Modeling of Small Molecules Interactions with Biomembranes

Mgr. Markéta PALONCÝOVÁ

Doctoral thesis

Modeling of Small Moleculs Interactions with Biomembranes

Abstract:

The interactions of small molecules with lipid membranes play a major role in drug administration and distribution in human body. Within framework of my Ph.D. thesis I focused on theoretical methods, which can be used for understanding of drug-membrane interactions in terms of distribution of the drugs in the membranes, the thermodynamics and kinetics corresponding to the permeation process. Further, I discuss the impact of drug-membrane interactions with respect to interactions of drugs with membrane-anchored enzymes, involved in drug biotransformation. I provide the basic biological background of membrane and drug-membrane interactions as well as the theoretical background of molecular dynamics (MD) simulations. I describe in details biased methods for drug-membrane interaction studies and the impact and use of potential of mean force (PMF). PMF is the Holy Grail of the estimation of partitioning of drug in the membrane and with diffusion coefficient it provides also the permeability coefficients through the membrane. From MD simulations methodological point of view I showed that drug parameterized with RESP partial charges for GAFF force field and Slipids force field for membrane lipids provide PMFs in a good agreement with experimental data. On the other hand, biased MD simulations are time demanding and for the high throughput PMF screening on fluid membranes I recommend the use of a semi-continuous tool COSMOmic. Its usage is however limited, as it is only designed for fluid membranes and it is unable to describe the gel phase. Further I observed that the amphiphilic drugs tend to accumulate close to the polar head groups region in the fluid membranes, while the lipophilic drugs concentrate in the membrane hydrophobic core. I also observed that the positions of substrates and metabolites of cytochrome P450 (CYP) enzymes in the membrane correspond to the positions of CYP's access and egress channels. And finally I set up the methodology for calculation of PMF of a drug permeating through a highly flexible enzyme channels and used it for identification of a preferred egress channel of CYP3A4 isoform. The presented thesis covers a wide area of the field of drug-membrane interactions, shows current advances and provides also some useful outlook for further development.

Abstract:

Interakce malých molekul s membránami hrají významnou roli při vstřebávání a distribuci léčiv v našem těle. V předložené práci jsem se soustředila na teoretické metody používané pro pochopení interakcí léčiv s biomembránami z pohledu termodynamiky i kinetiky při permeaci léčiv přes membrány. Dále jsem se věnovala významu chování léčiv v membránách v souvislosti s interakcemi léčiv s biotransformačními enzymy, které jsou kotvené v membránách. V úvodu popisuji nezbytné biologické základy týkající se struktury a funkce membrán a jejich interakcí s léčivy, a dále pak teoretické základy molekulově-dynamických (MD) simulací. Detailně popisuji pokročilé metody MD, tzv. biased MD methods, poskytující profily volné energie prostupu látek přes membránu. Získaný profil volné energie je základem pro odhad partičního koeficientu léčiva v membráně a společně s difúzním koeficientem i jeho permeability přes membránu. Z pohledu metodologie MD simulací ukazuji, že kombinace silového pole Slipids pro membránu a GAFF s parciálními náboji získanými RESP výpočtem pro léčiva poskytují dobré výsledky výpočtu partičního koeficientu v dobré shodě s experimentem. Na druhou stranu, MD simulace jsou časově velmi náročné a pro analýzu velkého množství léčiv doporučuji využít nástroj COSMOmic. Jeho pole působnosti ovšem sahá pouze do oblasti kapalných membrán, jelikož nedokáže dobře popsat gelovou fázi. Amfifilní molekuly se v kapalných membránách vyskytují zejména blízko polárních hlav lipidů, zatímco lipofilní molekuly se nacházejí v hydrofobním jádře membrány. Substráty a metabolity izoforem enzymu cytochromu P450 (CYP) se vyskytují ve stejné hloubce v membráně jako vstupní a výstupní kanály CYP. Nakonec prezentuji pokročilou metodiku pro výpočet profilu volné energie při průchodu léčiva velmi flexibilními a nejasně definovanými tunely enzymů, kterou jsem použila pro identifikaci preferovaného kanálu izoformy CYP3A4. Předložená práce tak pokrývá současný stav poznání v oblasti interakcí léčiv s membránami, ukazuje dosažený pokrok a také nástin budoucího vývoje.

Keywords

Membrána, léčiva, permeabilita, cytochrom P450, molekulová dynamika

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 8. 2016

Thesis defence

• Supervisor: prof. RNDr. Michal Otyepka, Ph.D.

PALACKÝ UNIVERSITY OLOMOUC

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry / Physical Chemistry