www.atelier-drug-design.ch22 mars 2016 - ALUMNIL Comment sont conçus les médicaments de demain ?

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Comment sont conçus les médicaments de demain ?

www.atelier-drug-design.ch

22 mars 2016 - ALUMNIL

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Le film

Studio KO

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3

Qu’est-ce qu’un médicament ? Comment ça marche ?

http://www2.grifil.com/album.html

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un médicament – une ‘petite’ molécule

But: restaurer, corriger ou modifier une fonction physiologique

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5

3

Les protéines

?

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Une protéine peut être comparée à un collier de perles (= acides aminés), replié sur lui-même.

Il existe 20 acides aminés différents.

Une protéine est composée en moyenne de 300 acides aminés.

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7

• La fonction d’une protéine dépend de sa forme

• La forme (structure 3D) de la protéine dépend de sa séquence en acide aminé

• La séquence en acide aminé dépend de la séquence ADN (information génétique)

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Dans notre corps, il y a

fabriquer

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9

http://mm.rcsb.org/

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le ‘fil du collier’

la surface du ‘collier’

Différentes représentations de la structure 3D d’une protéine (un collier d’acides aminés)

Un pe u d e t hé ori e

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11

Un pe u d e b ioi nfo rm ati qu e

Séquence

d’une protéine

Structure 3D d’une protéine

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3

Les protéines

?

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13

Modèle ‘clé serrure’ (Emil Fischer 1890)

Molécule médicament

Protéine cible

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COX1 avec l’ibuprofen

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15

L’antibiotique ‘pénicilline’ dans sa cible, la protéine DD-peptidase d’une bactérie (1PWC)

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Protéase HIV Le saquinavir (antiviral utilisé en trithérapie) et la protéase du VIH

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17

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 Le site fonctionnel d’une protéine est altéré

 Une protéine est en trop petite quantité

 Une protéine est en trop grande quantité

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19

Une fois la protéine cible identifiée…

Atelier Drug Design

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21

Atelier COX

Comment concevoir un médicament anti-inflammatoire sans effet secondaire pour l'estomac ?

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La douleur est le plus souvent la conséquence d’une production excessive de prostaglandines due à une production localement élevée d’une protéine appelée

COX2 /PTGS2

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23

COX2 est surexprimée sur le lieu d’une inflammation et produit des prostaglandines en excès

(substances qui induisent la douleur)

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Il existe 2 protéines COX…

Le jeu des différences….

COX1/PTGS1

joue un rôle important dans la coagulation et la protection de la paroi de

l’estomac.

COX2/PTGS2

est fabriquée localement en plus grande quantité en cas d’inflammation et

est directement responsable de l’apparition de la douleur.

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25

Que faire ?

Qu es tio n

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27

Approche ‘Docking’ manuelle….

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29

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(31)

31

Celecoxib dans COX1

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Scores du docking dans COX2

Scores du docking dans COX1

Le célécoxib a plus d’affinité pour COX2 que pour COX1

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33

Est-ce que la molécule

médicament cible uniquement la protéine COX2 ?

-> SwissTarget Prediction

Qu es tio n

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35

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Le programme SwissTargetPrediction compare la molécule médicament que vous soumettez avec 280’000 molécules connues pour interagir avec 2000 protéines.

Si votre molécule ressemble à une de ces molécules,

SwissTarget vous donne le score de similitude et le nom des

protéines qui interagissent avec elles.

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37

Aspirine

COX1 COX2

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Ibuprofen

COX1 COX2

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39

Celecoxib

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Connaître les cibles potentiels d’un médicament: un moyen parmi d’autres pour rechercher de nouvelles utilisations pour un médicament existant

(processus appelé ‘drug repurposing’ en Anglais).

