RAPID (Randomized Pharmacophore Identification For Drug Design)

RAPID (Randomized Pharmacophore Identification For Drug Design)

Farmakofor menurut IUPAC adalah faktor sterik dan elektronik yang diperlukan untuk memastikan terjadinya interaksi molekuler secara optimal dengan struktur target biologis spesifik sebagai penginduksi atau penghambat respon biologis(Hamzah et al,2015)

Menurut Hamzah et al (2014) Pemodelan farmakofor berbasis ligan telah menjadi strategi dibidang komputasi khususnya untuk memudahkan penemuan obat khususnya agonis dan antagonis reseptor estrogen alfa yang digunakan sebagai terapi kanker leher rahim tanpa adanya sasaran struktur makromolekul dengan menggunakan aplikasi MOE.

Pencarian farmakofor secara hipotetik digambarkan sebagai pharmacophore query, yaitu seperangkat fitur query yang biasanya dibuat dari titik anotasi ligan. Titik anotasi adalah penanda dalam ruang yang menunjukkan lokasi dan jenis atom atau gugus yang penting, seperti donor dan akseptor hidrogen, pusat aromatik, posisi proyeksi interaksi yang mungkin, muatan gugus, dan bio-isosterik. Poin-poin anotasi pada ligan adalah lokasi fitur yang potensial yang akan menjadi query pharmacophore.

Fitur farmakofor ditentukan melalui empat tahapan yaitu ;

1. membuat database konformasi,
2. membuat Query Pharmacophore,
3. mencari fitur farmakofor berdasarkan Query Pharmacophore pada database konformasi,
4. kemudian memperbaiki Query.

Farmakofor atau pharmacophore adalah konfigurasi spasial fitur penting yang memugkinkan molekul ligan untuk berinteraksi dengan reseptor target tertentu. Dengan tidak adanya struktur reseptor dikenal, farmakofor dapat diidentifikasi dari suatu sel ligan yang telah diamati untuk berinteraksi dengan reseptor sasaran. Sebuah farmakofor didefinisikan sebagai susuanan 3D fitur yang sangat penting untuk molekul ligan untuk berinteraksi dengan reseptor target dalam situs pengikatan tertentu. Setelah diidentifikasi, farmakofor dapat  berfungsi sebagai model penting untuk screening virtual , terutama dalam kasus dimana struktur 3D dari reseptor tidak diketahui dan teknik docking yang tidak berlaku.

Farmakofor merupakan posisi geometrik tiga dimensi dari gugus-gugus yang terdapat di dalam suatu ligan yang membentuk suatu pola yang unik yang dapat dikenali oleh reseptor secara spesifik yang bertanggung-jawab terhadap proses pengikatan ligan dengan suatu reseptor dan aktivasi reseptor tersebut (Thomas, 2007).

Pendekatan farmakofor telah menjadi salah satu alat utama dalam penemuan obat. Berbagai metode berbasis ligan dan berbasis struktur telah dikembangkan untuk permodelan farmakofor yang lebih baik dan telah berhasil dan diterapkan luas. Fitur pendekatan farmakofor ini diharapkan dapat memperkecil waktu dan biaya dalam penemuan dan perkembangan obat baru. Fitur khas pada farmakofor yaitu : sentral hidrofobik, cincin aromatik, akseptor atau donor hidrogen, kation dan anion. Titik farmakofer ini bisa saja terletak pada ligand itu sendiri atau bisa terletak di reseptor.   

Proses pengembangan model farmakofor umumnya melibatkan langkah-langkah berikut:

