background image

Computer aided drug 

design

Amit nagal

Birla institute of scientific 

research

background image

What is insilico studies

• It is advance computational studies 

involving tools and softwares of 
bioinformatics and drug designing

• Receptor could be protein /gene / 

Enzymes eg.retenoid acid receptor,

• Ligand is active molecule which 

has either inhibitory or exhibitory 
property it acts on receptor

background image

Why Do We Do Docking?

Drug discovery costs are too high: ~$800 millions, 

8~14 years, ~10,000 compounds (DiMasi et al. 

2003; Dickson & Gagnon 2004)

Drugs interact with their receptors in a highly 

specific and complementary manner.

Core of the target-based structure-based drug 

design (SBDD) for lead generation and optimization.

Lead is a compound that 

shows biological activity, 

is novel, and

has the potential of being structurally modified for improved 

bioactivity, selectivity, and drugeability.

background image

Structure based drug 

design

HIV protease inhibitor amprenavir 

(Agenerase) from Vertex & GSK (Kim 
et al. 1995) 

HIV: nelfinavir (Viracept) by Pfizer (& 

Agouron) (Greer et al. 1994)

Influenza neuraminidase inhibitor 

zanamivir (Relenza) by GSK 
(Schindler 2000)

background image

Receptor

Ligand

Affinity: G = H -TS

Displaced  H

2

O

Bound and 
associated H

2

O

Upon complex formation:

 water molecules are released

 receptor and ligand loose degrees of freedom

 interactions between ligand and receptor

Docking Methodology: Scoring

background image

Dock Score

• Dock Score = – (ligand/receptor interaction 

energy + ligand internal energy)

   Where 
•    denotes temperature and  entropy and it is 

equivalent to -(ligand/receptor interaction 

energy) 

•     H (Enthalpy)is equivalent to ligand 

internal energy (denoted by U, or 

sometimes E, is the total of the kinetic 

energy due to the motion of 

molecules(translational, rotational, 

vibrational)

Affinity or DOCK SCORE: G = H -TS

TS

background image

Introduction

Introduction

The aim of this project is to identify 

The aim of this project is to identify 

suitable anti - inflammatory 

suitable anti - inflammatory 

compounds based on inhibition of 

compounds based on inhibition of 

Human non-secretory

Human non-secretory

 

 

PLA2 receptor

PLA2 receptor

This objective may be achieved by the 

This objective may be achieved by the 

following steps:

following steps:

Listing of effective drug candidates 

Listing of effective drug candidates 

Docking analysis of the compounds

Docking analysis of the compounds

ADME property analysis of the compounds

ADME property analysis of the compounds

Screening of probable lead 

Screening of probable lead 

background image

Phospholipase

Phospholipase

• Phospholipases A2 (PLA2) enzymatic activity is a 

rate-limiting step

rate-limiting step in the formation of arachidonic 

acid and subsequently in the synthesis of 

leukotrienes and prostaglandins, which in turn 

promote

promote 

inflammation

inflammation.

• Thus sPLA2 contributes to the pathogenesis of 

various inflammatory diseases, including Sepsis

Sepsis

 and 

Rheumatoid Arthritis

Rheumatoid Arthritis

.

• PLA2s are also involved in the generation of a wide 

range of biomediators like 

• Lysophospholipids, 
• Arachidonic acid and its metabolites . 

  These lipids can enhance 

• Tumor cell growth
• Invasion and 
• Metastasis

background image

Phospholipids

Archadonoic acid

Prostaglandins

Inflamma

tion

sPLA2

Cyclo-

oxygenase

Novel 

Molecule

NSAIDs

Locus-1p35

Biochemical pathway involving sPLA2

Biochemical pathway involving sPLA2

background image

Workflow

Workflow

Protein 

Responsible

Disease /Symptom  Identification

Receptor Identified

Ligands Identified based on Qsar Studies in literature 

review 

Docking and affinity studies for receptor and the 

corresponding ligands

Selection of the drugs with best Docking scores Affinity values

Final confirmation of selected drugs with best A.D.M.E. 

properties.

background image

  Structure of the Target-

Protein (1DCY) Phospholipase 

A2

• Structure of protein 

with its natural 
ligand

background image

Detailed Methodology 

Detailed Methodology 

1.