Exemples:

• Viagra: hypertension, angine de poitrine -> dysfonction érectile

• Thalidomide: anti-douleur -> traitement de la lèpre

• Thiabendazole: anti-fongique -> anti-cancer

(vascular disrupting agent; Cha et al, 2012))

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41

Comment se comporte le médicament que vous avez

dessiné dans le corps humain ? -> SwissADME

Absorbtion (voie orale, tractus digestif) Distribution (cerveau ?)

Métabolisme (produits dérivés potentiellement toxiques ?) Excrétion

Qu es tio n

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43

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Résultats

ADME

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45

N’atteint pas le cerveau

(substrat de la protéine P-gp = éjecté du CNS)eut

pas Absorbé au niveau du

tractus digestif ?pas

Absorbtion au niveau de la peau ?

Prédiction de la difficulté à synthétiser la molécule Le médicament est similaire

à une molécule prise par voie orale qui existe déjà ?

http://www.swissadme.ch/

Absorption, Distribution, Métabolisme et Excrétion

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47

ibuprofen aspirine

celecoxib

SwissADME Vue d’ensemble

-> Egan Egg

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L’acide salicylique (salicylic acid) est le dérivé actif de l’aspirine (acide

acétylsalicylique). L’aspirine est un des médicaments le plus consommé au monde. Des décoctions de feuilles de saule, qui contiennent un dérivé de l’aspirine, étaient déjà utilisées il y a plus de 7000 ans pour lutter contre la douleur. L’aspirine cible COX1 et COX2. Elle est justement utilisée pour ses propriétés à la fois anti-coagulantes et anti-

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49

L’ibuprofène cible COX1 et COX2. L’ibuprofène est un anti-douleur qui est fréquemment prescrit pour les traitements de courte durée de la fièvre ou de douleurs telles que maux de tête, états grippaux, douleurs dentaires,

courbatures et règles douloureuses. Il a été développé dans les années 60.

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L’ibuprofen dans la protéine COX1

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COX1 avec l’ibuprofen

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Le diclofénac (Voltarène) cible COX1 et COX2. Il est prescrit en cas de

douleurs liées à des inflammations articulaires, à de l'arthrose ou en cas de sciatique. Le diclofénac est beaucoup utilisé en médecine vétérinaire en Afrique (délivré sans ordonnance). Cela a conduit à la mort de nombreux vautours charognards se nourrissant de carcasses d'animaux d'élevage en Asie et en Afrique. En effet le diclofénac est extrêmement toxique pour les vautours (Gyps spp.) car son ingestion, même à de très faibles

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53

Le célécoxib a plus d’affinité pour COX2 que pour COX1 (famille des coxib). Il est mal assimilé au niveau du cerveau. Il est utilisé dans le traitement des affections rhumatismales (arthrose et polyarthrite rhumatoïde).

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Celecoxib ‘binds’ to COX2

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Celecoxib does not ‘bind’ to COX1

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Celecoxib

Le celecoxib est potentiellement un substat (Yes) de la protéine P-gp. La protéine P-gp éjecte les

molécules du cerveau: le celecoxib ne restera donc probablement pas dans le cerveau (mauvais plan pour soigner une migraine !). D’autres tests sont néanmoins nécesssaires.

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Rofecoxib

 Le rofécoxib est un médicament anti-inflammatoire non stéroïdien (AINS) de la classe des coxibs qui était utilisé dans le traitement de l'ostéoarthrite, des états douloureux aigus, et de la dysménorrhée.

 Il a été introduit en 1999 par la multinationale Merck, et était disponible sur ordonnance en comprimés et suspension buvable (Vioxx®, Vioxx-Dolor®).

 Il a été retiré du marché en 2004 à cause de problèmes liés à un risque accru d'infarctus du myocarde (au niveau mondial le 30 septembre 2004).

 Rien qu'aux États-Unis, on estime que plus de 20 millions de personnes l'ont utilisé.

Source: wikipedia

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Paracetamol (acetaminophen, APAP, Tylenol, Panadol) est utilisé fréquemment pour le traitement des maux de tête ou des douleurs liées aux refroidissments.

