การค้นพบ Vinyl Sulfone Derivative ด้วยคอมพิวเตอร์ ในฐานะสารยับยั้ง EGFR Tyrosine Kinase ยุคใหม่

การบำบัดแบบมุ่งเป้าได้กลายเป็นหนึ่งในกลยุทธ์ที่มีประสิทธิภาพและมีแนวโน้มดีที่สุดในการต่อสู้กับโรคมะเร็งอย่างต่อเนื่อง โดยนำเสนอความแม่นยำในระดับที่เคมีบำบัดแบบดั้งเดิมไม่สามารถทำได้ จุดสนใจที่สำคัญของแนวทางนี้คือ ตัวรับปัจจัยการเจริญเติบโตของผิวหนัง (EGFR) ซึ่งเป็นโปรตีนที่มีบทบาทสำคัญในการควบคุมการเพิ่มจำนวนและการอยู่รอดของเซลล์ ในมะเร็งหลายชนิด รวมถึงมะเร็งปอดชนิดเซลล์ไม่เล็ก มะเร็งเต้านม และมะเร็งรังไข่ EGFR จะมีการแสดงออกที่มากเกินไป นำไปสู่การส่งสัญญาณที่ผิดปกติซึ่งขับเคลื่อนการเติบโตของเนื้องอกอย่างควบคุมไม่ได้ แม้ว่ายาที่ได้รับการรับรองทางการแพทย์เช่น erlotinib ซึ่งยับยั้งโดเมน EGFR tyrosine kinase (EGFR-TK) จะประสบความสำเร็จ แต่ประสิทธิภาพของยามักถูกจำกัดด้วยผลข้างเคียงที่สำคัญและการพัฒนาการดื้อยาที่หลีกเลี่ยงไม่ได้

ความท้าทายที่สำคัญนี้ได้สร้างความต้องการเร่งด่วนสำหรับสารบำบัดชนิดใหม่ที่มีศักยภาพและความจำเพาะเจาะจงสูงกว่าเดิม เพื่อตอบสนองต่อความต้องการนี้ งานวิจัยที่ปฏิวัติวงการซึ่งร่วมเขียนโดย รองศาสตราจารย์ ดร. เกียรติทวี ชูวงศ์โกมล ได้บุกเบิกแนวทางการค้นพบยาด้วยคอมพิวเตอร์อันทรงพลัง งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นถึงการระบุ Vinyl Sulfone Derivative ชนิดใหม่ในฐานะสารยับยั้ง EGFR Tyrosine Kinase Inhibitor ยุคต่อไป ด้วยการออกแบบและคัดกรองคลังสารประกอบในสภาพแวดล้อมเสมือนจริงก่อนที่จะเข้าสู่ห้องปฏิบัติการ งานนี้ประสบความสำเร็จในการระบุโมเลกุลขนาดเล็กที่ไม่เพียงแต่มีศักยภาพมากกว่ายา erlotinib ที่มีอยู่ แต่ยังแสดงฤทธิ์ที่สำคัญต่อเซลล์มะเร็งที่ดื้อยาอีกด้วย

เป้าหมายทางวิทยาศาสตร์ การปลดอาวุธเครื่องจักรการเติบโตของเซลล์มะเร็ง

โปรตีน EGFR เป็นสมาชิกของตระกูล ErbB ของตัวรับไทโรซีนไคเนส และเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของเส้นทางการส่งสัญญาณของเซลล์ที่ควบคุมหน้าที่หลักๆ เช่น การเพิ่มจำนวน การอยู่รอด และการตายของเซลล์ โปรตีนประกอบด้วยโดเมนภายนอกเซลล์ บริเวณที่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ และโดเมนภายในเซลล์ซึ่งมี