1. Pilih satu set ligan pelatihan - Pilihlah kumpulan molekul yang beragam secara struktural yang akan digunakan untuk mengembangkan model farmakofor. Sebagai model farmakofor harus dapat membedakan antara molekul dengan dan tanpa bioaktivitas, himpunan molekul harus mencakup senyawa aktif dan tidak aktif.
2. Analisis konformasional - Buat satu set konformasi energi rendah yang cenderung mengandung konformasi bioaktif untuk masing-masing molekul yang dipilih.
3. Superimposisi molekul - Superimpose ("fit") semua kombinasi konformasi energi rendah dari molekul. Kelompok fungsional serupa (bioisosterik) yang umum untuk semua molekul dalam himpunan dapat dipasang (mis., Cincin fenil atau gugus asam karboksilat). Himpunan konformasi (satu konformasi dari masing-masing molekul aktif) yang menghasilkan kecocokan terbaik dianggap sebagai konformasi aktif.
4. Abstraksi - Transformasi molekul yang dilapiskan menjadi representasi abstrak. Sebagai contoh, cincin fenil yang dilapiskan dapat disebut secara lebih konseptual sebagai elemen 'batang aromatik' farmakofor. Demikian juga, gugus hidroksi dapat ditunjuk sebagai elemen farmakofor donor / akseptor hidrogen-ikatan.
5. Validasi - Model farmakofor adalah hipotesis yang menghitung aktivitas biologis yang diamati dari sekumpulan molekul yang mengikat target biologis yang sama. Model ini hanya berlaku sejauh ia mampu menjelaskan perbedaan aktivitas biologis dari berbagai molekul.

Tipe ikatan farmakofor

1. Ikatan Hidrogen (Asam-Basa Lewis).

Dalam kimia, ikatan hidrogen adalah sejenis gaya tarik antar molekul atau antar dipol-dipol yang terjadi antara dua muatan listrik parsial dengan polaritas yang berlawanan. Walaupun lebih kuat dari kebanyakan gaya antarmolekul, ikatan hidrogen jauh lebih lemah dari ikatan kovalen dan ikatan ion. Ikatan hidrogen terjadi ketika sebuah molekul memiliki atom N, O, atau F yang mempunyai pasangan elektron bebas (lone pair electron). Kekuatan ikatan hidrogen ini dipengaruhi oleh perbedaan elektronegativitas antara atom-atom dalam molekul tersebut. Semakin besar perbedaannya, semakin besar ikatan hidrogen yang terbentuk. Ikatan hidrogen memengaruhi titik didih suatu senyawa. Semakin besar ikatan hidrogennya, semakin tinggi titik didihnya. Namun, khusus pada air (H₂O), terjadi dua ikatan hidrogen pada tiap molekulnya. Akibatnya jumlah total ikatan hidrogennya lebih besar daripada asam florida (HF) yang seharusnya memiliki ikatan hidrogen terbesar (karena paling tinggi perbedaan elektronegativitasnya) sehingga titik  didih air lebih tinggi dari pada asam florida.

2. Ikatan Van der walls

Gaya van der Waals dalam ilmu kimia merujuk pada jenis tertentu gaya antar molekul. Istilah ini pada awalnya merujuk pada semua jenis gaya antar molekul, dan hingga saat ini masih kadang digunakan dalam pengertian tersebut, tetapi saat ini lebih umum merujuk pada gaya-gaya yang timbul dari polarisasi molekul menjadi dipol. Gaya Van Der Waals terjadi akibat interaksi antara molekul-molekul non polar (Gaya London), antara molekul-molekul polar (Gaya dipole-dipol) atau antara molekul non polar dengan molekul polar (Gaya dipole-dipol terinduksi). Ikatan Van Der Waals terdapat antar molekul zat cair atau padat dan sangat lemah. Karena gaya ini sangat lemah maka zat yang mempunyai ikatan van der waals akan mempunyai titik didih yang sangat rendah. Meskipun demikian gaya van der waals bersifat permanen dan lebih kuat dari gaya london. Contoh gaya van der waals terdapat pada senyawa hidrokarbon. Misalnya pada senyawa CH₄. Perbedaan keelektronegatifan C (2,5) dengan H (2,1) sangat kecil, yaitu sebesar 0,4.

3. Ikatan Ion

Ikatan ion merupakan suatu ikatan yang terjadi pada atom yang memiliki muatan yang besarnya sama tapi mempunyai muatan yang berlawanan tanda. Ikatan ion terbentuk sebagai akibat adanya gaya tarik menarik antara ion positif dan ion negatif. Ion positif terbentuk karena unsur logam melepaskan elektronnya, sedangkan pada ion negatif terbentuk karena unsur nonlogam menerima elektron. Ikatan ion terjadi karena adanya serah terima elektron. Atom-atom membentuk suatu ikatan ion karena masing-masing atom ingin mencapai keseimbangan/kestabilan seperti struktur elektron gas mulia.

