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A new method to bridge the gap between ligand and receptor-based methods in virtual screening (VS) is presented. We introduce a structure-derived virtual ligand (VL) model as an extension to a previously published pseudo-ligand technique [1]: LIQUID [2] fuzzy pharmacophore virtual screening is combined with grid-based protein binding site predictions of PocketPicker [3]. This approach might help reduce bias introduced by manual selection of binding site residues and introduces pocket shape information to the VL. It allows for a combination of several protein structure models into a single "fuzzy" VL representation, which can be used to scan screening compound collections for ligand structures with a similar potential pharmacophore. PocketPicker employs an elaborate grid-based scanning procedure to determine buried cavities and depressions on the protein's surface. Potential binding sites are represented by clusters of grid probes characterizing the shape and accessibility of a cavity. A rule-based system is then applied to project reverse pharmacophore types onto the grid probes of a selected pocket. The pocket pharmacophore types are assigned depending on the properties and geometry of the protein residues surrounding the pocket with regard to their relative position towards the grid probes. LIQUID is used to cluster representative pocket probes by their pharmacophore types describing a fuzzy VL model. The VL is encoded in a correlation vector, which can then be compared to a database of pre-calculated ligand models. A retrospective screening using the fuzzy VL and several protein structures was evaluated by ten fold cross-validation with ROC-AUC and BEDROC metrics, obtaining a significant enrichment of actives. Future work will be devoted to prospective screening using a novel protein target of Helicobacter pylori and compounds from commercial providers.
Protein kinases are targets for drug development. Dysregulation of kinase activity leads to various diseases, e.g. cancer, inflammation, diabetes. Human polo-like kinase 1 (Plk1), a serine/threonine kinase, is a cancer-relevant gene and a potential drug target which attracts increasing attention in the field of cancer therapy. Plk1 is a key player in mitosis and modulates entry into mitosis and the spindle checkpoint at the meta-/anaphase transition. Plk1 overexpression is observed in various human tumors, and it is a negative prognostic factor for cancer patients. The same catalytical mechanism and the same co-substrate (ATP) lead to the problem of inhibitor selectivity. A strategy to solve this problem is represented by targeting the inactive conformation of kinases. Kinases undergo conformational changes between active and inactive conformation and thus an additional hydrophobic pocket is created in the inactive conformation where the surrounding amino acids are less conserved. A "homology model" of the inactive conformation of Plk1 was constructed, as the crystal structure in its inactive conformation is unknown. A crystal structure of Aurora A kinase served as template structure. With this homology model a receptor-based pharmacophore search was performed using SYBYL7.3 software. The raw hits were filtered using physico-chemical properties. The resulting hits were docked using Gold3.2 software, and 13 candidates for biological testing were manually selected. Three compounds of the 13 tested exhibit anti-proliferative effects in HeLa cancer cells. The most potent inhibitor, SBE13, was further tested in various other cancer cell lines of different origins and displayed EC50 values between 12 microM and 39 microM. Cancer cells incubated with SBE13 showed induction of apoptosis, detected by PARP (Poly-Adenosyl-Ribose-Polymerase) cleavage, caspase 9 activation and DAPI staining of apoptotic nuclei.
For a virtual screening study, we introduce a combination of machine learning techniques, employing a graph kernel, Gaussian process regression and clustered cross-validation. The aim was to find ligands of peroxisome-proliferator activated receptor gamma (PPAR-y). The receptors in the PPAR family belong to the steroid-thyroid-retinoid superfamily of nuclear receptors and act as transcription factors. They play a role in the regulation of lipid and glucose metabolism in vertebrates and are linked to various human processes and diseases. For this study, we used a dataset of 176 PPAR-y agonists published by Ruecker et al. ...
Two methods for the fast, fragment-based combinatorial molecule assembly were developed. The software COLIBREE® (Combinatorial Library Breeding) generates candidate structures from scratch, based on stochastic optimization [1]. Result structures of a COLIBREE design run are based on a fixed scaffold and variable linkers and side-chains. Linkers representing virtual chemical reactions and side-chain building blocks obtained from pseudo-retrosynthetic dissection of large compound databases are exchanged during optimization. The process of molecule design employs a discrete version of Particle Swarm Optimization (PSO) [2]. Assembled compounds are scored according to their similarity to known reference ligands. Distance to reference molecules is computed in the space of the topological pharmacophore descriptor CATS [3]. In a case study, the approach was applied to the de novo design of potential peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR gamma) selective agonists. In a second approach, we developed the formal grammar Reaction-MQL [4] for the in silico representation and application of chemical reactions. Chemical transformation schemes are defined by functional groups participating in known organic reactions. The substructures are specified by the linear Molecular Query Language (MQL) [5]. The developed software package contains a parser for Reaction-MQL-expressions and enables users to design, test and virtually apply chemical reactions. The program has already been used to create combinatorial libraries for virtual screening studies. It was also applied in fragmentation studies with different sets of retrosynthetic reactions and various compound libraries.
There is a renewed interest in pseudoreceptor models which enable computational chemists to bridge the gap of ligand- and receptor-based drug design. We developed a pseudoreceptor model for the histamine H4 receptor (H4R) based on five potent antagonists representing different chemotypes. Here we present the selection of potential ligand binding pockets that occur during molecular dynamics (MD) simulations of a homology-based receptor model. We present a method for prioritizing receptor models according to their match with the consensus ligand-binding mode represented by the pseudoreceptor. In this way, ligand information can be transferred to receptor-based modelling. We use Geometric Hashing to match three-dimensional points in Cartesion space. This allows for the rapid translation- and rotation-free comparison of atom coordinates, which also permits partial matching. The only prerequisite is a hash table, which uses distance triplets as hash keys. Each time a distance triplet occurring in the candidate point set which corresponds to an existing key, the match is represented by a vote of the respective key. Finally, the global match of both point sets can be easily extracted by selection of voted distance triplets. The results revealed a preferred ligand-binding pocket in H4R, which would not have been identified using an unrefined homology model of the protein. The key idea was to rely on ligand information by pseudoreceptor modelling.
We developed the Pharmacophore Alignment Search Tool (PhAST), a text-based technique for rapid hit and lead structure searching in large compound databases. For each molecule, a two-dimensional graph of potential pharmacophoric points (PPPs) is created, which has an identical topology as the original molecule with implicit hydrogen atoms. Each vertex is coloured by a symbol representing the corresponding PPP. The vertices of the graph are canonically labelled. The symbols associated with the vertices are combined to a so-called PhAST-Sequence beginning with the vertex with the lowest canonical label. Due to the canonical labelling the created PhAST-Sequence is characteristic for each molecule. For similarity assessment, PhAST-Sequences are compared using the sequence identity in their global pairwise alignment. The alignment score lies between 0 (no similarity) and 1 (identical PhAST-Sequences). In order to use global pairwise sequence alignment, a score matrix for pharmacophoric symbols was developed and gap penalties were optimized. PhAST performed comparably and sometimes superior to other similarity search tools (CATS2D, MOE pharmacophore quadruples) in retrospective virtual screenings using the COBRA collection of drugs and lead structures. Most importantly, the PhAST alignment technique allows for the computation of significance estimates that help prioritize a virtual hit list.
The representation of small molecules as molecular graphs is a common technique in various fields of cheminformatics. This approach employs abstract descriptions of topology and properties for rapid analyses and comparison. Receptor-based methods in contrast mostly depend on more complex representations impeding simplified analysis and limiting the possibilities of property assignment. In this study we demonstrate that ligand-based methods can be applied to receptor-derived binding site analysis. We introduce the new method PocketGraph that translates representations of binding site volumes into linear graphs and enables the application of graph-based methods to the world of protein pockets. The method uses the PocketPicker algorithm for characterization of binding site volumes and employs a Growing Neural Gas procedure to derive graph representations of pocket topologies. Self-organizing map (SOM) projections revealed a limited number of pocket topologies. We argue that there is only a small set of pocket shapes realized in the known ligand-receptor complexes.
