Hubungan Kuantitatif Struktur-Aktivitas (HKSA) / Quantitative structure–activity relationship (QSAR)

Analisis Hubungan Kuantitatif Struktur-Aktivitas (HKSA) merupakan salah satu aplikasi dari kimia komputasi dan juga bagian yang dipelajari dalam bidang kimia medisinal. Dengan metoda analisis HKSA, senyawa yang akan disintesis dapat didesain terlebih dahulu berdasarkan hubungan antara sifat-sifat kimia serta fisik molekul dengan aktivitas biologisnya, dengan menggunakan hubungan tersebut, aktivitas teoritik suatu senyawa baru dapat diprediksi, dan dengan demikian fokus riset dapat dipersempit, biaya dan waktu pun dapat dihemat (Kubinyi, 1993).

HKSA bertujuan untuk menghubungkan struktur molekul dengan aktivitas atau sifat biologi yang menggunakan metode statistik. Secara matematis Devillers et al., (1999) menuliskan persamaan tersebut seperti pada persamaan (1).

A/S = f(struktur molekul)

= f(deskriptor molekul)                                    (1)

dengan A/S merupakan aktivitas atau sifat dan f merupakan fungsi yang tergantung pada struktur molekul atau deskriptor molekul. Aktivitas biologi dapat dinyatakan dalam log 1/C, Ki, IC₅₀, ED₅₀, EC₅₀, log K, dan Km (Thakur et al, 2004).

. Selain hubungan dengan aktivitas atau sifat biologis, HKSA juga dapat digunakan untuk menentukan sifat fisik dan sifat toksik suatu senyawa. Toksisitas senyawa biasa ditentukan secara kuantitatif dalam ukuran konsentrasi efektif (Effective Concentration, EC atau Effective Dose, ED), konsentrasi inhibisi (Inhibiton Concentration, IC) atau konsentrasi mematikan (Lethal Dose, LD) (Seydel, 1990).

2.2.  Metode Yang Digunakan Dalam Kajian HKSA

2.2.1.      Metode Hansch

Metode HKSA pertama dan yang paling terkenal adalah model yang diusulkan oleh Hansch yang menyatakan hubungan lipofilitas relatif dengan potensi biologi yang digabungkan dengan hubungan energi bebas linier (LFER) untuk model persamaan umum HKSA dalam konteks biologi (Topliss, 1983). Lebih jauh, Hansch menyatakan bahwa hubungan struktur kimia dengan aktivitas biologis (log 1/C) suatu turunan senyawa dapat dinyatakan secara kuantitatif melalui parameter-parameter sifat fisika kimia dari substituen yaitu parameter hidrofofobik (π), elektronik (σ), dan sterik (E_s) yang terdapat pada molekul (Kubinyi, 1993).

Persamaan Hansch yang menyatakan hubungan struktur kimia dengan aktivitas biologis melalui parameter hidrofobik, sterik, dan elektronik dituliskan pada persamaan (3).

log (1/C) = -kπ² + k′π + ρσ + k″                                     (3)

log (1/C) = -k(log P)² + k′(log P) + ρσ + k″                             (4)

dengan C merupakan konsentrasi molar (atau dosis) sebagai ukuran aktivitas biologis (misalnya: ED₅₀, MED, dan IC₅₀), π merupakan lipofilisitas substituen, log P merupakan koefisien partisi, σ merupakan efek elektronik Hammet pada substituen, dan k, k′, ρ, dan k″ merupakan koefisien regresi yang berasal dari analisis statistik. Persamaan (4) merupakan bentuk alternatif dari persamaan (3).

Nilai 1/C mencerminkan fakta bahwa potensi yang tinggi berhubungan dengan dosis yang lebih rendah, dan tanda negatif dari π² atau log P² merupakan perkiraan lipofilisitas optimum, yang disimbolkan dengan π_o atau log P_o.