4. Konformasi Aktif

Konformasi adalah suatu penataan ruang tertentu dari atom – atom dalam molekul. Konformasi aktif diadopsi dari suatu obat. Identifikasi konformasi aktif berguna untuk mengkonformasi 3 dimensi dari suatu molekul. Konformasi aktif yang stabil menjadi suatu harapan.

      Struktur 2D farmakofor

Mendefinisikan kerangka minimum yang menghubungkan kelompok pengikat penting.

      Struktur 3D farmakofor

Mendefinisikan posisi relatif di ruang kelompok pengikat penting.

RAPID (Randomized Pharmacophore Identification Drug Design) adalah sistem perangkat lunak yang terintegrasi dengan  mencoba mengidentifikasi invariants geometrik di antara kumpulan molekul ligan kecil seperti molekul. RAPID sebagai metode komputerisasi yang digunakan untuk tujuan penentuan analisis dan identifikasi komfor suatu ligan sehingga dapat digunakan untuk dasar atau bahan pembuatan dan desain obat-obatan farmasi baru yang sesuai dengan kebutuhan.

Desain obat merupakan proses iterasi dimulai dengan penentuan senyawa yang menunjukkan sifat biologi penting dan diakhiri dengan langkah optimasi, baik dari profil aktivitas maupun sintesis senyawa kimia. Tanpa pengetahuan lengkap tentang proses biokimia yang bertanggungjawab terhadap aktivitas biologis, hipotesis desain obat pada umumnya didasarkan pada pengujian kemiripan struktural dan pembedaan antara molekul aktif dan tak aktif. Kombinasi antara strategi mensintesis dan uji aktivitasnya menjadi sangat rumit dan memerlukan waktu yang lama untuk sampai pada pemanfaatan obat. Dengan kemajuan di bidang kimia komputasi, peneliti dapat menggunakan komputer untuk mengoptimasi aktivitas, geometri dan reaktivitas, sebelum senyawa disintesis secara eksperimental. Hal ini dapat menghindarkan langkah sintesis suatu senyawa yang membutuhkan waktu dan biaya mahal, tetapi senyawa baru tersebut tidak memiliki aktivitas seperti yang diharapkan.

Dua metode yang saling melengkapi dalam penggunaan komputer sebagai alat bantu penemuan obat, adalah ligand-based drug design (LBDD) yaitu rancangan obat berdasarkan ligan yang sudah diketahui, dan structure-based drug design (SBDD) yaitu rancangan obat berdasarkan struktur target yang didasarkan pada struktur target reseptor yang bertanggung jawab atas toksisitas dan aktivitas suatu senyawa didalam tubuh. Metode LBDD yang lazim digunakan adalah pharmacophore discovery, hubungan kuantitatif struktur-aktivitas (HKSA/QSAR), dan docking molekular (molecular docking). Sedangkan SBDD memanfaatkan informasi dari struktur protein target untuk mencari sisi aktif protein yang berikatan dengan senyawa obat. Berdasarkan prediksi sisi aktif dapat dirancang senyawa yang diharapakan berikatan dengan protein target tersebut dan memiliki aktivitas biologis.

Kimia komputasi adalah cabang kimia yang menggunakan hasi l kimia teori yang diterjemahkan ke dalam program komputer untuk menghitung sifat-sifat molekul dan perubahannya. Kimia komputasi dapat pula melakukan simula i terhadap sistem-sistem besar (atau banyak molekul protein gas, cairan, padatan, dan kristal cair) , dan menerapkan program tersebut pad a sistem kimia nyata . Contoh sifat-sifat molekul yang dihitung antara lain struktu r atom , energi da n selisih energi , muatan, momen dipol , kereaktifan , frekuensi getaran dan besaran spektroskopi Iainnya . Simulasi terhadap makromolekul (seperti protein dan asa m nukleat ) da n sistem besar bisa mencakup kajian konformasi molekul dan perubahannya (mis . proses denaturasi protein), perubahan fasa , serta peramalan sifat-sifat makroskopik (sepert i kalor jenis ) berdasarkan perilaku ditingkat atom dan molekul .

