Le criblage par fragments par RMN est une méthode robuste pour identifier rapidement les liants de petites molécules aux biomacromolécules (ADN, ARN ou protéines). Des protocoles décrivant la préparation des échantillons basée sur l’automatisation, les expériences RMN et les conditions d’acquisition, ainsi que les flux de travail d’analyse sont présentés. La technique permet une exploitation optimale des noyaux actifs RMN 1H et 19F pour la détection.
Le dépistage par fragments (FBS) est un concept bien validé et accepté dans le processus de découverte de médicaments, tant dans le milieu universitaire que dans l’industrie. Le plus grand avantage du criblage de fragments basé sur la RMN est sa capacité non seulement à détecter des liants de plus de 7 à 8 ordres de grandeur d’affinité, mais aussi à surveiller la pureté et la qualité chimique des fragments et donc à produire des résultats positifs de haute qualité et un minimum de faux positifs ou de faux négatifs. Une condition préalable au sein du FBS est d’effectuer un contrôle de qualité initial et périodique de la bibliothèque de fragments, de déterminer la solubilité et l’intégrité chimique des fragments dans les tampons pertinents et d’établir plusieurs bibliothèques pour couvrir divers échafaudages afin d’accueillir diverses classes cibles de macromolécules (protéines / ARN / ADN). En outre, une optimisation approfondie du protocole de criblage basée sur la RMN en ce qui concerne les quantités d’échantillons, la vitesse d’acquisition et d’analyse au niveau de la construction biologique / espace fragmentaire, dans l’espace des conditions (tampon, additifs, ions, pH et température) et dans l’espace des ligands (analogues du ligand, concentration du ligand) est nécessaire. Au moins dans le milieu universitaire, ces efforts de dépistage ont jusqu’à présent été entrepris manuellement de manière très limitée, ce qui a limité la disponibilité de l’infrastructure de dépistage non seulement dans le processus de développement de médicaments, mais aussi dans le contexte du développement de sondes chimiques. Afin de répondre aux exigences de manière économique, des flux de travail avancés sont présentés. Ils tirent parti du dernier matériel avancé de pointe, avec lequel la collecte d’échantillons liquides peut être remplie de manière automatisée dans les tubes RMN de manière contrôlée. 1Les spectres basés sur les ligands RMN H/19F sont ensuite collectés à une température donnée. Le changeur d’échantillons à haut débit (changeur d’échantillons HT) peut traiter plus de 500 échantillons dans des blocs à température contrôlée. Ceci, associé à des outils logiciels avancés, accélère l’acquisition et l’analyse des données. De plus, l’application de routines de dépistage sur des échantillons de protéines et d’ARN est décrite pour faire connaître les protocoles établis pour une vaste base d’utilisateurs dans la recherche biomacromoléculaire.
Le criblage par fragments est maintenant une méthode couramment utilisée pour identifier des molécules plutôt simples et de faible poids moléculaire (MW <250 Da) qui montrent une faible liaison aux cibles macromoléculaires, y compris les protéines, l’ADN et l’ARN. Les résultats initiaux des criblages primaires servent de base pour effectuer un criblage secondaire des analogues plus importants des résultats disponibles dans le commerce, puis pour utiliser des stratégies de croissance ou de liaison de fragments basées sur la chimie. Pour une plate-forme de découverte de médicaments basée sur des fragments (FBDD), en général, une méthode biophysique robuste est nécessaire pour détecter et caractériser les résultats faibles, une bibliothèque de fragments, une cible biomoléculaire et une stratégie de chimie de suivi. Quatre méthodes biophysiques couramment appliquées dans les campagnes de découverte de médicaments sont les tests de décalage thermique, la résonance plasmonique de surface (SPR), la cristallographie et la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN).