Dalam analisis Hansch parameter-parameter diperlakukan sebagai variabel bebas (prediktor) untuk menerangkan harga aktivitas biologis. Analisis regresimultilinear banyak digunakan dalammenurunkan koefisien model. Hansch mempelajari senyawa yang sudah mempunyai kerangka dengan variasi struktur terbatas pada gugus fungsional pada sisi yang spesifik. dengan menggunakan cara ini telah diterapkan dalam memprediksi pengaruh substituen dalam sejumlah besar uji biologi (Richon and Young, 2000).

2.2.2.      Metode Free-Wilson

Free dan Wilson mengusulkan suatu model matematika untuk menaksir efek substituen tambahan dan untuk memperkirakan besar efek tersebut secara kuantitatif. Model matematika tersebut dituliskan pada persamaan (2).

BA_i = Σ a_j X_ij + μ                                              (2)

dengan BA merupakan aktivitas biologi, X_j merupakan substituen ke-j dengan nilai 1 bila ada dan 0 bila tidak ada, merupakan kontribusi dari substituen ke-j kepada BA, dan μ adalah aktivitas dari senyawa induk.

Metode Free-Wilson digunakan jika cara kerja obat tidak diketahui, uji biologis lambat dari pada sintesis senyawa turunannya, dan atau sifat-sifat fisika kimia substituen tidak diketahui. Model ini didasarkan pada perkiraan bahwa masing-masing substituen pada struktur senyawa induk memberikan sumbangan tetap pada aktivitas bilogis. Perkiraan dasar pada model Free-Wilson adalah semua obat yang diuji harus mempunyai struktur induk sama dan substituen harus memberikan aktivitas biologis secara aditif dalam kedudukan yang sama dengan jumlah tetapan yang bebas dari ada atau tidaknya substituen (Leach, 1996).

Keuntungan penggunaan model Free-Wilson dibanding model Hansch dalam studi HKSA antara lain adalah pengerjaannya yang cepat, sederhana dan murah; tidak memerlukan informasi tentang tetapan substituen seperti π, σ dan Es; lebih efektif terutama jika uji biologis lebih lambat dibanding sintesis senyawa turunan, dan jika tidak terdapat tetapan substituen (Seydel,1990). Kelemahan dari metoda ini adalah tak dapat digunakan untuk memperkirakan aktivitas yang di luar substituen yang digunakan dalam seperangkat data dengan cara ekstrapolasi persamaan regresi (Seydel,1990).

Kelemahan dari metoda ini adalah tak dapat digunakan untuk memperkirakan aktivitas yang di luar substituen yang digunakan dalam seperangkat data dengan cara ekstrapolasi persamaan regresi (Seydel,1990). Salah satu pemanfaatan metode analisis ini yang bisa dilakukan adalah pengembangan senyawa antioksidan dan antiradikal.

2.2.3. Metode HKSA-3D

Analisis HKSA tiga dimensi (3D) dikembangkan sebagai antisipasi permasalahan yang terdapat pada analisis Hansch, yaitu senyawa-senyawa enantiomer yang memiliki kuantitas kimia fisika sama tetapi aktivitas biologi berbeda. Ternyata diketahui bahwa efek stereokimia memegang peranan penting pada harga aktivitas biologis.

Metode HKSA 3D menggunakan analisis perbandingan medan molekular atau Comparative Molecular Field Analysis (CoMFA). CoMFA dikembangkan sebagai pendekatan lain yang memasukkan bentuk deskriptor dalam HKSA. Metode ini berusaha menyusun suatu hubungan antara aktivitas biologi dan sifat sterik dan atau elektrostatik dari suatu seri senyawa.

Metode CoMFA berdasarkan pada congeneric suatu seri molekul. Molekul-molekul tersebut terhampar sehingga strukturnya tumpang tindih dan berada pada konformasi dengan aktivitas optimum. Medan molekular masing-masing molekul kemudian dihitung dengan menempatkan molekul yang tumpang tindih dalam bentuk tiga dimensi (Russel, 2003).

2.3.  Parameter Sifat Kimia dan Fisika Dalam HKSA

2.3.1.      Parameter hidrofobik

Koefisien partisi oktanol/air yang dinyatakan dalam log P merupakan standar kuantitas untuk menentukan sifat hidrofobik/hidrofilik suatu molekul. Parameter hidrofobik/hidrofilik adalah sifat yang sangat penting dalam aplikasi biomedis (Katritzky et al., 1996). Sebagai contoh aplikasinya adalah untuk memperkirakan distribusi obat dalam tubuh. Obat-obat yang bersifat hidrofobik dengan koefisien partisi tinggi akan terdistribusi pada kompartemen yang bersifat hidrofobik pula, misalnya lapisan lemak, sedangkan obat-obat yang bersifat hidrofilik dengan koefisien partisi rendah akan terdistribusi pada kompartemen hidrofilik, misalnya serum darah.  Nilai log P dalam oktanol/air merupakan rasio logaritma konsentrasi zat terlarut dalam oktanol dengan konsentrasi zat terlarut dalam air. Secara matematis dituliskan dalam persamaan (5).

2.3.2.      Parameter elektronik

Penggunaan struktur elektronik sebagai prediktor dalam studi HKSA cenderung disukai karena dapat ditentukan secara teoritik dan hasil yang diperoleh cukup memuaskan. Dalam hal ini, metode kimia kuatum dapat digunakan untuk meminimalkan energi potensial dalam struktur molekul serta memperkirakan muatan atom, energi molekular orbital, dan deskriptor elektronik lainnya yang dapat menunjang studi HKSA.

Postulat mekanika kuantum menjadi dasar perhitungan dalam kimia kuantum. Dalam kimia kuantum, sistem digambarkan sebagai fungsi gelombang yang dapat diperoleh dengan menyelesaikan persamaan Schrödinger. Persamaan ini terkait dengan sistem dalam keadaan stasioner dan energi sistem dinyatakan dalam operator Hamiltonian. Operator Hamiltonian dapat dilihat sebagai aturan untuk mendapatkan energi terasosiasi dengan sebuah fungsi gelombang yang menggambarkan posisi dari inti atom dan elektron dalam sistem.

Energi dan fungsi gelombang sistem dalam keadaan stasioner diberikan dengan penyelesaian persamaan Schrödinger yang ada pada persamaan (6).

ψψEH=∧                                                   (6)

dengan ∧H adalah operator Hamiltonian yang menyatakan energi kinetik dan energi potensial dari suatu sistem yang mengandung elektron dan inti atom, ψ adalah fungsi gelombang yang merupakan fungsi koordinat inti dan elektron yang berisikan semua informasi mengenai koordinat sistem, dan E adalah energi total dari sistem. Sifat molekul yang dapat dihitung melalui penyelesaian persamaan di atas adalah geometri molekul, stabilitas relatif, dipol, dan muatan atomik.

Metode yang berdasarkan medan gaya molekular klasik dan metode kimia kuantum, masing-masing dapat digunakan untuk meminimalkan energi potensial struktur molekul. Kedua pendekatan tersebut dapat digunakan untuk perhitungan secara termodinamik dan momen dwi kutub tetapi hanya metode kimia kuantum yang dapat memperkirakan muatan-muatan atom, energi orbital molekul, dan beberapa deskriptor elektronik lainnya dalam studi HKSA. Metode kimia kuantum dapat diaplikasikan dalam HKSA dengan menurunkan deskriptor elektronik secara langsung dari fungsi gelombang molekular (Katritzky et al, 1996).

2.3.3.      Parameter sterik

Parameter sterik yang sering digunakan dalam penelitian adalah berupa indeks topologi. Pada hampir setiap kasus, para kimiawan lebih memilih untuk menggunakan indeks topologi sebagai parameter sterik untuk melakukan evaluasi terhadap toksisitas dan untuk memprediksi aktivitas biologi. Hal ini karena indeks topologi menawarkan cara yang mudah dalam pengukuran cabang molekul, bentuk, ukuran, siklisitas, simetri, sentrisitas, dan kompleksitas (Devillers, 1997).

Topologi molekul dapat digunakan sebagai pengujian molekul numerik dalam HKSA atau HKSS. Indeks topologi menjelaskan bahwa suatu struktur kimia, disebut sebagai grafik kimia, yaitu suatu model kimia yang digunakan untuk menjelaskan sifat interaksi antara obyek-obyek kimia (atom, ikatan, gugusan atom, molekul, pasangan molekul, dan sebagainya).