โดเมนไทโรซีนไคเนส (TK) ที่สำคัญอยู่ เมื่อถูกกระตุ้น โดเมน TK นี้จะทำหน้าที่เป็น “เครื่องยนต์” ของกลไกการเจริญเติบโตของเซลล์มะเร็ง โดยริเริ่มปฏิกิริยาลูกโซ่ของสัญญาณที่สั่งให้เซลล์แบ่งตัวอย่างควบคุมไม่ได้ กลยุทธ์หลักสำหรับยามะเร็งโมเลกุลเล็ก เช่น erlotinib และ gefitinib ที่ได้รับการอนุมัติจาก FDA คือการขัดขวางตำแหน่งจับกับ ATP ของโดเมน TK นี้ทางกายภาพ การกระทำนี้เปรียบได้กับการตัดสายส่งน้ำมันไปยังเครื่องยนต์ ซึ่งเป็นการหยุดยั้งสัญญาณที่ส่งเสริมมะเร็งและหยุดการเติบโตของเนื้องอกได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม หลังจากระยะเวลาตอบสนองเฉลี่ย 9 ถึง 13 เดือน ผู้ป่วยมักจะพัฒนาการดื้อยาที่เกิดขึ้นภายหลัง ซึ่งบ่อยครั้งเกิดจากการกลายพันธุ์ทุติยภูมิในโดเมน EGFR-TK ที่เรียกว่า T790M ความเป็นจริงนี้ทำให้จำเป็นต้องมีการค้นหาสารประกอบใหม่อย่างต่อเนื่องที่สามารถเอาชนะกลไกการดื้อยาเหล่านี้ได้ การศึกษานี้ใช้เป้าหมายเชิงกลยุทธ์เดียวกัน นั่นคือการยับยั้งโดเมน EGFR-TK แต่ด้วยชุดเครื่องมือที่ก้าวล้ำและมีประสิทธิภาพสูง โดยมุ่งเน้นไปที่กลุ่มสารประกอบอินทรีย์ที่เรียกว่าไวนิลซัลโฟน

การคัดกรองแบบดิจิทัลเพื่อค้นหาสารที่เหมาะสมที่สุด

นวัตกรรมที่เป็นหัวใจสำคัญของงานวิจัยนี้คือการคัดกรอง ในคอมพิวเตอร์ (in silico) หรือเชิงคำนวณเบื้องต้นของคลังข้อมูลสารประกอบ Vinyl Sulfone Derivative ที่แตกต่างกัน 78 ชนิด แนวทางนี้ช่วยข้ามขั้นตอนกระบวนการที่ช้าและมีค่าใช้จ่ายสูงของการทดสอบสารประกอบทุกตัวในห้องปฏิบัติการ แต่ใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์อันทรงพลังเพื่อทำนายว่าโมเลกุลใดมีแนวโน้มที่จะมีประสิทธิภาพมากที่สุด ด้วยการใช้เทคนิคคอมพิวเตอร์ที่ซับซ้อนที่เรียกว่า

การจำลองการจับกันของโมเลกุล (Molecular docking) ทีมวิจัยได้จำลองว่าโมเลกุลเสมือนจริงทั้ง 78 โมเลกุลสามารถจับกับตำแหน่งจับกับ ATP ที่สำคัญของโดเมน EGFR-TK ได้ดีเพียงใด การคัดกรองเสมือนจริงปริมาณมากนี้ช่วยให้พวกเขาสามารถประเมินผู้สมัครจำนวนมหาศาลได้อย่างรวดเร็ว โดยสารประกอบแต่ละชนิดจะได้รับคะแนน “พลังงานปฏิสัมพันธ์” เพื่อแสดงถึงความแรงที่คาดการณ์ไว้ของความสามารถในการจับ กระบวนการนี้ได้เปลี่ยนขั้นตอนเริ่มต้นของการค้นพบยาจากการค้นหาเข็มในกองหญ้าให้เป็นกลไกการกรองที่แม่นยำและขับเคลื่อนด้วยข้อมูล จากการคัดกรองเบื้องต้นนี้ นักวิจัยได้กำหนดเกณฑ์ตัดออกโดยพิจารณาจากพลังงานปฏิสัมพันธ์ และได้เลือกสารประกอบที่มีแนวโน้มดีที่สุดแปดชนิด (VF15, VF16, VF29, VF37, VF41, VF52, VF69 และ VF71) เพื่อการวิเคราะห์เพิ่มเติม แบบจำลองการจับทำนายว่าผู้สมัครชั้นนำเหล่านี้สามารถมีปฏิสัมพันธ์กับกรดอะมิโนที่สำคัญในตำแหน่งจับกับ ATP ผ่านการผสมผสานของพันธะไฮโดรเจน ปฏิสัมพันธ์แบบพาย และแรงแวนเดอร์วาลส์ ที่น่าสนใจคือ แบบจำลองแสดงให้เห็นว่ากลุ่มซัลโฟเนตบนสารประกอบส่วนใหญ่สร้างพันธะไฮโดรเจนที่สำคัญกับกรดอะมิโน M769 ในบริเวณบานพับของเอนไซม์ ซึ่งเป็นปฏิสัมพันธ์ที่คล้ายกับของยา erlotinib ที่รู้จักกันดี

