Présentation PowerPoint

2.2
TRL 2
Criblage in silico
LE CRIBLAGE IN SILICO : POURQUOI ET COMMENT ?
Le criblage in silico ou virtuel cherche à identifier dans des chimiothèques électroniques (banque de données
de ligands) des petites molécules susceptibles de lier la cible thérapeutique sélectionnée et/ou de modifier un
mécanisme moléculaire. L’approche permet de prioriser une petite liste de molécules (souvent entre 100 et
1000, le nombre dépendra de la complexité du mécanisme, de la cible, du cout des tests et des petites
molécules à acheter) qui seront ensuite testées expérimentalement (plusieurs des méthodes mentionnées
auparavant peuvent être considérées pour le criblage expérimental, approche biochimique, RMN…) Le
criblage in silico permet aussi de générer des chimiothèques focalisées et de rechercher des composés
manqués dans un criblage expérimental haut débit (« latent hits »).
Le criblage in silico est pertinent car il explore rapidement et à moindre coût un grand nombre d'hypothèses
pour se focaliser ensuite sur les molécules les plus prometteuses. Il facilite l’exploration de l’espace chimique
et permet par exemple de tester des molécules qui ne sont pas encore synthétisées (NB : le nombre de
molécules facilement synthétisables est évalué autour de 10 exposant 30, absolument impossible à gérer
expérimentalement). Cependant, le criblage in silico ne se réduit pas à une question de nombre ou de
réduction des couts, c'est une approche génératrice d'idées qui assiste le design de molécules thérapeutiques
en insufflant des concepts innovants au carrefour de la chimie, de la biologie, de la clinique, de la
biophysique, des biostatistiques et de l’informatique.
Généralement, tout criblage virtuel se décompose en trois grandes étapes :
la mise au point de la chimiothèque ;
le criblage in silico proprement dit ;
la sélection d'une liste de touches pour les tests expérimentaux.
CHOIX ET CONCEPTION DE LA CHIMIOTHÈQUE ÉLECTRONIQUE
Une attention particulière sera portée à la préparation de la chimiothèque électronique.
Les critères de choix des paramètres de la chimiothèque sont généralement identiques à ceux du criblage
expérimental.
Plusieurs filtrages physicochimiques, alertes structurales… mentionnés dans la section criblage expérimental
sont appliqués ainsi que la notion de diversité. Les filtres sont destinés à éliminer les molécules chimiquement
réactives, toxiques, présentant des propriétés physicochimiques inadéquates pour l’administration chez
l’Homme ou l’animal. Ces filtres peuvent être très permissifs ou au contraire très stricts en fonction des
projets.
Le criblage in silico peut utiliser une grande chimiothèque (~ 30-50 millions de molécules commercialement
disponibles auprès des divers fournisseurs) et ou une chimiothèque venant d’un seul fournisseur comprenant
alors autour de 2-3 millions de composés. Dans tous les cas, la diversité sera étudiée. Pour des commodités
pratiques et de couts, mieux vaut au préalable limiter le nombre de fournisseurs pour l’obtention ultérieure des
molécules.
Il est aussi possible d’utiliser une chimiothèque virtuelle (c’est-à-dire composée de molécules non encore
synthétisées mais qui obéissent à des règles simples de synthèse). A ce jour, la plus grosse chimiothèque
virtuelle comprenant des composés constitués d’environ 17 atomes contient 166 milliards de molécules.
Ressources
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Public
Bases de données et logiciels disponibles : vls3d.com
Société française de chémo-informatique (SFCI) chemoinformatique.fr
Plates-formes GIS Ibisa (ibsa.net) : PICT (Toulouse) ; Cdithem (Paris, Lille), Renabi-IFB (Ile-de-France)
Privé
Prestwick Chemical prestwickchemical.com
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Criblage in silico
DEUX GRANDES STRATÉGIES DE CRIBLAGE IN SILICO
Deux grandes stratégies peuvent être associées selon que :
1. La structure 3D de la cible est connue. Fondée sur la structure tridimensionnelle de la cible (structure
3D expérimentale ou prédite par des méthodes théoriques), cette approche consiste principalement à
réaliser du «docking » encore appelé « arrimage » ou « ancrage moléculaire » et des approches
pharmacophoriques en 3D qui prennent en compte la topologie de la poche de fixation. L'arrimage, par
exemple, consiste à prédire à la fois la conformation active et l'orientation relative approximative de
chacune des molécules de la chimiothèque sur une poche prédite ou connue présente sur la cible
thérapeutique d'intérêt.
Cette approche crible en général de l’ordre de 5 millions de composés et nécessite environ trois semaines
d’analyse et environ un mois de calcul sur un cluster.
2. Des petites molécules bioactives (ligands) sont connues. Cette méthode de criblage fondée sur la
structure du ligand (« ligand-based ») utilise des informations sur les propriétés des ligands existants de la
cible ou d’une cible proche. Les petites molécules bioactives initiales sont identifiées dans des bases de
données, dans la littérature ou encore par un criblage expérimental initial. Les principales méthodes sont
les approches pharmacophores, les clés structurales, les empreintes moléculaires, le QSAR (Quantitative
Structure–Activity Relationship)...