Le paracetamol ne fait pas partie de la classe des médicaments ‘anti- inflammatoires’ classiques (NSAID): son mécanisme d’action n’est pas bien connu et il n’est qu’un très faible inhibiteur spécifique de COX2.

Paracetamol : electron map electrostatic surface area (wikipedia)

Paracetamol

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59

Bonus

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Cet outil bioinformatique prédit la cible de l’activité de petites molécules.

Il compare une petite molécule avec 280’000 molécules connues pour être actives sur plus de 2000 protéines cibles.

Ex: Bisphenol A

Un pe u d e b ioi nfo rm ati qu e

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61

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Fingerprints moléculaires

But: quantifier la similarité de la structure chimique de 2 molécules.

…et toucher du doigts les algorithmes des programmes utilisés pour le drug design:

 retrouver "visuellement" des mini-fragments dans différentes molécules

 stocker cette information dans un «vecteur»

 calculer simplement la similarité entre les vecteurs

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63

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65

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Quelques chiffres

 10⁶⁰ molécules possibles

 35 millions de molécules disponibles

 moins de 2’000 molécules sont des molécules médicaments (approuvées par la FDA)

 280’000 molécules sont connues pour être actives sur plus de 2000 protéines cibles.

 plus de 10 ans de travail pour concevoir une nouvelle molécule médicament (analyses bioinformatiques, tests en laboratoire, tests cliniques, …)

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67

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Me rci po ur vot re par tici pati on !

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Atelier BRAF

Comment concevoir un médicament contre le mélanome ?

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• Le mélanome est un cancer de la peau, conséquence de la prolifération anormale des cellules appelées

‘mélanocytes’.

• Les cellules de la tumeur dérivent toutes d’une cellule ‘initiatrice’ qui a acquis certaines

caractéristiques lui permettant de se diviser indéfiniment (perte de contrôle).

• Mutation (somatique)

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Identifier la protéine à cibler:

‘Genome-Wise Association Studies’ (GWAS) et

recherches expérimentales

des années de recherche…

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73

https://www.intogen.org/search

459 mutational drivers (cell cycle and DNA damage, angiogenesis, apoptosis, proliferation, cell adhesion)

Analyse bioinformatique / statistique ‘Genome-Wise Association Studies’ (GWAS)

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Résultat de la recherche bioinformatique (statistique)

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75

La protéine produite à partir du gène BRAF est appelée B-Raf.

Elle est impliquée dans le contrôle de la division des cellules.

Résultat de la recherche expérimentale:

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Cellules

Chromosomes ADN

Protéine Mutation

Un pe u d e t hé ori e

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77

● Cellules

● Chromosomes (23 x 2)

● ADN

1. L’ADN est le fil de la pelote ‘chromosome’

2. L’ADN est constitué de 4 molécules appelées A, T, G, C 3. L’ADN est une double hélice (double brin): A=T, G=C

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http://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/568815591?report=fasta

Séquence ADN du chromosome 7 (GenBank database; 159’345’973 bp)

u de bioinformatique

Le gène BRAF

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79

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/568815591?report=fasta

Séquence ADN du chromosome 7 (GenBank database; 159’345’973 bp)

Un peu de bioinformatique

Le gène BRAF

Une variation génétique T -> A

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http://cancer.sanger.ac.uk/cosmic/search?q=braf

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81

Est-ce que la séquence ADN du gène BRAF du mélanome de Mme X est ‘mutée’ ?

Qu es tio n

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>1_normal

gtttgaactaggtgattttggtctagctacagtgaaatctcgatggagtgggtcccat

>2_normal

gtttgaactaggtgattttggtctagctacagtgaaatctcgatggagtgggtcccat

>MmeX_normal

gtttgaaataggtgattttggtctagctacagtgaaatctcgatggagtgggtcccat

>1_melanome

gtttgaactaggtgattttggtctagctacagagaaatctcgatggagtgggtcccat

>2_melanome

gtttgaaataggtgattttggtctagctacagagaaatctcgatggagtgggtcccat

>MmeX_melanome

gtttgaaataggtgattttggtctagctacagagaaatctcgatggagtgggtcccat

http://www.uniprot.org/align/

(83)

83

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Cette variation n’est pas associée avec le mélanome (‘neutre’)

Cette variation est systématiquement retrouvée dans les

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85

Est-ce que la mutation identifiée dans l’ADN du gène BRAF du mélanome

modifie la séquence en acide aminé de la protéine B-Raf ?

