Slajd 1 - Collegium Medicum

Poszukiwanie nowych leków
WSPÓŁCZESNE METODY
POSZUKIWANIA NOWYCH LEKÓW
SYNTETYCZNYCH
Paweł Zajdel
Postęp wielu dyscyplin badawczych farmacji i medycyny
Cele: – znalezienie lepszych leków od dotychczas stosowanych
– zwalczanie chorób, wobec których medycyna jest bezradna
Aspekt ekonomiczny: – przemysł farmaceutyczny to poważna
gałąź gospodarki
– wydatki budżetu na refundację leków to
istotny element systemu opieki zdrowotnej
Zakład Chemii Leków
Katedra Chemii Farmaceutycznej
Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum
Poszukiwanie nowych leków
Poszukiwanie nowych leków
Planowana światowa sprzedaż dla głównych wskazań OUN, 2004-10
HIT
CEL
$
LEAD
$$
$$$
OCENA
PRZEDKLINICZNA
$$$$
BADANIA KLINICZNE
$$$$$$
Źródło: IMS Health
Badania fazy przedklinicznej (Preclinical trials)
Wprowadzenie leku: 8-12 lat
Koszt: 150-200 milionów $
Wczoraj a dziś
•Optymalizacja struktury wiodącej metodami in silico, in vitro, badania na modelach
zwierzęcych in vivo
•Określenie parametrów farmakokinetycznych oraz potwierdzenie aktywności
farmakologicznej w testach in vivo
• Związki poddawane są ocenie cytotoksyczności:
 Mutagenność – zdolność do wywoływania genotoksyczności, kancerogenezy
 Teratogenność – właściwości substancji wywołujące trwałe uszkodzenia płodu (talidomid)
 Kardiotoksyczność – niebezpieczne zaburzenia rytmu serca (terfenadyna – wycofana;
erytromycyna, risperidon – niebezpieczeństwo)
• Optymalizacja syntezy i oczyszczania w skali półtechnicznej
Kamień głupoty
• Określenie stabilności kandydata na lek w różnych warunkach chemicznych
Pacjent, któremu lekarz w asyście zakonnika
i pielęgniarka, dokonują ekstrakcji
„kamienia głupoty” z mózgu
•Opracowanie odpowiedniej postaci leku
• Wszystkie etapy tej fazy winny być prowadzone wg standardów GLP
(Good Laboratory Practice)
Hieronymus Bosch (1450 – 1516)
• Dopuszczenie do badań fazy klinicznej - Urząd Rejestracji Produktów
Leczniczych, Wyrobów Medycznych i Substancji Biobójczych, FDA
1
Wczoraj a dziś
Lata
Materiał
Odkrycia XIX – XX w. – rys historyczny
Testy
<1800
rośliny, minerały, jad zwierząt
1830
synteza organiczna
człowiek
in vivo - zwierzęta
1930
ex vivo - izolowane organy
1970
1980
1980
1990
in vitro - enzymy, receptory błonowe
biologia molekularna
in vitro
HTS
chemia kombinatoryczna
metody obliczeniowe
inżynieria genetyczna
in silico, skryning witrualny
GMO ”genetically modified organisms”
organizmy transgeniczne
Kaptopril
Ranitydyna
Cyklosporyna
Fluoksetyna
Retrowir
Lowastatyna
Omeprazol
Sumatryptan
Risperidon
Lozartan
Dorzolamid
Indinavir, Saquinavir
Klopidogrel
Celecoxyb, Rofecoxyb
Oseltamivir
Escitalopram
Morfina
Kwas salicylowy
Fenacetyna
Kwas acetylosalicylowy
Barbiturany
Prokaina
Insulina
Penicylina
Streptomycyna
Tolbutamid
Chlordiazepoksyd
Propranolol