Astrozytome WHO Grad III und Glioblastome WHO Grad IV gehören zu der Gruppe der hochmalignen Hirntumoren. Diese hochmalignen Gliome haben insgesamt eine schlechte Prognose. Therapiestrategien sind eine möglichst ausgedehnte chirurgische Resektion des Tumors, sowie darauf folgend eine Strahlentherapie, am besten in Kombination mit einer Chemotherapie. Die kombinierte Radiochemotherapie mit Temodal konnte in dieser Studie zeigen, dass sich das mediane Gesamtüberleben im Vergleich zur Literatur um mindestens 3 Monate verbessert hat, in einer Untergruppe sogar um 6 Monate. Der Vorteil der Therapie mit Temodal ist aber nicht nur das längere mediane Gesamtüberleben und das längere progressionsfreie Überleben, sondern auch die geringere Toxizität im Vergleich zu anderen Chemotherapeutika. Die Therapie mit Temodal gibt den Patienten ein Stück Lebensqualität zurück, da die Patienten das Medikament zu Hause einnehmen können. Die Patienten können meist ambulant bestrahlt werden und müssen nur selten für einige Tage hospitalisiert werden bei höhergradigen Hämatotoxizitäten und können dann wieder zurück zu ihrer Familie. Auch das Allgemeinbefinden wird durch die Therapie mit Temodal weitestgehend nicht gestört, da die möglicherweise auftretende Übelkeit gut mit Antiemetika kontrolliert werden kann. Meist ist die Übelkeit Ausdruck eines Hirnödems, welches mit Steroiden behandelt wird. Dies ist nicht nur ein Vorteil für die Patienten, sondern reduziert auch die Kosten durch das Ausbleiben der stationären Behandlung. Diese retrospektive Studie konnte auch ganz deutlich zeigen, dass die älteren Patienten (>= 70 Jahre) auch von einer kombinierten Radiochemotherapie mit Temodal profitieren. Im Vergleich mit den aufgetreten Toxizitäten zeigen sich die älteren Patienten gleichwertig bzw. leicht im Vorteil gegenüber den jüngeren Patienten. Es besteht somit kein Grund den älteren Patienten diese Therapie der kombinierten Radiochemotherapie mit Temodal vorzuenthalten. Die Resultate der retrospektiven Studie legen nahe, dass alle erwachsenen Patienten mit der Diagnose eines Astrozytoms WHO Grad III und/oder Glioblastomes WHO Grad IV, sowie Gliomrezidives von einer kombinierten Radiochemotherapie mit Temodal, beziehungsweise Temodal in höherer Dosis bei Rezidiv als Monotherapie, ungeachtet ihres Alters, Karnofsky-Index oder Resektionsstatus profitieren können. Zukünftige Therapieregime mit Chemotherapie, immunmodulatorische - Zielsubstanzen (z.B. Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) neutralisierende Antikörper) oder anderen Therapieansätzen zur Therapie dieser hochmalignen Hirntumore, sollten sich mit diesen Auswertungen im medianen Gesamtüberleben, medianen progressionsfreien Überleben, Toxizität, Durchführbarkeit und vor allem Lebensqualität der Patienten messen können.