Qu es tio n

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● Séquence ADN du gène BRAF 'normal'.

gct aca gtg aaa

● Séquence ADN du gène BRAF avec la mutation t -> a gct aca gag aaa

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87

…ggt gat ttt ggt cta gct aca gtg aaa tct cga tgg…

D F G L A T V K S R W

Code génétique ADN

Gène BRAF

Protéine B-Raf

… …

un acide aminé

Il existe 20 acides aminés différents

G

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…ggt gat ttt ggt cta gct aca gag aaa tct cga tgg…

D F G L A T E K S R W

Code génétique

Mutation

ADN

Gène BRAF

Protéine B-Raf

…

G

…

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89

MAALSGGGGGGAEPGQALFNGDMEPEAGAGAGAAASSAADPAIPEEVWNIKQMIKLTQEH IEALLDKFGGEHNPPSIYLEAYEEYTSKLDALQQREQQLLESLGNGTDFSVSSSASMDTV TSSSSSSLSVLPSSLSVFQNPTDVARSNPKSPQKPIVRVFLPNKQRTVVPARCGVTVRDS LKKALMMRGLIPECCAVYRIQDGEKKPIGWDTDISWLTGEELHVEVLENVPLTTHNFVRK TFFTLAFCDFCRKLLFQGFRCQTCGYKFHQRCSTEVPLMCVNYDQLDLLFVSKFFEHHPI PQEEASLAETALTSGSSPSAPASDSIGPQILTSPSPSKSIPIPQPFRPADEDHRNQFGQR DRSSSAPNVHINTIEPVNIDDLIRDQGFRGDGGSTTGLSATPPASLPGSLTNVKALQKSP GPQRERKSSSSSEDRNRMKTLGRRDSSDDWEIPDGQITVGQRIGSGSFGTVYKGKWHGDV AVKMLNVTAPTPQQLQAFKNEVGVLRKTRHVNILLFMGYSTKPQLAIVTQWCEGSSLYHH LHIIETKFEMIKLIDIARQTAQGMDYLHAKSIIHRDLKSNNIFLHEDLTVKIGDFGL

ATVK

SRWSGSHQFEQLSGSILWMAPEVIRMQDKNPYSFQSDVYAFGIVLYELMTGQLPYSNINN RDQIIFMVGRGYLSPDLSKVRSNCPKAMKRLMAECLKKKRDERPLFPQILASIELLARS LPKIHRSASEPSLNRAGFQTEDFSLYACASPKTPIQAGGYGAFPVH

Séquence en acide aminé de la protéine B-Raf (766 acides aminés)

V -> E (V600E)

La mutation t -> a dans la séquence ADN du gène BRAF

conduit au remplacement de l'acide aminé V (valine; codon gtg) par l'acide aminé E (glutamate; codon gag)

en position 600 dans la séquence de la protéine.

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Protéine BRAF

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91

Vidéo: transition BRAF inactive -> BRAF active (V600E)

Contrôle la division des cellules Contrôle la division des cellules La mutation V600E induit

un changement dans la structure 3D de la protéine B-Raf

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 Le site fonctionnel d’une protéine est altéré

 Une protéine est en trop petite quantité

 Une protéine est en trop grande quantité

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93

Que faire ?

Qu es tio n

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Concevoir un médicament qui cible la protéine B-Raf ‘mutée’

et

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atelier

Drug Design

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http://www.atelier-drug-design.ch/braf.php

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