Suatu grafik G = G(V,E), oleh Ivanciuc dan Balaban (1998) dijelaskan sebagai pasangan terurut yang terdiri dari dua buah himpunan V = V(G) dan E = E(G). Unsur-unsur pada himpunan V(G) disebut vertices (puncak) dan unsur-unsur pada himpunan E(G), termasuk hubungan biner antara puncak-puncak disebut edges (tepi). Jumlah puncak N menggambarkan jumlah unsur-unsur pada V(G), N = |V(G)| dan jumlah tepi M menggambarkan jumlah unsur-unsur pada E(G), M = |E(G)|. Puncak-puncak suatu grafik diberi nama dari 1 sampai N, E(G) = (ν₁, ν₂, ..., ν_N), dan tepi yang menghubungkan puncak-puncak ν_i dan ν_j disebut e_ij. Dua buah puncak ν_i dan ν_j pada grafik G disebut berdekatan atau berbatasan bila terdapat tepi e_ij yang menyertainya.

2.4.  Analisis Statistik dalam HKSA

Analisis statistik diperlukan dalam pengolahan data-data untuk menemukan sebuah persamaan HKSA. Hubungan antara struktur dan aktivitas biologi suatu zat adalah linier. Linieritas suatu fungsi dapat ditentukan dengan metode regresi linier. Bila dilihat dari jumlah variabel bebas, analisis regresi linier terdiri dari dua macam, yaitu analisis regresi linier tunggal dan analisis regresi multilinier atau Multilinear Regression (MLR).

Regresi terkait dengan prediksi, yang dengannya dapat digunakan untuk membuat model statistik yang menggunakan beberapa data berupa satu set variabel bebas (prediktor) untuk memperkirakan harga variabel tergantung prediksi (Berenson, 1983). Dalam hal ini, analisis korelasi sangat penting untuk mengetahui hubungan antarvariabel.

Pada analisis regresi linier tunggal, dengan hanya terdapat sebuah variabel bebas, X, hubungan fungsional dapat dituliskan pada persamaan (10).

Y_i = f(Xi) + ∈_i                                                (10)

dengan Y_i adalah data yang diamati, Xi adalah model fitting, dan ∈_i adalah residu, yaitu data-data yang menyebar di atas atau di bawah garis linier.

Untuk kasus tertentu dimana terdapat beberapa variabel bebas, digunakan analisis regresi multilinier, dengan asumsi adanya hubungan linier antara variabel-variabel bebas dengan variabel tergantung. Persamaan regresi multilinier dituliskan pada persamaan (11).

Y_i = β_o + β₁X_1i + β₂X_2i + ∈_i                                                  (11)

dengan :

β_o = intersep Y

β₁ = slope dari Y dengan variabel X₁ (variabel X₂ konstan)

β₂ = slope dari Y dengan variabel X₂ (variabel X₁ konstan)

∈_i = tingkat kesalahan acak pada Y untuk pengamatan i

Syarat dalam analisis dengan MLR adalah bahwa masing-masing deskriptor saling tidak tergantung dan bebas kesalahan untuk menghindari adanya kolinieritas karena akan menyebabkan kesalahan dalam hasil regresi (Jolles dan Wooldridge, 1984). Untuk itu, analisis korelasi antar variabel bebas sangat penting dilakukan sebelum melakukan analisis regresi multilinier. Analisis korelasi dilakukan untuk mengukur hubungan antara satu set variabel. Semakin tinggi nilai korelasi, maka semakin erat hubungan antara dua variabel.

Tujuan utama analisis regresi linier adalah untuk mengetahui hubungan linier antara variabel tergantung dan variabel bebas. Semakin linier hubungan kedua variabel, maka akan semakin baik model persamaan HKSA yang didapat. Parameter statistik yang dapat digunakan sebagai faktor uji adalah berupa nilai r, F, dan SE.

Koefisien korelasi, yang dinyatakan dengan r, merupakan ukuran kekuatan hubungan antara variabel tergantung (Y) dengan variabel bebas (X). Nilai r berjarak dari -1 hingga +1. Nilai -1 menandakan bahwa hubungan X dan Y negatif sempurna, sedangkan nilai +1 menyatakan hubungan positif sempurna. Jadi, jika r mendekati ± 1, maka hubungan linier antara X dan Y semakin kuat. Jika r = 0, slope akan sama dengan nol, dan X tidak dapat digunakan untuk memprediksi Y. Harga r dapat dihitung dengan rumus yang tertulis pada persamaan (12).

                           (12)

F merupakan ukuran perbedaan tingkat signifikansi dari model regresi. Nilai F dihitung dengan rumus yang dituliskan pada persamaan (13).

F = r²(n-k-1)

  K(1-r²)                                                   (13)

Signifikansi dari persamaan regresi terjadi apabila nilai F_hitung lebih besar dariapada F_tabel untuk batas konfidensi yang ditentukan. Untuk analisis HKSA, tingkat konfidensi yang biasa digunakan adalah 95% atau 99%.

Kadang-kadang dalam suatu set data, terdapat beberapa data di sekitar garis linier. Untuk mengukur data yang menyebar tersebut digunakan suatu perkiraan standard error (SE) seperti pada persamaan (14).

dengan Y_i adalah nilai Y yang diteliti untuk nilai-nilai X_i dan yang diberikan dalam data.

Untuk suatu kasus tertentu dengan jumlah variabel yang banyak, misalnya dalam analisis HKSA antitoksoplasma senyawa turunan kuinolon yang melibatkan tiga jenis deskriptor dengan total variabel sebanyak 18 buah dapat dilakukan proses analisis menggunakan analisis faktor atau PCA (Principal Component Analysis). PCA merupakan suatu teknik dalam mereduksi sejumlah data dengan adanya korelasi dalam data tersebut. Jika masing-masing variabel tidak mempunyai korelasi, maka teknik PCA tidak dapat digunakan.

Ide di balik PCA adalah untuk menemukan komponen-komponen utama, Z₁, Z₂, ..., Z_n yang merupakan kombinasi linier dari variabel asli yang mendeskripsikan masing-masing senyawa X₁, X₂, ..., X_n.

Z₁ = a₁₁X₁ + a₁₂X₂ + a₁₃X₃ + ... a_1nX_n                                                                          (15)

Z₂ = a₂₁X₁ + a₂₂X₂ + a₂₃X₃ + ... a_2nX_n,                                                       (16)

Z_n = ........ dst

(Miller dan Miller, 2000).

Dalam analisis dengan PCA, dilakukan suatu penyederhanaan struktur data dan dimensi yang cukup besar, khususnya apabila variabel yang dihadapi cukup banyak (Puspitasari et al., 2006). Kemudian, untuk menentukan parameter statistik yang dapat digunakan untuk memprediksi aktivitas antitoksoplasma secara teoritis digunakan perhitungan dengan teknik Principal Component Regression (PCR).

BAB III

KESIMPULAN

Berdasarkan pembahasan diatas, maka dapat disimpulkan bahwa :

1.    Analisis Hubungan Kuantitatif Struktur-Aktivitas (HKSA) merupakan salah satu bagian yang dipelajari dalam bidang kimia medisinal untuk memetakan hubungan antara struktur dengan aktivitas suatu senyawa kimia, sehingga didapatkan suatu model yang dapat menjelaskan jenis senyawa yang paling potensial untuk dikembangkan dalam penemuan obat baru.

2.    Metode HKSA yang sering digunakan dalam penentuan obat baru yaitu metode Hansch, Free-Wilson, dan metode HKSA-3D.

3.    Parameter sifat kimia dan fisika yang terdapat pada molekul senyawa dan berhubungan dengan HKSA yaitu parameter hidrofofobik (π), elektronik (σ), dan sterik (E_s).

4.    Dalam penemuan dan pengembangan obat baru analisa statistik diperlukan untuk menemukan sebuah persamaan HKSA.