In der Neurochirurgie sind temporäre externe Ableitungen von Liquor cerebrospinalis häufige Eingriffe zur Behandlung von Liquorabflußstörungen. Besonders bei externen Ableitungen besteht eine unmittelbare Kommunikation zwischen Liquorraum und Hautoberfläche. Infektionen durch den Katheterweg sind häufige Komplikationen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Wirksamkeit silberhaltiger EVD Katheter in vivo zu objektivieren. Dazu wurde die Infektionshäufigkeit konventioneller unbeschichteter EVD Katheter mit dem seit 2004 eingeführten antimikrobiellen silberhaltigen EVD Katheter verglichen. Mit einer statistischen Erfassung der Infektionsparameter aller Patienten die im Studienzeitraum eine externe Ventrikel-Drainage erhielten, wurde überprüft ob eine signifikante bzw. klinisch relevante Senkung der Infektionshäufigkeit vorlag. Hierzu wurden 231 Patienten in der Klinik für Neurochirurgie der Johann Wolfgang Goethe-Universitätsklinik retrospektiv untersucht. Von 231 Patienten wurden nach Anwendung der Ausschlußkriterien 164 in die statistische Analyse aufgenommen. In der Studiengruppe mit silberhaltigen EVD Kathetern befanden sich 74 Patienten, 90 in der Kontrollgruppe. In beiden Patientenkollektiven bestanden keine statistisch relevanten Unterschiede bezüglich der klinischen Charakteristika. Besonders die Verteilung von Antibiotika und Glukokortikoiden war annähernd gleich in beiden Gruppen. In unserer Studie ist der Einsatz silberhaltiger EVD Katheter zur Behandlung chronischer oder akuter Liquorabflußstörungen hinsichtlich des primären Endpunktes positive Liquorkulturen, Katheterkolonisierungen oder erhöhten Zellzahlen im Liquor, mit einer statistisch signifikanten Abnahme der Häufigkeit von positiven Infektionsparametern gegenüber herkömmlichen EVD Kathetern assoziiert (18,9 verglichen mit 33,7%; p=0,04 Chi-Quadrat-Test). Da externe Ventrikeldrainagen die Eintrittspforte für fakultativ pathogene Keime sein können, ist die Anwendung silberhaltiger EVD Katheter im Sinne einer lokalen Infektionsbarriere sinnvoll. Das Risiko katheterassoziierter Infektionen bei neurochirurgischen Patienten kann so gesenkt werden.
Die Haarzellen des Innenohrs setzen durch Schallreize ausgelöste Schwingungen der Basilarmembran in elektrische Impulse um, die über Nerven an das Gehirn geleitet werden und dort nach komplexer neuronaler Verarbeitung die Hörwahrnehmung auslösen. Gleichzeitig erhalten die äußeren Haarzellen über absteigende Nervenverbindungen, die olivo-cochleären Neurone, auch Informationen vom Gehirn, durch die ihre Empfindlichkeit verändert werden kann. Über die Mechanismen dieser efferenten Beeinflussung der Reizverarbeitung im Innenohr ist noch wenig bekannt und auch ihre biologische Funktion ist noch nicht geklärt. Diskutiert wird eine Rolle bei der Verbesserung des Signal-Hintergrundrausch-Verhältnisses und im Zusammenhang mit selektiver Aufmerksamkeit, durch die relevante Anteile der akustischen Umwelt gezielt „herausgehört“ werden können. Ziel dieser Promotionsarbeit ist die Untersuchung der efferenten Beeinflussung der Vorgänge im Innenohr mithilfe der nicht-invasiven Messung von akustischen Beiprodukten der aktiven Reizverstärkung durch die äußeren Haarzellen, den otoakustischen Emissionen. Bei dieser Methode werden mit einem empfindlichen Mikrophon im Gehörgang Schallereignisse aufgenommen, die das Ohr selbst produziert. Die olivo-cochleären Efferenzen können experimentell durch Applikation von Rausch-Stimuli auf dem kontralateralen Ohr aktiviert werden und ihre Wirkung auf die Empfindlichkeit des Innenohrs anhand der Veränderungen der otoakustischen Emissionen auf dem anderen, ipsilateralen Ohr gemessen werden. In Messungen unterschiedlicher Typen von otoakustischen Emissionen am Menschen und an der Mongolischen Wüstenrennmaus konnten deutliche Veränderungen der otoakustischen Emissionen bei