La spectroscopie RMN a montré des rôles variés au sein des différentes étapes du FBDD. En plus d’assurer la pureté chimique et la solubilité des fragments dans une bibliothèque de fragments dissoute dans un système tampon optimisé, les expériences RMN observées par ligand peuvent détecter la liaison de fragments à une cible à faible affinité et les expériences RMN observées sur la cible peuvent délimiter l’épitope de liaison du fragment, permettant ainsi des études détaillées de la relation structure-activité. Dans la cartographie des épitopes, les changements de déplacement chimique basés sur la RMN permettent non seulement d’identifier les sites de liaison orthostériques, mais aussi les sites allostériques qui pourraient être cryptiques et accessibles uniquement dans les états conformationnels dits excités de la cible biomoléculaire. Si la cible biomoléculaire se lie déjà à un ligand endogène, les fragments identifiés peuvent être facilement classés comme allostériques ou orthostériques en effectuant des expériences de compétition basées sur la RMN. La détermination de la constante de dissociation (KD) de l’interaction ligand-cible est un aspect important du processus FBDD. Les titrages de décalage chimique basés sur la RMN, que ce soit le ligand ou la cible observée, peuvent être facilement effectués pour déterminer le KD. Un avantage majeur de la RMN est que les études d’interaction sont réalisées en solution et à proximité de conditions physiologiques. Ainsi, tous les états conformationnels pour l’analyse de l’interaction ligand/fragment avec sa cible peuvent être sondés. De plus, les approches basées sur la RMN ne se limitent pas seulement au criblage de protéines solubles bien repliées, mais sont également appliquées pour s’adapter à un espace cible plus large, y compris l’ADN, l’ARN, les protéines liées à la membrane et les protéines intrinsèquement désordonnées1.
Les bibliothèques de fragments sont une partie indispensable du processus FBDD. En général, les fragments agissent comme les précurseurs initiaux qui finissent par faire partie (sous-structure) du nouvel inhibiteur développé pour une cible biologique. Plusieurs médicaments (Vénétoclax2, Vemurafenib3, Erdafitinib4, Pexidartnib5) ont commencé sous forme de fragments et sont maintenant utilisés avec succès dans les cliniques. Typiquement, les fragments sont des molécules organiques de faible poids moléculaire (<250 Da) avec une solubilité et une stabilité aqueuses élevées. Une bibliothèque de fragments soigneusement conçue contenant généralement quelques centaines de fragments peut déjà promettre une exploration efficace de l’espace chimique. La composition générale des bibliothèques de fragments a évolué au fil du temps et a le plus souvent été dérivée en disséquant des médicaments connus en fragments plus petits ou conçus par calcul. Ces diverses bibliothèques de fragments contiennent principalement des aromatiques plats ou des hétéroatomes et adhèrent à la règle de Lipinski de 5 6, ou à la règle de tendance commerciale actuelle de 3 à 7, mais évitent les groupes réactifs. Certaines banques de fragments ont également été dérivées ou composées de métabolites hautement solubles, de produits naturels et/ou de leurs dérivés8. Un défi général posé par la plupart des bibliothèques de fragments est la facilité de la chimie en aval.
Le Center for Biomolecular Magnetic Resonance (BMRZ) de l’Université Goethe de Francfort est partenaire de iNEXT-Discovery (Infrastructure for NMR, EM and X-rays for Translational research-Discovery), un consortium d’infrastructures de recherche structurelle pour tous les chercheurs européens de tous les domaines de la recherche biochimique et biomédicale. Dans le cadre de la précédente initiative d’iNEXT qui s’est achevée en 2019, une bibliothèque de fragments comprenant 768 fragments a été conçue dans le but de « fragments minimum et diversité maximale » couvrant un grand espace chimique. En outre, contrairement à toute autre bibliothèque de fragments, la bibliothèque de fragments iNEXT a également été conçue sur la base du concept de « fragments posés » dans le but de faciliter la synthèse en aval de ligands complexes de haute affinité et désormais connue sous le nom de bibliothèque interne (Diamond, Structural Genomic Consortium et iNEXT).
