Inovace a rozšíření výuky zaměřené na problematiku životního prostředí na PřF MU (CZ.1.07/2.2.00/15.0213) spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Metody in silico stanovení výpočtem In silico modely Tradiční i rychlé alternativní laboratorní testy rozsáhlé soubory dat dobré kvality vývoj a validace predikčních toxikologických výpočetních modelů Modely pro odhad toxicity výpočtem (in silico testy): • modely vytvořené a analyzované technikami QSAR • kinetické fyziologické simulační modely (PBSM Physiologically-Based Simulation Models) • modely založené na biologické podobnosti • expertní systémy založžené na souborech znalostí a pravidel • modely vytvořené technikami molekulové grafiky • kombinace různých modelů s umělou neuronovou sítí (Artificial Neural Network). Predikovaná data – Structure Activity Relationships (SARs) – Cílem SAR je predikovat aktivitu/toxicitu látky – výsledky ověřitelné provedení experimentálních studií • Př. Toxicita obecně roste se vzrůstem Kow pokud není příliš nízká rozpustnost – Použití SAR je umožněno kompletací a revizí dat Využití predikovaných dat pro hodnocení akvatické toxicity Rostoucí Kow TOXICITA Látka pravděpodobně toxická pro … Znalosti Rešerše… Zkušenosti… NH2 Toxikofory NH2 QSAR - kvantitativní modely vztahu struktury a aktivity látky - předvídají vlastnosti chemických látek jako jejich toxický efekt či schopnost interakce s receptorem na základě jejich molekulárních struktur - založeny na prostudování daného parametru (jako např. 96-h LC50, log Kow, BCF nebo koncentrace způsobující subletální vliv) na skupině podobných látek (in vitro či in vivo), určení výsledných parametrů a postavení modelu vztahu strukturních charakteristik látky a sledovaného parametru - mohou být použity k predikci toxicity např. u existujících látek, kde nejsou známy, i u látek, které dosud nebyly syntetizovány. QSARs představuje přístup, který poskytuje možnost podstatného snížení počtu potřebných toxikologických experimentů REACH: QSAR modely jsou přímo jmenovány mezi metodami pro hodnocení chemických látek Vztah toxicity a chemické struktury Statistické metody hodnocení toxicity QSAR - quantitative structure-activity relationships QSTR - quantitative structure-toxicity relationships • Statistické hodnocení vlastností látek v chemických řadách • Umožňují rychlý odhad toxicity (a dalších vlastností) látek na základě struktury a znalosti fyzikálních a chemických vlastností látky ze struktury vyplývajících. QSAR Quantitative Structure Activity Relationship • Metoda odhadu biologického účinku na základě struktury látky – postavení QSAR modelu • účinek(aktivita) vs. set adekvátních deskriptorů • Srovnání podobných skupin látek • Studium založeno na různých strukturních parametrech • Počítačová simulace/predikce toxických, genotoxických a dalších účinků • Aplikace korelací mezi vlastnostmi látky spojenými s molekulární stavbou a vlastnostmi spojenými s biologickým systémem • Tyto vztahy je možno popsat matematickými vzorci nebo statisticky. BAi = f(Xi) QSAR: vztah-korelace aktivity/toxicity se strukturou • Parametry toxicity z testu IC50, EC50 • Struktura namodelována v softwaru, získány deskriptory molekuly (velikost, tvar, polarita…) • Vícerozměrnými statistickými metodami hledány vztahy a nalezen nejlepší model • Možná predikce toxicity (vlastnosti) pro netestované látky podobné struktury log(1/EC25) = 1.14 délka – 2.12 planarita + 2.82 (R = .95) Potence aza-PAHs k aktivaci AhR Ellips. Volume log(1/EC25) Ind1MeInd2MeIndNapQuin IQuin PhtalQNaz 6MQuin AntAcr PhnazCar Phe Phnid BhQ 17Phen 47Phen 110Phen BaA BaAcr BcAcr DBahA DBahAc DBaiAc DBajAc DBchAc DBcgCa 2 4 6 8 10 12 14 0 200 400 600 800 1000 1 log(1/EC25) = 0.011 EllipsVol + 1.544 (R = 0.95) Základní matematické vztahy Biologická Aktivita = konst + (C1 P1) + (C2 P2) + (C3 P3) + ... Biologická Aktivita = Velikost (kvantita) biologického účinku - Parametry z testu (LD50, stupeň kancerogenity, dráždivosti, rozložitelnosti... ) r - Korelační koeficient – r2 nabývá hodnot 0 až 1. r 2 = regression variance original variance Molekulové deskriptory (P) popisují strukturu molekuly látky či její vlastnosti • teoretické vs. experimentální: velikost molekuly, molekulová hmotnost, počet a typ funkčních skupin, náboj molekuly, 3D struktura atd. • fyzikálně-chemické vlastnosti: lipofilita, polarizovatelnost, bod varu, log P, • existuje několik tisíc deskriptorů QSAR příklad: regrese π – konstanta hydrofobicity MR – Molekulární refraktivita (souvisí s velikostí molekuly) 1) pouze π Log EC50 = 0.764 – (0.817 π) r2 = 0.89 2) π + MR Log EC50 = 0.762 – (0.819 π) + (0.011 MR) r2 = 0.89 QSAR – omezení využitelnosti  Předpoklad působení shodným mechanismem  Nepracuje příliš dobře pro polární látky  Větší spolehlivost při interpolaci než extrapolaci Nespecifická toxicita – především funkcí 3 hlavních vlastností látek • Hydrofobicita • Reaktivita • Sterické faktory QSAR • nutná validace modelu, statistické testy významnosti modelu MODELOVACÍ DATA TRENOVACÍ DATA VALIDAČNÍ DATA Inovace tohoto předmětu je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky