Design and Identification of Novel Candidates Against the Tyrosine Kinase Domain of ALK by Comprehensive in Silico Approaches

Abstract

Anaplastik büyük hücreli lenfoma hücre hatlarında füzyon protein ortağı olarak keşif edilen Anaplastik Lenfoma Kinaz'ın (ALK), keşifinden bu yana ALK çeşitli füzyon ortakları ile çok sayıda kanserde rol oynadığı ortaya çıkmıştır. Rol oynadıkları kanser şu şekilde sıralanabilir: küçük hücreli olmayan akciğer kanseri (NSCLC); anaplastik büyük hücreli lenfoma (ALCL); nöroblastom; rabdomiyosarkom; vb. Son yılda, ABD Gıda ve İlaç Dairesi (FDA) ALK'yi hedefleyen birçok bileşik onay almıştır. Bu gelişmelere rağmen, yakın zamanda yapılan bir çalışma ALK pozitif NSCLC hastalarının yaklaşık yarısının hastalık ilerlemesi yaşanacağını vurgulanmıştır, başlangıç tedavisi olan Alectinib, ikinci nesil ALK inhibitörü ve üçüncü nesil ALK inhibitörü Lorlatinib rağmen. Bu noktaları göze alarak, bu çalışma ALK'nin tirozin kinaz alanını hedefleyebilecek yeni bileşikler keşfetmek ve geliştirmek için iki farklı yola odaklanmıştır. İlk yaklaşım olarak 200'den fazla α-carboline türevi tasarladık. Devamında moleküler yanaştırma (Docking), moleküler dinamik (MD) simülasyonlarını MM/PBSA ile serbest bağlanma enerjisi hesaplamalarından oluşan in silico protokolleri kullanarak tasarımlarımızın hedefimize karşı bağlanma özelliklerini araştırdık. İkinci yaklaşım olarak büyük bir doğal ürün veritabanını aynı amaca yönelik yeni bir ilaç adayı keşfetme adına sanal olarak taradık. Devamında bağlanma özelliklerini ilk yaklaşımda kullanılan yöntemlerle inceledik. Elde edilen bütün sonuçları göz önünde bulundurarak, sonuçlar takip eden şekilde özetlenebilir. Üç umut verici ilaç adayı aralarından yükselmiştir test edilen bileşikler arasında, bileşik 208, 209 ve CNP0106316.1. Serbest bağlanma enerjileri ise sırasıyla -9.08, -9.80 ve -11.6 kcal/mol olarak bulunmuştur. Ek olarak, ismi geçen bileşikler ilgili MD simülasyonlarında stabil bağlanma profilleri göstermişlerdir.

After the first description of Anaplastic Lymphoma Kinase (ALK) in an anaplastic large cell lymphoma cell line as a nucleophosmin (NPM) fusion partner, ALK and its various fusion partners have been implicated in numerous cancers such as non-small cell lung cancer (NSCLC), anaplastic large cell lymphoma (ALCL), neuroblastoma, rhabdomyosarcoma. In the last decade, several compounds targeting ALK have been developed and approved by the Food and Drug Administration (FDA). Despite the advances of generations of ALK inhibitors, a recent study highlighted that around half of the ALK-positive NSCLC patients will go through disease progression in response to first-line Alectinib and Lorlatinib, which is a second-generation and third generation ALK inhibitors, respectively. Given these points, this study focused on two distinct paths to discover and develop novel compounds that could target tyrosine kinase domain of the ALK. Firstly, we designed more than 200 α-carboline derivatives and investigated their binding properties against ALK tyrosine kinase by using in silico protocols consisting of molecular docking studies, molecular dynamics simulations, and MM/PBSA binding free energy calculation. As a second approach, we virtually screened a large natural product database to a novel drug candidate for possibly inhibiting ALK TK and investigated their binding properties by similar ways utilised in the first approach. Considering the obtained results, we developed three promising candidates, compounds 208, 209 and CNP106316.1 with -9.08, -9.80, and -11.6 kcal/mol and binding energies respectively, which demonstrated improved binding profiles over their respective MD simulations, 300ns for carbolines, 500ns for the NP.