recettori, che costituiscono
la forza traente di questo processo, sono di fondamentale importanza sia per
la comprensione dei meccanismi responsabili dell'attivazione dei processi
intracellulari, sia per la generazione di piccole mimiche di legame con specifiche
proprietà biologiche.
Infatti, lo scopo principale di questo progetto è quello di ottenere peptidi
e peptido-mimetici come potenziali farmaci da impiegare in numerose patologie.
Al momento, l'esame biologico di una serie di peptidi progettati sulla base
delle simulazioni computerizzate condotte sul complesso multimerico IL-6 viene
eseguito su linee cellulari di plasmoxitoma dipendente da IL-6 e di cancro
alla mammella. (Fig. 1)
Specificità del substrato
Molti carcinogeni noti sono specifici per citocromi della famiglia P450 I.
In particolare, idrocarburi poliaromatici ed eteroaromatici ed i loro amino-derivati
vengono metabolizzati dalla famiglia di enzimi P450 I, cedenti a composti
intermedi reattivi che possono interagire con il DNA, formando adduzioni covalenti
comportanti codificazioni errate, mutagenesi e carcinogenesi.
Studi teorici quantitative sulla specificità di substrato verso citocromi
P450 sono perlopiù condotti tramite approcci basati su substrato.
Tuttavia, descrittori computerizzati di interazione intermolecolare sui complessi
citocromo/substrato possono essere usati per acquisire conoscenza sui determinanti
molecolari per specificità di substrato in relazione alla differenziazione
strutturale e topologica dei citocromi. Il principale obiettivo è l'elaborazione
di modelli quantitativi per predire la specificità e carcinogenesi di nuovi
preparati.
Interazioni legante-recettore
Scoperte recenti hanno dimostrato un aumento nella legatura specifica di leganti
di recettori periferici di benzodiazepine (PBR) in determinati tumori cerebrali
nell'uomo. Questo ci ha spinto ad adottare un approccio sintetico-computerizzato
allo studio del sito di legame dei leganti PBR, al fine di ottenere radioleganti
putativi e specifici veicoli per farmaci antitumore. (Fig.
2)
L'uso combinato di diversi approcci computerizzati, condotto sia sui leganti
isolati sia sui complessi legante-recettore, ha permesso una razionalizzazione
quantitativa delle caratteristiche strutturali dei PBR-antagonisti ed un quadro
dettagliato della complementarità delle molecole interagenti.
Sono pertanto possibili speculazioni sul ruolo meccanicistico dei principali
componenti strutturali.
Conclusioni
Il rapido progresso nelle tecniche di biologia molecolare e l'impressionante
aumento delle strutture NMR di macromolecole biologiche cristalline ed in
soluzione rese disponibili in questi ultimi anni hanno incrementato la produttività
della generazione di dati. E' imperativa la trasformazione dei dati accumulati
in conoscenza pratica che possa contribuire alla scoperta di farmaci. Le avanzate
metodologie di simulazione molecolare e le competenze disponibili presso il
Centro virtuale per la progettazione computerizzata vengono utilizzate per
la scoperta e la convalida di sofisticati protocolli computerizzati per la
razionalizzazione di dati sperimentali e la comprensione di funzioni biomolecolari.
Il contributo dell'unità di ricerca italiana consiste perlopiù nell'elaborazione
di protocolli quantitativi per l'esame teorico di proprietà biologiche espresse
da piccoli leganti nell'interazione con i propri enzimi/recettori, e dalle
macromolecole interagenti. Grazie al loro potere interpretativo e predittivo,
tali protocolli, usati in stretta associazione con indagini sperimentali,
assumono un ruolo importante nello studio dei processi biochimici a livello
molecolare e nella progettazione di farmaci.
Maria Cristina Menziani
Dipartimento di Chimica
Università di Modena e Reggio Emilia
