A study of selected endocrine disrupting chemicals and their binding to host molecules with molecular modelling.
Une étude de perturbateurs endocriniens sélectionnés et leur liaison aux molécules hôtes avec modélisation moléculaire.
Résumé
Endocrine Chemical Disruptors (EDCs) are substances that exhibit adverse effects as a consequence of an endocrine mode of action. It often includes interaction with receptors in the same way as receptor’s natural ligands. Among EDCs there are Active Pharmaceutical Ingredients (APIs) such as steroid hormones. Cyclodextrins (CDs) are cyclic oligosaccharides used as drug delivery systems for APIs of a low solubility in water, and as toxin removing agents. The goal of this study was to develop different molecular modelling techniques to analyze interactions between chosen EDCs and Estrogen Receptor (ER) or CDs. This could lead to a better understanding of the EDCs interactions with the chosen host molecules and possibly show a way to better recognize new potential EDCs. Moreover, the research could point out new direction for toxic EDCs removal or steroidal APIs delivery with application of CDs. The chosen EDCs were: estradiol (EST), progesterone (PRO), bisphenol A (BPA), two of them being APIs (EST and PRO), two of them being classic good examples of well-described EDCs (EST and BPA), one of them being a natural ligand of ER (EST) and one of them being an external to a human body toxin (BPA).Following molecular modelling methods have been in this study: 1) for the first time parametrization of chosen EDCs and CD in AMOEBA polarizable force field and succeeding Molecular Dynamics (MD) simulation of the ER + EST system using Tinker software, 2) benchmark tests of applied parameters in Quantum Mechanics (QM) (Density Functional Theory and semi-empirical approaches) and Molecular Mechanics (MD/MMGBSA) based computation approaches on the example of EST+β-CD system, 3) for the first time crystallization and structural analysis of the EST+β-CD system both in a crystalline state and as a water solution (both computational and experimental approaches).The results and conclusions are as follows: 1) MD simulations of crystal structures showed improved agreement with experiment over an additive force field. A 10 ns simulation of the EST-ER complex was stable and protein-hormone interactions wellreproduced. The developed parameters should thus be suitable for studying hormone and EDC interactions with their hosts. 2) This work for the first time justifies the EST-βCD molar ratio as 1:2 using the high-resolution mass spectrometry and phase solubility studies. While some of the QM methods properly indicated the correct host: guest ratio at the same time they failed to accurately predict the Gibbs free energy (ΔG) of complexation. QM methods that properly described the value of ΔG of 1:2 complex formation, failed to favouer it when compared with 1:1 complex ratio. MD/MMGBSA method accurately predicted the stability constant of the complexed but was not conclusive to indicate the formation of either 1:1 or 1:2 complex. 3) Using SCXRD, the crystal structure of the EST-βCD complex has been determined, being to the best of our knowledge the first solved crystal structure of an estrogen/CD complex. The periodic DFT calculations of NMR properties using GIPAW were found to be particularly helpful in the analysis of disorder in the solid state and interpretation of experimental NMR results
Les perturbateurs chimiques endocriniens (EDC) sont des substances qui présentent des effets néfastes en raison d'un mode d'action endocrinien. Cela inclut souvent une interaction avec les récepteurs de la même manière que les ligands naturels des récepteurs. Parmi les EDC, il existe des ingrédients pharmaceutiques actifs (API) tels que les hormones stéroïdes. Les cyclodextrines (CD) sont des oligosaccharides cycliques utilisés comme systèmes d'administration de médicaments pour les API à faible solubilité dans l'eau et comme agents d'élimination des toxines. Le but de cette étude était de développer différentes techniques de modélisation moléculaire pour analyser les interactions entre les EDC choisis et les récepteurs d'œstrogènes (ER) ou CD. Cela pourrait conduire à une meilleure compréhension des interactions des EDC avec les molécules hôtes choisies et éventuellement montrer un moyen de mieux reconnaître les nouveaux EDC potentiels. De plus, la recherche pourrait indiquer une nouvelle orientation pour l’élimination des EDC toxiques ou l’administration d’API stéroïdiens avec l’application de CD.Les EDC choisis étaient: l'estradiol (EST), la progestérone (PRO), le bisphénol A (BPA), deux d'entre eux étant des API (EST et PRO), deux d'entre eux étant de bons exemples classiques d'EDC bien décrits (EST et BPA), l'un d'eux étant un ligand naturel de l'ER (EST) et l'un d'eux étant une toxine externe au corps humain (BPA).Les résultats et conclusions sont les suivants : 1) Les simulations MD de structures cristallines ont montré un meilleur accord avec l'expérience sur un champ de force additif. Une simulation de 10 ns du complexe EST-ER était stable et les interactions protéine-hormone bien reproduites. Les paramètres développés devraient donc être adaptés à l’étude des interactions hormonales et EDC avec leurs hôtes. 2) Ce travail justifie pour la première fois le rapport molaire EST-βCD de 1:2 en utilisant la spectrométrie de masse à haute résolution et les études de solubilité de phase. Même si certaines méthodes de QM indiquaient correctement le rapport hôte/invité correct, elles ne parvenaient pas à prédire avec précision l'énergie libre de Gibbs (ΔG) de complexation. Les méthodes QM qui décrivaient correctement la valeur de ΔG d'une formation complexe 1:2 n'ont pas réussi à la reconnaître par rapport au rapport complexe 1:1. La méthode MD/MMGBSA a prédit avec précision la constante de stabilité du complexé mais n’a pas été concluante pour indiquer la formation d’un complexe 1 : 1 ou 1 : 2. 3) En utilisant SCXRD, la structure cristalline du complexe EST-βCD a été déterminée, étant à notre connaissance la première structure cristalline résolue d'un complexe œstrogène/CD. Les calculs DFT périodiques des propriétés Nuclear magnetic resonance (NMR) à l'aide de GIPAW se sont révélés particulièrement utiles dans l'analyse du désordre à l'état solide et l'interprétation des résultats expérimentaux de NMR.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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