Furosemid
Nifedypina
Lek p/bólowy, nasenny
Lek przeciwbólowy
Lek przeciwbólowy, przeciwgorączkowy
Lek przeciwbólowy, przeciwgorączkowy
Leki nasenne
Anestetyk lokalny
Lek przeciwcukrzycowy
Antybiotyk
Antybiotyk
Doustny lek przeciwcukrzycowy
Lek przeciwlękowy
Lek p/nadciśnieniowy (β-bloker)
Diuretyk
Bloker kanałów Ca2+
Strategie poszukiwania substancji
biologicznie aktywnych
Odkrycia XIX – XX w. – rys historyczny
1981
1981
1932
1986
1987
1987
1988
1991
1993
1995
1996
1997
1998
1999
1999
2001
1806
1875
1876
1899
1903
1921
1922
1928
1944
1956
1960
1963
1964
1975
ACE inhibitor
Lek przeciwwrzodowy (anatgonista H2)
Lek immunosupresyjny
Lek przeciwdepresyjny (SSRI)
Lek przeciwwirusowy (HIV)
Lek hipolipemiczny
Lek przeciwwrzodowy (inhibitor H/K-ATP-azy)
Lek przeciwmigrenowy
Lek antypsychotyczny
Lek pzeciwnadciśnieniowy (antagonista ATII)
Lek przeciwjaskrowy
Inhibitory proteazy HIV
Lek obniżający krzepliwość krwii
Lek p/bólowy (inhibitor COX-2)
Lek przeciwgrypowy (inhibitory neuramidazy)
Lek przeciwdepresyjny
Naturalne źródła leków - poch. roślinnego
 Produkty pochodzenia naturalnego i mikroorganizmy
 „Serependity” - odkrycia przypadkowe
 Podejście racjonalne – endogenne przekaźniki
 Strategia „Me too” – „ja też”
 Optymalizacja działań niepożądanych
 Proleki
 Peptydomimetyki
 „Chiral switch”
 Leki hybrydowe
Naturalne źródła leków - poch. mikroorganizmy
HO
O
„To natura wyprodukowała penicylinę, ja ją tylko odkryłem”
N
Sir Aleksander Fleming
HO
Morfina
Papaver somniferum
Taxus baccata
O
O
O
O
O
NH
HO
O
O
O
O
OH
O
O
OH
digitoksoza
Digitalis lanata
digitoksoza
digitoksoza
Glikozydy
nasercowe
Antybiotyki – produkty przemiany drobnoustrojów;
penicyliny, cefalosporyny, tetracykliny, aminoglikozydy
OH
O
O
O
Taxol
Inne: atropina, chinina, efedryna, kofeina, kokaina, rezerpina
Cyklosporyna – lek immunosupresyjny, cykliczny peptyd (wyizolowany z grzybów
Polypocladium inflatum znalezionych w próbce ziemi pochodzącej
z Norwegii); Sandinum Neoral
Lowastatyna – pierwszy lek hypolipemiczny z grupy statyn
Inne statyny: simwastatyna (Zocor, Vasilip), atorwastatyna (Sortis,
Atoris), ceriwastatyna (Lipobay), rosuwastatyna (Crestor)
2
Naturalne źródła leków - poch. zwierzęcego
„Serependity” – odkrycia przypadkowe
„W dziedzinie obserwacji, przypadek pomaga tylko umysłom przygotowanym”
Ekstrakcja z narządów i gruczołów - hormony, enzymy, np. insulina
Louis Pasteur, 1854
1841 – 1849 r. podtlenku azotu, eter - początek ery rozwoju chirurgii
Teprotyd – nonapeptyd wyizolowany z jadu jaszczurki
– ACE inhibitory: kaptopril, enalapril (Enap®),
perindopril (Prestarium®), chinapril (Accupro®)
H
1928 r. - penicylina - początek ery antybiotyków
Aleksander Fleming
Bothrops jararaca
S
RNH
N
O
Exenatide – 39 AA peptyd, zbliżony do GLP-1
występującego w ludzkim przew. pokarm.
– hamuje rozpad inkretyny GLP-1
– pierwszy zarejestrowany w 2006 r. przez FDA
mimetyk inkretyn – Byetta® (Lilly)
– lek p/cukrzycowy
Gila monster
1940 r. – iperyt - związek alkilujący o aktywności przeciwnowotworowej
Podejście racjonalne
Podejście racjonalne
Modyfikacje strukturalne: rozbudowa struktury
Modyfikacje strukturalne: degradacja struktury chemicznej
Endogenne neurotransmitery: noradrenalina, adrenalina, dopamina,
acetylocholina, histamina, serotonina
O
O
HO
HO
H H
N
C
HO
O
Meperydyna, (Dolantin)
N
C
N
O
HO
HO
narkotyczny lek przeciwbólowy
efekt 10 x słabszy od morfiny
działa spazmolitycznie
salbutamol (Ventolin)
H
HO
O
HO
H
H H
N
HN
NH2
HO
OH
C
N
O
HO
HO
formoterol (Foradil)
noradrenalina
C
Metadon, (L-Polamidon)
Tramadol, (Tramal)
N
HO
10-20% aktywności morfiny
brak efektu euforyzującego, lekozależności
O
narkotyczny lek przeciwbólowy
substytut morfiny, heroiny podczas leczenia odwykowego
O
2
4
HO
Strategia „me too” – „ja też”
H H
N
HO
wydłużenie czasu działania
Morfina
analgetyk narkotyczny
COOH
salmeterol (Serevent)
Optymalizacja działań niepożądanych
czyli: poszukiwanie w oparciu o istniejące leki
1935 r. Sulfanilamid – pierwszy sulfonamid o działaniu przeciwbakteryjnym
1953 r. Acetazolamid – pierwszy sulfonamid o działaniu diuretycznym
1960 r. Tolbutamidu – pierwszy sulfonamid o działaniu przeciwcukrzycowym
Małe modyfikacje strukturalne zmieniają aktywność, silę, czas działania,
ADME/Tox
NH2
O
H2N
- Półsyntetyczne antybiotyki
- Neuroleptyki
- Leki przeciwdepresyjne
- β-blokery
- ACE inhibitory
- Leki p/migrenowe – tryptany
S O
NH2
N N
Barwnik chemiczny Sulfamidochryzoidyna
N
degradacja metaboliczna
O
N
N
O
S
N
N
N
NH2
H2N
N
H
N
H
Sulfanilamid
S
O
Klozapina
Olanzapina
N
H
O
O
N N
S
S
O
Acetazolamid
NH2
O
S
N
H
O
N
H
Tolbutamid
3
„Chiral switch”
Optymalizacja działań niepożądanych
Enancjomery – związki o identycznej budowie strukturalnej, których nie można
nałożyć na siebie; wykazują aktywność optyczną
Poszukiwania selektywnych inhibitorów fosfodiesterazy typu V
Zaskakujący efekt u mężczyzn…….
zmienił kierunek badań na lekiem
O
O
Struktury będące swoimi odbiciami lustrzanymi
w zetknięciu z chiralnym środowiskiem białkowym
mogą różnić się:
- aktywnością farmakologiczną (eutomer vs distomer)
- profilem bezpieczeństwa,
- drogą i stopniem biotransformacji
O
H
N
HN
N
N
N
N
HN
N
N
N
N
S O
O
Sildenafil (Viagra®)
Zaprinast
nieselektywny inhibitor PDE
aktywność przeciwalergiczna,
wazodylatator…..
Warunek chiralności – 4 różne podstawniki przy atomie węgla
„odbicia lustrzane”
selektywny inhibitor PDE 5
zaburzenia erekcji
Mieszaniny racemiczne
Czyste odmiany enancjomeryczne
Citalopram (Cipramil)
Cetiryzyna (Zyrtec)
Omeprazol (Losec)
(S)-izomer – Escitalopram (Lexapro)
(R)-izomer – Lewocetiryzyna (Xyzal)
(S)-izomer – Esomeprazol (Nexium)
Escitalopram
Proleki
Proleki - nieaktywne (lub mniej aktywne) analogi leków, które w organizmie
w wyniku metabolizmu ulegają aktywacji do form aktywnych
N
O
Cele tworzenia proleków:
- zwiększenie biodostępności,
- wydłużenie czasu działania
- zmniejszenie toksyczności lub działań niepożądanych
N
F
Lek przeciwdepresyjny drugiej generacji
wprowadzony na rynek w 1989 r.