L’établissement de la DFDD par RMN nécessite de la main-d’œuvre, des connaissances et de l’instrumentation. Au BMRZ, des flux de travail optimisés pour soutenir l’assistance technique au criblage des fragments par RMN ont été développés. Il s’agit notamment du contrôle de la qualité et de l’évaluation de la solubilité de la bibliothèque de fragments 9, de l’optimisation du tampon pour les cibles choisies, du criblage basé sur le ligand 1D observé 1 H ou 19F, des expériences de compétition pour différencier la liaison orthostérique et allostérique, desexpériences de RMN observées sur des cibles 2D pour la cartographie des épitopes et pour caractériser l’interaction avec un ensemble secondaire de dérivés des impacts initiaux du fragment. BMRZ a établi des routines automatisées pour l’analyse, comme indiqué précédemment dans la littérature 10,11, des interactions petites molécules-protéines et a mis en place toute l’infrastructure automatisée nécessaire pour le criblage de fragments basé sur la RMN. Il a mis en œuvre la RMN par différence de transfert de saturation (STD-RMN), les ligands de l’eau observés par spectroscopie de gradient (waterLOGSY) et les expériences de relaxation basées sur Carr-Purcell-Meiboom-Gill (basées sur CPMG) pour identifier des fragments dans un large éventail de régimes d’affinité ainsi que des instruments RMN automatisés de pointe et des logiciels pour la découverte de médicaments. Bien que le criblage de fragments basé sur la RMN soit bien établi pour les protéines, cette approche est moins couramment utilisée pour trouver de nouveaux ligands interagissant avec l’ARN et l’ADN. BMRZ a établi une preuve de concept pour de nouveaux protocoles permettant l’identification des interactions petites molécules-ARN/ADN. Dans les sections suivantes de cette contribution, l’application de routines de dépistage sur des échantillons de protéines et d’ARN est signalée pour faire connaître les protocoles établis pour une vaste base d’utilisateurs dans la recherche biomacromoléculaire.
Polyvalence du dépistage des fragments / drogues basé sur la RMN. BMRZ a mis en œuvre avec succès des instruments RMN automatisés de pointe ainsi que des expériences de RMN-STD, waterLOGSY et de relaxation pour identifier des fragments dans un large éventail de régimes d’affinité pour la découverte de médicaments. Le matériel installé comprend un robot de préparation d’échantillons à haut débit et une unité de stockage d’échantillons à haut débit, de changeur et d’acquisition de données associée à un spectromètre de 600 MHz. Une sonde cryogénique récemment achetée pour 1 H, 19 F, 13C et 15 N assure la sensibilité requise pour les mesures proposées et permet un découplage de1 H (1) lors de la détection 19F. Cette sonde est connectée à la dernière génération de console RMN qui offre la possibilité d’utiliser les outils logiciels avancés de Bruker, notamment CMC-q, CMC-assist, CMC-se et FBS (inclus dans TopSpin). L’outil de criblage basé sur les fragments (FBS) est inclus dans la dernière version de TopSpin et aide à analyser les données à haut débit comprenant les expériences de relaxation RTS, waterLOGSY, T2 / T1. La collecte d’échantillons liquide 1D 1H peut être remplie dans les tubes RMN de manière automatisée à l’aide du robot de remplissage d’échantillons. En règle générale, un bloc de 96 tubes (3 mm) est rempli en environ deux heures. Les racks à plaques de 96 puits sont directement positionnés dans le changeur d’échantillons HT, qui lit le code-barres du bloc et attribue les tubes RMN aux expériences contrôlées par le logiciel d’automatisation (IconNMR). Cinq racks à plaques de 96 puits peuvent être stockés et programmés dans le changeur d’échantillons HT en même temps. La température de chacun des racks individuels peut être contrôlée et réglée séparément. De plus, chaque échantillon individuel peut être préconditionné (préchauffage et séchage du tube pour éliminer l’humidité condensée) à la température souhaitée avant la mesure.
Convient à une large gamme d’applications. L’une des vastes applications de ce criblage automatisé basé sur la RMN est d’identifier et de développer de nouveaux ligands se liant à une cible biomacromoléculaire (ADN / ARN / protéines). Ces ligands peuvent inclure des inhibiteurs orthostériques et allostériques qui se lient généralement de manière non covalente. De plus, le FBDD par RMN est généralement utilisé comme première étape pour sélectionner des composés prometteurs, les exigences à respecter sont la disponibilité de la cible biomoléculaire en quantités suffisantes. Cet objectif est divisé en deux tâches principales.
La première tâche consiste à développer et à caractériser une bibliothèque de fragments interne pour les raisons suivantes: contrôle initial et périodique de la qualité, caractérisation et quantification de plus de 1000 fragments; détermination de la solubilité des fragments dans des tampons optimisés pour chaque cible, en particulier pour les cibles protéiques; et la création de plusieurs bibliothèques pour accueillir divers échafaudages et s’étendre à d’autres classes de macromolécules. La deuxième tâche consiste à intégrer les flux de travail pour la conception de médicaments à base de fragments (FBDD) par RMN en utilisant: le dépistage automatisé observé par ligand 1D (1H et 19F observés); essais de remplacement automatisés (expériences de compétition avec un ligand (naturel)) pour différencier la liaison orthostérique et allostérique; criblages secondaires automatisés avec plusieurs fragments; criblage automatisé des protéines 2D et filtrage secondaire d’un ensemble de dérivés autour d’un résultat initial en utilisant la bibliothèque EU-OPENSCREEN ou toute autre bibliothèque; et le reprofilage de la bibliothèque de la FDA par rapport aux cibles choisies.