Metode yang digunakan dalam rancangan obat rasional antara lain adalah :

1. Rancangan obat dengan bantuan komputer (Computer assited Drug Design = CADD)' terutama berhubungan dengan parameter kimia fisika yang terlibat     dalam aktivitas obat,hubungan kuantitatif struktur-aktivitas dan model kimia kuantum atau perhitungan orbit molekul.
2. Grafik molekul, terutama untuk mengetahui bentuk konformasi dan model molekul senyawa sebagai petunjuk dalam rancangan analog.
3. Kesesuaian reseptor (Reseptor-fit), untuk karakterisasi reseptor farmakologis dan melihat model interaksi obat-reseptor atau substrat-enzim serta ikatan-ikatan kimia yang terlibat dalam interaksi obat-reseptor.

Rancangan obat rasional dapat dibagi menjadi dua syarat, yaitu:

1. Struktur 3Dimensi target biologis (receptor-based drug design).

Pengembangan molekul kecil dengan sifat yang diinginkan untuk target, biomolekul (protein atau asam nukleat), yang fungsional peran dalam proses seluler dan informasi struktural 3D dikenal. Pendekatan ini dalam desain obat mapan dan sedang diterapkan secara luas oleh industri farmasi.

Tahap umum receptor-based drug design:

1. Diuji struktur 3D dari target biologis (biasanya berupa struktur kristal sinar-ray); kalau bisa target yang sudah membentuk kompleks dengan molekul kecil (ligan) aktif.
2. Dicari gugus kimia spesifik yang berperan dalam interaksi antara protein target dan obat.
3. Merancang kandidat obat baru yang mempunyai pola interaksi yang sama terhadap target biologis.

2. Struktur molekul kecil yang sudah terbukti aktif (pharmacophore-based drug design).

Pengembangan molekul kecil dengan sifat yang telah ditetapkan untuk target, yang fungsi seluler dan informasi strukturalnya mungkin diketahui atau tidak diketahui. Pengetahuan tentang target yang tidak diketahui (gen dan protein) dapat diperoleh dengan menganalisis data ekspresi gen global dari sampel yang tidak diobati dan diobati dengan obat menggunakan alat komputasi canggih.

Tahap umum pharmacophore-based drug design:

1. Pengujian sifat/fitur molekul-molekul (ligan) kecil inaktif dan fitur molekul-molekul kecil yang aktif.
2.  Menyusun hipotesis tentang gugus fungsi apa pada ligan yang dibutuhkan untuk aktivitas biologis, dan gugus fungsi apa yang menekan aktivitas biologis.
3. Menyusun ligan baru dengan gugus fungsi/kimiawi yang diperlukan dengan profil 3D/lokasi yang sama dengan ligan aktif. (“Mimic” the active groups).

ü  HKSA (HUBUNGAN KUANTITATIF STRUKTUR KIMIA)

Hubungan kuantitatif struktur kimia dan aktivits biologis obat (HKSA) merupakan bagian penting rancangan obat, dalam usaha mendapatkan suatu obat baru dengan aktivitas yang lebih besar, keselektifan yang lebih tinggi, toksisitas atau efek samping yang sekecil mungkin dan kenyamanan yang lebih besar. Selain itu dengan menggunakan model HKSA, akan lebih banyak menghemat biaya ataulebih ekonomis, karena untuk mendapatkan obat baru dengn aktivitas yang dikehendaki, factor coba-coba ditekan sekecil mungkin sehingga jalur sintesis menjadi lebih pendek.

Pendekatan hubungan struktur dan aktivits biologis mulai berkembang dengan pesat dengan dipelopori oleh Corwin Hansch dan kawan-kawan, yang menghubungkan struktur kimia dan aktivitas biologis obat melalui sifat-sifat kimia fisika umum seperti kelarutan dalam lemak, derajat ionisasi atau ukuran molekul. Setelah itu hubungan kuantitatif antara aktivitas biologis dan parameter yang menggambarkan perubahan sifat kimia fiiska yaitu parameter hidrofobik,

elektronik dan sterik.

1. Model Pendekatan HKSA Free-Wilson

Free dan Wilson (1964) mengembangkan suatu konsep hubungan struktur dan aktivitas biologis obat yang dinamakan model de novo atau model matematik Free-Wilson.

Untuk menghitung konstribusi masing-masing digunakan perhitungan statistik cara matriks dan analisis multiregresi linier dengan bantuan computer program QSAR. Hasilnya diperoleh gugus-gugus yang memberikan sumbangan optimal terhadap aktivitas biologis struktur induk.

Kekurangan model Free-Wilson  :

• Tidak dapat digunakan bila efek substituen bersifat tidak linier atau bila ada interaksi antar substituen.
• Memerlukan banyak senyawa dengan kombinasi substituen bervariasi untuk dapat menarik kesimpulan yang benar

Kelebihan model Free-Wilson :

• Dapat menghubungkan secara kuantitatif antara struktur kimia dan aktivitas biologis dari turunan senyawa dengan bermacam-macam gugus substitusi pada berbagai zona.
• Model ini digunakan bila tidak ada data tetapan kimia fisika dari senyawa-senyawa yang diteliti dan uji aktivitas lebih lambat dibanding dengan sintesis turunan senyawa

2. Model Pendekatan HKSA Hansch

Hansch (1963) mengemukakan konsep bahwa hubungan struktur kimia dengan aktivitas biologis (log1/C) suatu turunan senyawa dapat dinyatakan secara kuantitatif melalui parameter-parameter sifat kimia fisika dari substituent yaitu parameter hidrofobik (π), elektronik dan sterik. Model ini disebut model hubungan energy bebas linier atau penekatan ekstratermodinamik.

Selain itu, Rancangan obat dengan bantuan komputer (Computer Asssisted Drug Design=CADD), terutama berhubungan dengan parameter kimia fisika yang terlibat dalam aktivitas obat, hubungan kuantitatif struktur aktivitas dan model kimia kuantum atau perhitungan orbital molekul.

Program komputer untuk rancangan obat rasional antara lain:

1. BIOCES: Biochemical Expert System, untuk model protein, rekayasa protein dan Kimia Medisinal.
2.  CoMFA: Comparative Molecular Field Analysis.
3. EMIL: Example Mediated Innovation for Lead Evolution, untuk mencari evolusi atau rancangan analog.
4. MMMS: untuk model molekul, rancangan obat dan perhitungan kimia kuantum.
5. GREEN: untuk studi struktur reseptor.
6.  RECEPT: untuk rasional superkomposisi molekul dan mapping reseptor.
7. MMS-X: untuk rancangan obat, mapping reseptor dan analisiskonformasi.

Program komputer untuk menghubungkan struktur molekul dengan aktivitas biologis antara lain:

1. ALS: Adaptive Least Square
2.  LDA: Linear Discriminant Analysis
3.  SIMCA: Statistical Isolinear Multiple Compound Analysis
4. LLM: Linear Learning Machine
5.  SAS: Statistical Analysis System
6. HANSCH: metode Hansch, regresi linear
7. QSAR: analisis regresi dan de novo

Program komputer untuk analisis struktur molekul:

1. CIS: Chemical Information System, berisi data-data spektra massa, ^13CNMR, ^1HNMR, struktur kristal x-ray, dan sistem model matematik.
2. CONGEN: Constrained Structure Generation, bagian dari program DENDRAL, untuk membantu elusidasi struktur sistem cincin, substitusi isomer, rangka terpen, dan senyawa produk alam.