najbardziej selektywny SSRI (inhibitor wychwytu zwrotnego serotoniny)
citalopram racemat
dawka dzienna - 40 mg
Proleki: estry
ACE inhibitory
escitalopram
dawka dzienna - 20 mg
R
O
Proleki - laktony
R1
N
H
reduktaza
HMG-CoA
HO
O
SCoA
HO
OH
kwas mewalonowy
O
HO
O
R
lowastatyna
COOH
HO
cholesterol
R1
N
H
O
H
N
aktywny metabolit
O
H
N
O
R2
R1
N
H
R2
zredukowane
OH
R
R = C2H5
Enalaprylat R = H
COOH
wiązanie amidowe
COOH
HMG-CoA
N
O
Peptydy » peptydomimetyki
Statyny – leki hipolipemiczne
zaburzające syntezę cholesterolu na etapie kwasu mewalonowego
COOH
N
H
O
Enalapril
OH
N
H
R2
hydroksyetylenowe
OH
N
H
R1
N
H
hydroksyetylomocznikowe
O
O
P
OH
R2
fosfonowe
O
R1
N
H
R1
O
N
H
O
OH
α-hydroksy-β-aminokwas
4
Peptydy » peptydomimetyki
Proces poszukiwania nowych leków
• Leki stosowane w terapii nadciśnienia: antagoniści AT 1
losartan (Coozar, Lorista), walsartan
• Analogi hormonu wzrostu
• Modyfikacje insuliny: Lispro (Humalog), Garglin (Lantus)
• Leki przeciwwirusowe : inhibitory proteazy HIV
H
N
N
O
O
O
N
H
CONH2
N
OH
H
N
N
N
OH
HN
H
H
N
N
H
O
OH
O
Indinavir (Merck)
Saquinavir (Roche)
Obiekt zainteresowań
Cel biologiczny - identyfikacja
„dobry cel biologiczny”
CHOROBA
• zaangażowany w regulację jednego procesu
• odgrywa istotną rolę w funkcji komórki
• ograniczone występowanie w tkankach
Cel
Cel
Nowy
28%
Znany
72%
• Zwiększenie skuteczności
• Poprawa bezpieczeństwa
• Modulowanie czasu działania
• Eliminacja skutków ubocznych
identyfikacja
genomika
Nowy
28%
Znany
72%
proteomika
„knock out” - weryfikacja
10 nowych celów molekularnych dla 1 związku w badaniach : niekorzystne ???
Cel biologiczny - identyfikacja
Czy poszukiwanie związków selektywnych to dobra droga?
Leki hybrydowe
częściowi agoniści D2/ SSRI – bardziej skuteczne leki przeciwpsychotyczne ?
Olanzapina (Zyprexa, Zolafren, Zalasta)
atypowy neuroleptyk wykazujący powinowactwo do wielu GPCR
N
N
N
N
H
S
Olanzapina
Ki 5-HT2A – 4 nM
Ki 5-HT2C – 11 nM
Ki dop D1
– 31 nM
Ki dop D2
– 11 nM
Ki musk M1 – 1,9 nM
Ki musk M3 – 25 nM
Ki musk M4 – 13 nM
Ki adr α1
– 19 nM
Ki adr α 2 – 230 nM
Ki hist H1 – 7 nM
H
N
F
O
H
N
N
H
O
O
N
NH
O
HN
Aplindor - czesciowy agonista D2
SSRI
O
+ linker
F
H
N
O
F
N
H
N
N
N
H
O
SSRI/agonista D2
NH
O
O
O
N
H
SSRI/agonista D2
Bymaster F.P. et al. Neuropsychopharmacology 1996, 14, 87
5
Projekt Poznania Genomu Ludzkiego
Proteomika – dyscyplina zajmująca się analizą proteomu (zestaw wszystkich
białek występujących w komórkach)
nie obejmuje badań pojedynczych białek
Genomika – dziedzina biologii molekularnej pokrewna
genetyce zajmująca się analizą garnituru
genów (genomu)
Proteom człowieka: orientacyjna liczba białek – 400 tys.