จากคำมั่นสัญญาเสมือนจริงสู่การพิสูจน์ในโลกแห่งความจริง การทดสอบไคเนส

แม้ว่าการทำนายด้วยคอมพิวเตอร์จะมีค่าอย่างยิ่งในการจำกัดขอบเขต แต่การทดสอบประสิทธิภาพที่แท้จริงของสารยับยั้งจะต้องเกิดขึ้นในห้องปฏิบัติการ ผู้สมัครชั้นนำทั้งแปดราย ซึ่งผ่านการคัดกรอง in silico และการทดสอบคาดการณ์คุณสมบัติคล้ายยา (กฎของลีพินสกี) แล้ว จะถูกนำไปทดสอบในการทดสอบไคเนสในหลอดทดลอง (in vitro kinase assay) การทดลองนี้จะวัดความสามารถในโลกแห่งความเป็นจริงของสารประกอบในการยับยั้งการทำงานของเอนไซม์ EGFR-TK ที่บริสุทธิ์ ผลลัพธ์ที่ได้เป็นการตรวจสอบแบบจำลองคอมพิวเตอร์ที่ทรงพลัง แต่มาพร้อมกับผลลัพธ์ที่น่าประหลาดใจ สารประกอบหนึ่งตัวคือ VF16 แสดงฤทธิ์ยับยั้งที่เหนือกว่าอย่างมาก โดยสามารถยับยั้งการทำงานของเอนไซม์ได้ถึง 98.91% ที่ความเข้มข้น 1 µM ซึ่งสูงกว่าการยับยั้งที่แสดงโดยยา erlotinib ที่ได้รับการอนุมัติจาก FDA (87.80%) อย่างมีนัยสำคัญภายใต้สภาวะเดียวกัน จากผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยมนี้ VF16 จึงถูกเลือกเพื่อการวิเคราะห์เพิ่มเติมเพื่อหาค่าความเข้มข้นที่ยับยั้งได้ครึ่งหนึ่ง (IC50) ซึ่งเป็นมาตรวัดมาตรฐานทองคำของศักยภาพ ผลลัพธ์ที่ได้น่าทึ่งมาก: Vinyl Sulfone Derivative VF16 แสดงค่า IC50 เพียง 7.85 nM ซึ่งแสดงให้เห็นว่ามันมีศักยภาพมากกว่า erlotinib ประมาณ 3.3 เท่า ซึ่งมีค่า IC50 ที่ 26.09 nM ในการทดสอบเดียวกัน นอกจากนี้ เพื่อยืนยันความจำเพาะเจาะจงของสารประกอบ มันถูกนำไปทดสอบกับไคเนสที่เกี่ยวข้องอื่นๆ คือ HER2 และ JAK3 ผลลัพธ์แสดงฤทธิ์ยับยั้งที่ต่ำมากต่อเป้าหมายอื่นๆ เหล่านี้ ซึ่งยืนยันว่า VF16 มีความจำเพาะเจาะจงสูงต่อ EGFR-TK