ü  DOCKING MOLEKULER

Molecular docking bertujuan meniru peristiwa interaksi suatu molekul ligan dengan protein yang menjadi targetnya pada uji in-vitro. Molecular docking dapat diklasifikasikan menjadi 3 berdasarkan fleksibilitas molekul yaitu Rigid Docking (bersifat rigid/kaku), semi-fleksible docking (bersifat semi fleksibel) dan fleksible docking (bersifat fleksibel).Tujuan dari docking adalah untuk mencapai konformasi protein dan ligan yang optimal. Docking membantu dalam mempelajari obat / ligan atau interaksi reseptor / protein dengan mengidentifikasi situs aktif yang cocok pada protein, mendapatkan geometri terbaik dari kompleks ligan –reseptor. Docking menjadi dasar untuk penemuan obat secara simulasi

komputasi. Langkah pertama dari desain obat dibantu komputer adalah menemukan situs pengikatan ligan protein, yang merupakan kantong atau celah pada permukaan protein yang digunakan untuk mengikat ligan (obat terlarang) .

Dengan peningkatan jumlah struktur biologi molekul yang tersedia, pendekatan docking telah menjadi alat yang sangat penting dan berguna dalam penemuan obat rasional berbasis struktur dan desain. Untuk reseptor protein dengan struktur tiga dimensi yang dikenal, masalahnya docking ligan-protein pada dasarnya terdiri dalam memprediksi konformasi terikat ligan molekul dalam situs aktif protein. Berbagai metode komputasi telah dikembangkan untuk menentukan struktur dan fungsi protein dan mempelajari lebih lanjut tentang protein lipat mekanisme. Efisien komputasi teknik dapat membantu untuk memecahkan masalah struktur protein (yaitu Homologi pemodelan, threading dan ab initio), yang memungkinkan aplikasi yang beragam dalam banyak bidang penelitian scientifik.

 Pengetahuan tentang struktur 3D protein ini juga sangat penting untuk studi mitra makromolekul lain dengan siapa mereka dapat berinteraksi. Selain itu dengan penerapan komputasi dalam hal ini juga dapat mengurangi biaya yang sangat besar, dan menghemat waktu dalam rekombinasinya, serta mempermudah dalam perhitungan kompleks suatu rekombinasi. Dalam hal ini masalah utama docking adalah sulit optimasi yang melibatkan banyak derajat kebebasan, dan pengembangan efisien docking algoritma dan metodologi akan menjadi manfaat besar dalam desain obat baru. Dalam hal ini pendekatan algoritma optimasi sangat membantu optimasi untuk mendapatkan desian obat secara simulasi. Kombinasi dari algoritma genetika (GA) , rotamer Perpustakaan dan dinamika molekular (MD) atau normal mode (NM), dapat merupakan pendekatan yang baik untuk melakukan docking studi. Algoritma genetika juga dapat digunakan untuk menyelesaiakan permasalahan CVRP, Penempatan pegawai, penjadwalan, optimasi BTS, dll.

Penambatan ligan pada situs tambat protein reseptor

MASALAH :

1. Bagaimana menentukan site target suatu farmakofor obat?
2. Kenapa menggunakan RAPID untuk identifikasi design obat?
3. Keuntungan dan kerugian RAPID?
4. Hubungan RAPID dengan docking molekul?
5. Apa itu docking molekul?
6. Apa fungsi docking molekul dalam mengidentifikasi design obat?

Sumber Pustaka

Hartanto.S.,dan M.I.Irawan.2017. Kajian Pendekatan Penempatan Ligan pada Protein Menggunakan Algoritma Genetika. Jurnal Sains Dan Seni Its.Vol. 6, No. 2 2337-3520

Thomas, E, et al. 2007. Identification anfd Preiiminary StructureActivity Relationship, Journal Of Natural Product .Vol 7 (8): 1278-1282.

Dror, Orant, et al. 2010. A Novel Approach Efficient Pharmacophore Based Virtual Screening. Available at http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2767445 [ Diakses pada 14  Oktober 2017].

Nursalam.H., A.Najib., dan Fatmawati.2014. Studi Farmakofor Reseptor Estrogen 𝜶 Sebagai Target Terapi Kanker Serviks.Jurnal Farmasi Fakultas Ilmu Kesehatan.Vol 2 No 4.

Nursalam.H., A.Najib.,N.Thahir.,dan I.misqawati.2015.studi farmakofor reseptor COX-2 sebagai antiinflamasi. Jurnal Farmasi Fakultas Ilmu Kesehatan.Vol 2 No 3.