De plus, le métabotypage de diverses lignées cellulaires (pertinentes pour la maladie) peut être effectué afin de démêler les mécanismes de régulation qui relient le contrôle du cycle cellulaire et le métabolisme. En outre, il existe une caractérisation fonctionnelle des éléments de régulation de l’ARN / ADN / protéine in vivo et in vitro pour l’optimisation de la construction / du domaine (optimisation de la stabilité pour les études structurelles (tampon, pH, température et criblage de sel), et une extension du criblage de fragments basé sur la RMN aux protéines membranaires et aux protéines intrinsèquement désordonnées, qui sont généralement inaccessibles à d’autres techniques.
Limitations. L’utilisation de bibliothèques de fragments 19F et 1H a ses avantages et ses inconvénients, dont peu seront mentionnés ci-dessous. Le plus grand avantage des mesures 19F par rapport à 1H est la rapidité du temps de mesure réel et de l’analyse ultérieure, car les mélanges contiennent presque le double du nombre de fragments et moins d’expériences doivent être menées. L’analyse de suivi est également plus facile pour le criblage 19F, car il n’y a pas d’interférence des tampons et offre en outre une plage de décalage chimique plus large avec presque aucun chevauchement de signal pour un mélange de fragments conçu de manière optimale. Les spectres eux-mêmes sont grandement simplifiés, n’ayant généralement qu’un ou deux signaux par fragment, en fonction du nombre d’atomes de fluor. L’analyse de ces spectres peut donc être automatisée, ce qui réduit encore le temps. Cela se fait au détriment de la diversité chimique, du moins pour la bibliothèque utilisée dans cette étude. Comme seulement ~13% de la bibliothèque contient 19 F, mais naturellement tous sont utilisables en criblage 1H, la diversité des fragments de criblage 19F sera plus faible. Cela pourrait être contourné en utilisant des bibliothèques 19F spécialement conçues avec plus de fragments et une plus grande diversité chimique. Un autre inconvénient du criblage 19F est le faible nombre de signaux par fragment. Les fragments sont généralement composés de plus d’un atome d’hydrogène. Par conséquent, les expériences de criblage observées à 1H peuvent s’appuyer sur différents signaux pour le même fragment afin de détecter la liaison. Cela donne un degré de confiance plus élevé lors de l’identification des résultats positifs pour le criblage de 1H, alors que le dépistage 19F doit s’appuyer sur un ou deux signaux donnés par fragment.
Un compte rendu détaillé de l’instrumentation moderne automatisée de criblage de fragments, des logiciels et des méthodes et protocoles d’analyse correspondants a été présenté. Le matériel installé comprend un robot de préparation d’échantillons à haut débit et une unité de stockage d’échantillons à haut débit, un changeur et une unité d’acquisition de données associés à un spectromètre de 600 MHz. Une tête de sonde cryogénique récemment installée pour 1 H, 19 F, 13C et 15 N assure la sensibilité requise pour les mesures proposées et permet un découplage de 1H lors dela détection 19F. De plus, la dernière génération de console RMN offre la possibilité d’utiliser un logiciel analytique avancé pour faciliter l’acquisition et l’analyse à la volée. La technologie, les flux de travail et les protocoles décrits ci-dessus devraient favoriser un succès remarquable pour les utilisateurs qui poursuivent FBS par RMN.
The authors have nothing to disclose.
Ce travail a été soutenu par iNEXT-Discovery, projet numéro 871037, financé par le programme Horizon 2020 de la Commission européenne.
Bruker Avance III HD | Bruker | 600 MHz NMR Spectrometer | |
Matrix Clear Polypropylene 2D Barcoded Open-Top Storage Tubes | 3731-11 0.75ML V-BOTTOM TUBE/LATCH RACK | ThermoFisher Scientific | Barcoded Tubes |
Matrix SepraSeal und DuraSeal& | 4463 Cap Mat, SeptraSeal 10/CS | ThermoFisher Scientific | |
SampleJet | Bruker | HT Sample Changer | |
SamplePro Tube | Bruker | Pipetting Robot |