Cette approche crible environ 50 millions de composés en deux à trois semaines. Basée sur la structure de
quelques ligands validés in vitro avant l‘optimisation de lead, cette étape ébauche les premières relations
structures-activité.
Quelle que soit la stratégie mise en œuvre, un score permet de classer les composés et de générer une petite
liste de molécules (entre 100 et 1000 en fonction de la complexité de la tâche et des objectifs) qui seront
ensuite testées expérimentalement. La sélection finale des composés à tester nécessite une analyse visuelle
approfondie.
NB : les approches in silico peuvent aussi être utilisées après un criblage phénotypique pour rechercher des
cibles possibles.
SÉLECTION DES TOUCHES POUR LE TEST EXPERIMENTAL
Il est généralement préférable de choisir pour le test expérimental :
- des molécules qui se regroupent en famille (avec au moins 2 ou 3 membres par famille),
- des molécules avec un bon profil physicochimique. En effet, étant donné l’impossibilité de tester
expérimentalement un trop grand nombre de molécules candidates, il convient de favoriser les
molécules les plus solubles (bien que cette propriété complexe soit difficile à prédire) avec un bon
potentiel pour la phase d’optimisation (par exemple un PM inférieur à 400).
Enfin, avant de commander ou synthétiser les molécules, il est important de :
- visualiser les molécules,
- rechercher de manière plus précise certaines sous-structures potentiellement toxiques
- vérifier dans les grandes bases de données que les composés sélectionnés ne touchent pas de
nombreuses cibles.
- s’assurer que les molécules sont disponibles chez les différents fournisseurs.
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Criblage in silico
Choix de la chimiothèque et
réalisation du test
Taille et diversité de la
chimiothèque
Design de la chimiothèque
Questions
La chimiothèque présente-t-elle une diversité structurale suffisante pour permettre
l’identification d’un nombre suffisant de hits ?
En général, une grande diversité est recherchée. Dans certaines situations toutefois, on
peut être amené à restreindre cette diversité.
Est-il adapté aux connaissances sur la structure de la cible (ou la famille de la cible) ou
sur le ligand, au stade d’avancement du projet voire de la pathologie ciblée.
Selon le type d’interactions visé (site catalytique vs allostérique, interactions protéinesprotéines,…), le nombre de composés à tester aussi bien que le taux de succès varient.
Chimiothèque générale, dédiée
ou restreinte
Plus la cible et les mécanismes sont complexes, plus il est nécessaire de cribler un
nombre important de molécules
Les structures 3D de cette cible, famille de cibles ou des ligands de la cible, sont-ils
connus ?
Quels sont les contraintes en termes de temps et de coûts selon le stade d’avancement
du projet ?
Criblage rapide vs exploration de
nouveaux espaces chimiques
Souhaite-t-on :
- Réaliser une analyse rapide dans l’objectif de réduire les coûts ?
- explorer un nouvel espace chimique, caractériser des hits originaux, des poches
non explorées de la cible, « repêcher » des composés manqués en HTS ?
Critères pratiques de choix de la
chimiothèque
Dans la perspective d’une synthèse ultérieure de molécules, la chimiothèque choisie
fait-elle appel à un nombre limité de fournisseurs ?
La chimiothèque est-elle virtuelle, c'est-à-dire constituée de molécules non encore
synthétisées ?
Appréciation de la qualité et
sélection des composés
Quelles sont les modalités du contrôle qualité ? Quelles sont les informations
disponibles sur la chimiothèque (recherche de sous-structures toxiques, disponibilité
des composés, analyse rapide des autres cibles potentiels des composés sélectionnés,
solubilité potentielle des composés sélectionnés…) ?
Taux de succès du criblage,
robustesse du test
Un post-traitement des données, en fonction des connaissances sur la cible ou sur le
ligand, de l’introduction de paramètres plus contraignants (toxicité,…) afin d’affiner les
résultats, est-il possible ?
Références
• Taboureau O. et al. (2012) Established and Emerging Trends in Computational Drug Discovery in the
Structure Genomics Area. Chem. Biol., 19: 29-41
• Sirois S. et al (2005) Assessment of chemical libraries for their druggability. Comput. Biol. Chem., 29:55-67
• Reymond J.L. (2015) The chemical space project. Acc. Chem. Res. 48:722-730
• Clark D.E. (2008) What has virtual screening ever done for drug discovery? Expert Opinion on Drug
Discovery 8: 841‐851
• Rester U. (2008) From virtuality to reality - Virtual screening in lead discovery and lead optimization: a
medicinal chemistry perspective. Curr Opin Drug Discov Devel. 11:559-568.
• Caldwell G.W. (2015) In silico tools used for compound selection during target-based drug discovery and
development. Expert Opin Drug Discov. 8:1-23.
• Green D.V. et al. (2012) Computer-aided molecular design under the SWOTlight. J. Comput. Aided Mol. Des.
26:51-56.
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