ประสิทธิภาพระดับเซลล์ของ Vinyl Sulfone Derivative VF16

การแสดงศักยภาพต่อเอนไซม์ที่บริสุทธิ์เป็นขั้นตอนแรกที่สำคัญ แต่ผู้สมัครยาที่ประสบความสำเร็จจะต้องสามารถฆ่าเซลล์มะเร็งได้ด้วย ดังนั้น สารประกอบ VF16 จึงถูกนำไปทดสอบความเป็นพิษต่อเซลล์กับเซลล์มะเร็งของมนุษย์ที่แตกต่างกันสามสายพันธุ์

• A549 และ A431: เซลล์สองสายพันธุ์ที่ทราบกันดีว่ามีการแสดงออกของ EGFR แบบปกติหรือ “wild-type” ที่มากเกินไป
• H1975: เซลล์มะเร็งปอดที่แสดง EGFR รุ่นกลายพันธุ์ T790M ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีว่าดื้อต่อยา erlotinib เมื่อทดสอบกับเซลล์ A431 และ A549

VF16 แสดงฤทธิ์ความเป็นพิษต่อเซลล์ที่ทรงพลังด้วยค่า IC50 ที่ 33.52 µM และ 54.63 µM ตามลำดับ ซึ่งเทียบเท่ากับประสิทธิภาพของ erlotinib อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์ที่สำคัญที่สุดมาจากการทดสอบกับเซลล์ H1975 ที่ดื้อยา ในเซลล์สายพันธุ์นี้ VF16 มีประสิทธิภาพในการฆ่าเซลล์มะเร็งมากกว่า erlotinib ประมาณ 3 เท่า โดยมีค่า IC50 ที่ 30.38 µM เทียบกับ 98.93 µM ของ erlotinib การค้นพบนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากมันชี้ให้เห็นว่าโครงสร้าง Vinyl Sulfone Derivative ชนิดใหม่อาจเป็นเครื่องมือใหม่ที่ทรงพลังในการเอาชนะหนึ่งในความท้าทายที่สำคัญที่สุดในการบำบัดมะเร็งสมัยใหม่ นั่นคือการดื้อยาที่เกิดขึ้นภายหลัง

การถอดรหัสปฏิสัมพันธ์ พิมพ์เขียวระดับโมเลกุลสำหรับการยับยั้ง

เพื่อทำความเข้าใจว่า เหตุใด สารประกอบ VF16 จึงมีประสิทธิภาพมากนัก นักวิจัยได้ทำการจำลองพลวัตของโมเลกุล (MD simulation) ขั้นสูงเป็นเวลา 500 นาโนวินาที การจำลองนี้ไปไกลกว่าภาพนิ่ง โดยเผยให้เห็นว่าโมเลกุลเคลื่อนที่และเข้าที่ในตำแหน่งจับอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าสารเชิงซ้อนที่เกิดขึ้นระหว่าง VF16 และโดเมน EGFR-TK มีความเสถียรสูง การจำลองเผยให้เห็นว่า VF16 ถูกยึดเหนี่ยวในตำแหน่งออกฤทธิ์ด้วยพันธะไฮโดรเจนที่สำคัญสองตำแหน่ง พันธะไฮโดรเจนที่แข็งแกร่งและเสถียรเกิดขึ้นกับกรดอะมิโน C797 ในขณะที่อีกพันธะหนึ่งเกิดขึ้นกับ M769 ในบริเวณบานพับ ปฏิสัมพันธ์กับ M769 นี้มีความสำคัญเป็นพิเศษ เนื่องจากเป็นปฏิสัมพันธ์หลักที่พบได้เช่นกันในยา erlotinib และ gefitinib การวิเคราะห์เพิ่มเติมได้ระบุกรดอะมิโนหลักทั้งหมดแปดตัว (L718, V726, G796, C797, D800, R841, L844 และ D855) ว่ามีความสำคัญต่อการจับของ VF16 ด้วยการทำความเข้าใจปฏิสัมพันธ์ระดับโมเลกุลที่แม่นยำเหล่านี้ ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์สามารถออกแบบและปรับปรุงสารประกอบในอนาคตอย่างมีเหตุผลเพื่อให้จับได้แน่นยิ่งขึ้นและบรรลุศักยภาพที่สูงขึ้น

โอกาสเชิงพาณิชย์สำหรับ Vinyl Sulfone Derivative ชนิดใหม่

งานวิจัยนี้เป็นมากกว่าการออกกำลังกายเชิงวิชาการ แต่เป็นข้อพิสูจน์แนวคิดสำหรับเครื่องมือวิจัยและพัฒนาอันทรงพลังที่สามารถสร้างผู้สมัครทางการรักษาชนิดใหม่ที่จดสิทธิบัตรได้ สำหรับบริษัท

เภสัชกรรมและเทคโนโลยีชีวภาพ นี่คือโอกาสทางการค้าที่สำคัญ

• ท่อส่งยาใหม่สำหรับเนื้องอกวิทยา: แพลตฟอร์มการคัดกรอง ในคอมพิวเตอร์ (in silico) ที่ผ่านการตรวจสอบแล้ว เป็นวิธีการที่รวดเร็วและคุ้มค่าในการค้นหาสารประกอบออกฤทธิ์ทางชีวภาพชนิดใหม่ที่มุ่งเป้าไปที่ EGFR ไม่เพียงเท่านั้น แต่ยังอาจรวมถึงมะเร็งที่ขับเคลื่อนโดยไคเนสอื่นๆ
• การเอาชนะการดื้อยา: ประสิทธิภาพที่พิสูจน์แล้วของ VF16 ต่อเซลล์กลายพันธุ์ T790M ทำให้ Vinyl Sulfone Derivative นี้เป็นสารประกอบนำที่มีค่าอย่างยิ่งสำหรับการพัฒนาการรักษาที่สามารถใช้กับผู้ป่วยที่กลับมาเป็นซ้ำจากการรักษาในปัจจุบัน
• การลงทุนเชิงกลยุทธ์ในนวัตกรรม: การวิจัยและพัฒนาขั้นสูงระดับนี้ช่วยให้สามารถสร้างการรักษาแบบ first-in-class ที่มีสถานะทรัพย์สินทางปัญญาที่แข็งแกร่ง สร้างมูลค่าระยะยาวที่สำคัญและเป็นอุปสรรคต่อการแข่งขันในตลาดเนื้องอกวิทยา

ที่ VISBIO ความเชี่ยวชาญของเราอยู่ที่การระบุและบ่มเพาะการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่ก้าวล้ำเช่นนี้ และนำทางการเดินทางที่ซับซ้อนของการพัฒนาผลิตภัณฑ์และการนำออกสู่ตลาด. เราเห็นศักยภาพมหาศาลในแพลตฟอร์มการค้นพบเชิงคำนวณนี้และสารประกอบยับยั้ง EGFR ชนิดใหม่ที่ได้ผลิตขึ้น. การแปลความสำเร็จก่อนคลินิกนี้ให้เป็นความจริงทางคลินิกต้องอาศัยความเป็นหุ้นส่วนเชิงกลยุทธ์ การลงทุน และความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับภูมิทัศน์ทางเภสัชกรรม. เราขอเชิญชวนบริษัทเทคโนโลยีชีวภาพ บริษัทยา และนักลงทุนมาร่วมกับเราในการพัฒนาเทคโนโลยีที่น่าตื่นเต้นนี้. ติดต่อเราเพื่อรับคำปรึกษาฟรีและไม่มีข้อผูกมัดเพื่อสำรวจว่าเราจะร่วมมือกันเปลี่ยนงานวิจัยที่เป็นนวัตกรรมนี้ให้เป็นการรักษาที่ช่วยชีวิตได้อย่างไร.