Study 

biochemical pathway

biochemical pathway of inflammation and 

receptors

receptors responsible 

2.

Analysis of 

active site

active site of inflammatory receptors.

3.

Study available 

drugs

drugs and the 

mechanisms

mechanisms by which they block the 

biochemical pathway of inflammation.

4.

Explore 

alternative

alternative ways to block inflammatory pathway .

5.

To study the effect of 

inhibition of hnpsPLA2

inhibition of hnpsPLA2 in inflammatory pathway.

6.

Identification of the known 

3D structure

3D structure of sPLA2 receptors 

7.

Listing of current 

commercial

commercial drugs towards the inhibition of receptor.

8.

Listing of 

predicted inhibitors

predicted inhibitors in QSAR studies based on literature review.

9.

9.

Retrieval

Retrieval of 3D structure of available drugs in market from Pubchem.

10. Molecular 

design

design and 3D modeling of predicted drugs of QSAR studies.

11. Comparative 

docking

docking studies of both predicted and marketed drugs.

12.

12.

ADME

ADME studies of the selected inhibitory compounds.

13.

13.

Selection of lead

Selection of lead having good Dock Score and optimum ADME  
properties

.

background image

SOFTWARE TOOLS USED

SOFTWARE TOOLS USED

• Operating system used Red Hat Linux 5.
• MDL-ISIS Draw 2.5

Used for sketching the molecules

• Discovery Studio 2.1 

CHARMm 

Used for Forcefield energy optimization

LIGAND-FIT 

Used for docking study

ADMET

Used for study of Absorption, Distribution, 

Metabolism, Excretion parameters.

background image

ADME Studies

ADME Studies

In the ADMET module we studied about the 

important Pharmacodynamic parameters 

like Absorption, Distribution, Metabolism 

and Excretion for all the 126 compounds.

This was done with the help of the following 

models of Discovery Studio:

1. Intestinal absorption 
2. Aqueous solubility
3. Blood brain barrier penetration 
4. Plasma protein binding
5. Cytochrome and P450 2D6 inhibition Model.

background image

ADME Studies

ADME Studies

In the ADMET module we studied about the 

important Pharmacodynamic parameters 

like Absorption, Distribution, Metabolism 

and Excretion for all the 126 compounds.

This was done with the help of the following 

models of Discovery Studio:

1. Intestinal absorption 
2. Aqueous solubility
3. Blood brain barrier penetration 
4. Plasma protein binding
5. Cytochrome and P450 2D6 inhibition Model.

background image

RESULTS

RESULTS

 

 

• During our study we found that the drugs found 

most effective in prior QSAR studies also gave 

consistently high scores in our Docking Analysis, 

proving the effectiveness of the modern inSilico 

Drug-Designing approaches. 

• In our study we came across many effective drugs 

like 7u, 7i, 13h etc. But 

13h

 was chosen as the 

novel molecule because it showed consistently high 

dock score with all three receptors namely 

1DCY, 

1DB4, 1DB5

 – responsible for causing inflammatory 

response.

• We also found that Molecule: 13h also showed 

optimum ADME

optimum ADME

 properties. This further proved that 

Molecule 13h has a good future potential as a novel 

and effective lead in the times to come.

 

 

background image

13h Docked In The Active Site 

13h Docked In The Active Site 

of 1DB5, Dock Score 75.19   

of 1DB5, Dock Score 75.19   

background image

13h Docked In The Active Site 

13h Docked In The Active Site 

of 1DB4, Dock Score 80.47   

of 1DB4, Dock Score 80.47   

background image

13h Docked In The Active Site 

13h Docked In The Active Site 

of 1DCY, Dock Score 69.68   

of 1DCY, Dock Score 69.68   

background image

Conclusion

Conclusion

Absorption, Distribution, Metabolism and Excretion parameters of 

13h were also found within their optimum ranges as mentioned 

below:

Blood Brain Penetration

Blood Brain Penetration Level was found to be 

extremely low-

extremely low-(4)

(4)

 and thus 

ensuring a very low brain penetration ensuring minimum drug effect on 

CNS and thus 

reducing the side effects

reducing the side effects like 

sedation

sedation a common in most 

of the marketed drugs.