gleichzeitiger Beschallung des kontralateralen Ohrs gezeigt werden, die als Modulation der Haarzelleigenschaften und Beeinflussung der cochleären Verstärkung durch Aktivierung der absteigenden Nervenbahnen interpretiert werden können: Spontane otoakustische Emissionen (SOAE), die ohne jegliche akustische Stimulation vom Innenohr generiert werden, zeigten bei kontralateraler akustischer Stimulation eine Verminderung ihres Pegels und eine Erhöhung ihrer Frequenz. Die Pegelverminderung deutet auf eine Dämpfung der cochleären Verstärkungsmechanismen und die Frequenzerhöhung auf eine Erhöhung der Steifigkeit im Corti-Organ und hierdurch veränderte Resonanzeigenschaften nach Aktivierung der efferenten Neurone hin. Distorsionsprodukt-otoakustische Emissionen (DPOAE), die bei Stimulation mit zwei Reintönen (f1 und f2) in Folge der nichtlinearen Verstärkung durch die äußeren Haarzellen entstehen, waren durch kontralaterale akustische Stimulation ebenfalls klar in ihrem Pegel beeinflusst. Die Effekte, sowohl auf SOAE als auch auf DPOAE, waren abhängig vom Pegel des kontralateralen Stimulus und traten bereits bei niedrigen kontralateralen Stimuluspegeln, deutlich unter der Schwelle des Mittelohrreflexes, auf. Durch ihren Zeitverlauf konnten die Effekte den in der Literatur beschriebenen efferenten Vorgängen zugeschrieben werden. Bei anhaltender akustischer Stimulation traten Adaptationsphänomene auf. Weiterhin zeigte sich in Experimenten mit kontralateralem Schmalbandrauschen und Reintönen, dass die efferente Modulation selektiv auf bestimmte Bereiche des tonotop organisierten Innenohrs zielt, also frequenzspezifisch agiert, wobei Reintöne mit Frequenzen, die etwas tiefer als die Stimulationsfrequenz lagen, die größten Effekte erzielten. Dies steht in guter Übereinstimmung zu anatomischen Daten. Besonders interessant an den DPOAE-Messungen war, dass das quadratische Distorsionsprodukt der Frequenz f2-f1 wesentlich empfindlicher reagierte als das kubische Distorsionsprodukt der Frequenz 2f1-f2. Bisher gibt es kaum Daten zu Veränderungen der f2-f1-DPOAE durch efferente Mechanismen. Die beiden DPOAE-Typen sind durch unterschiedliche Parameter der dem Verstärkungsprozess zu Grunde liegenden Transferfunktion beeinflusst, und die experimentell nachgewiesenen Unterschiede deuten darauf hin, dass die Aktivierung der olivo-cochleären Efferenzen ihre dämpfende Wirkung auf die Schallverarbeitung im Innenohr durch eine Verschiebung des Arbeitspunktes der Transfercharakteristik des cochleären Verstärkers entfaltet. Diese Hypothese wurde an der Wüstenrennmaus durch einen ergänzenden methodischen Ansatz unterstützt, bei dem zusätzlich zur Evozierung und Messung von DPOAE mit und ohne gleichzeitiger kontralateraler Aktivierung der Efferenzen ein sehr tieffrequenter „Bias“-Ton mit hohem Pegel appliziert wurde, der das Corti-Organ und damit den Arbeitspunkt des cochleären Verstärkers periodisch auslenkte. Diese Tieftonstimulation hatte eine sehr starke, von der Phase des Bias-Tons abhängige Modulation des f2-f1-Pegels zur Folge, während 2f1-f2 kaum beeinflusst wurde. Das Muster der f2-f1-Pegelmodulation änderte bei zusätzlicher kontralateraler Schallapplikation deutlich seinen Charakter. Entsprechende Veränderungen in den Verzerrungsmustern konnten mithilfe eines einfachen Modells zur DPOAE-Generation, das auf der Beschreibung des Verstärkungsmechanismus durch eine Boltzman-Funktion basierte, simuliert werden. Die Befunde der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die Schallverstärkung im Innenohr durch efferente Mechanismen moduliert wird und dies anhand der nicht-invasiven Messung von otoakustischen Emissionen nachweisbar ist. Dabei deuten die Ergebnisse auf eine Verschiebung des Arbeitspunktes der Transfercharakteristik des cochleären Verstärkers als Mechanismus der olivo-cochleären Modulation der Reizverarbeitung im Innenohr hin.