Intestinal Absorption

Intestinal Absorption Level was found to be 

very good-

very good-(0)

(0)

 ensuring that 

drug can be taken easily in form of Oral Drug delivery systems like Tablet 

and Capsules thus 

reducing the overall cost

reducing the overall cost of the final marketed product 

as well as 

better patient compliance

.

Aqueous Solubility

Aqueous Solubility was within optimal range-(4.028)

(4.028)

 and in accordance to 

Lipinski Rules ensuring that optimal concentration of drug would be 

available in blood ensuring 

Good therapeutic efficacy

.

Cytochrome P450 enzyme

Cytochrome P450 enzyme was not found to be inhibited by the drug thus 

ensuring good excretion half life of the drug which in turn decreases the 

probability of toxicity of the drug. Thus the drug has a 

good therapeutic 

index

 ensuring maximum patient safety against drug over dosage.

Plasma Protein Binding

Plasma Protein Binding  was found to be greater than 95%- (2).

(2).

 This calls 

for higher loading dose for the drug but ensures a sustained therapeutic 

action even after stoppage of dosage, thus ensuring single tablet per day 

dosage regimen, ensuring

 better

 patient acceptance and 

therapeutic 

action

background image

Lens regeneration – In silico and In vivo studies 

(JPB/Vol.1.2 104-108(2008)/May 2008)

• In vivo studies of lens regeneration
• lens regeneration is the process of 

reformation of lens.

• Dorsal iris             lens forming cell   

            lens vesicle          primary 
lens fiber            secondary lens 
fiber                  RL

background image

In vivo with help of Vitamin 

A

• Dorsal iris and 

cleft

background image
background image

Vitamin A dose effect on 

lens regeneration

• Vitamin A doses inducing lens 

regeneration

Data Table

    Group                      No. of Operation                 No of reg
    Young Mice

   

       Control                   20                                           4
      
      Vit A treated           20                                          18

background image

In silico studies of lens 

regeneration

• Rxr  alpha  receptor- 

Mechanism  of 

action(Drug Bank) 

• “

The  role  of  Vitamin  A  in  epithelial  differentiation,  as  well  as  in 

other physiological processes, involves the binding of Vitamin A to 
two  families  of  nuclear  retinoid  receptors  (retinoic  acid 
receptors,RARs;  and  retinoid-Xreceptors,RXRs).These  receptors 
function  as  ligand-activated  transcription  factors  that  modulate 
gene transcription.”

• It has been found that expression and role of retinoic acid receptor 

alpha was very important in lens regeneration (Tsonis et al, 2002).

• vitamin  A  and  its  derivatives  were  found  to  accelerate  lens 

regeneration not only in amphibian frogs but also in mammals like 
swiss  albino  mice,  rabbit,  guinea  pigs  and  pigs  (Shekhawat  et  al, 
2001).

• Vitamin A metabolite 9-cis retinoic acid present endogenously and 

works as an agonist (Calberg et al, 1993)

background image

METHODOLGY

• Using Autodock the 1mv9 and 1fby comparatively docking with vitamin A 

and 9- cis retinoic acid dock energies was found relatively very closed.

• The docking energy for IMV9 with vitamin A ranges between -11.65 kcal 

and -6.88 kcal and for 9-cis retinoic acid it ranges between -11.83 cal and 
-6.55 kcal.

• Similarly for 1FBY the docking energy for vitamin A was between -12.19 

kcal and -7.30 and for 9-cis retinoic acid it was between -12.14 kcal and 
-4.10 kcal. 

• The result showed that the docking energies of highest ranked conformer 

for Rxr alpha receptor of human with vitamin A and 9-cis retinoic acid 
were very close and similar was in case of mice. The structural and 
docked energy similarity of both receptors gives clear evidence why 
exogenous vitamin A proved beneficial for lens regeneration.  

background image

9-cis retinoic 
acid

Vitamin A with 1FBY

background image

conclusion

• It has been reported that vitamin A doses enhance 

9-cis retinoic acid concentration in the plasma of 

preruminant calves (Brian J. Nonnecke1 et al, 

2000) can prove this theory that vitamin A can 

convert to its derivative 9-cis retinoic acid.

background image

Thanks!!!

Thanks!!!


Document Outline