Genom człowieka (około 30000 genów):
1 gen koduje więcej jak 1 białko
1000 GPCR, 500 kinaz białkowych
Przyczyny:
- alternatywny splicing, łączenie ze sobą różnych egzonów z pre-mRNA
na różne sposoby niekoniecznie po kolei (według genu)
- modyfikacje posttranslacyjne
Cele genomiki:
- poznanie sekwencji materiału genetycznego
- mapowanie genomu
- określenie wszelkich zależności i interakcji wewnątrz genomu
- powiązanie genów z jednostką chorobową
Cel biologiczny (drug target)
7%
Cele proteomiki:
- identyfikacja, określenie budowy, funkcji białek komórkowych
- określenie różnic w profilu białkowych osób zdrowych i chorych
- opracowanie nowych metod diagnostycznych
- identyfikacja nowych celów terapeutycznych
Cel biologiczny, mechanizmy działania leków
5% 2%2%
RECEPTOR – białkowa struktura membranowa lub kompleks białkowy;
uczestniczy w przekazywaniu bodźców do komórki i między komórkami
11%
45%
28%
• blokery
• aktywatory
Projekt Poznania Proteomu Ludzkiego
Nieznane
GPCR
Kanały jonowe
Enzymy
Receptory
jądrowe
Hormony
LIGAND – substancja łącząca się z receptorem; najczęściej, połączenie to ma
charakter nietrwały, a siła wiązania chemicznego określana jest
mianem powinowactwa
• agonista
• częściowy agonista
• odwrotny agonista
• antagonista
• inhibitory
• aktywator
Kwasy nukleinowe /DNA/
Cel biologiczny - GPCR
AGONISTA – ligand ściśle pasujący receptora, zgodnie z regułą: „klucz-zamek”,
aktywujący receptor (posiada aktywność wewnętrzną)
ODWROTNY AGONISTA – ligand wykazujący odwrotny efekt jak agonista
ANTAGONISTA – ligand blokujący efekt działania agonisty w sposób
bezpośredni (kompetycyjny) lub bezpośredni (allosteryczny)
INHIBITOR – ligand zmniejszający wiązanie się substratu do enzymu,
w sposób bezpośredni (kompetycyjny) lub pośredni (allosteryczny),
odwracalny i nieodwracalny
Projektowanie leków
2D model receptora sprzężonego z białkiem G (GPCR)
Przestrzeń chemiczna vs biologiczna
Przestrzeń chemiczna
Przestrzeń
biologiczna
Domena
zewnątrzkomórkowa
7 transmembranowych
a-helis
Domena
wewnątrzkomórkowa
6
Identyfikacja hit, struktury wiodącej
Projektowanie leków
znane struktury ligandów
(ligand based design)
znana struktura enzymu lub receptora
(target based design)
Biblioteki wirtualne
Biblioteki skryningowe
Skryning biologiczny
Farmakofor lub
model miejsca wiążącego
Przeszukiwanie baz danych
Dokowanie
Generowanie ligandów de novo
Modelowanie homologiczne
« Hity »
Poszukiwane « hity »
Biblioteki celowane
Hit
Testy in vitro
Optymalizacja struktur - QSAR
Synteza, badania in vitro
Struktura wiodąca
Struktury wiodące
Projektowanie wirtualnych
bibliotek związków
Ładunek
Chemoinformatyka i wirtualny skryning
Klaster – zestaw związków o zbliżonej strukturze
chemicznej; posiada jeden wspólny układ heterocykliczny
Inteligentne projektowanie i testowanie bibliotek
Analiza/ewaluacja bibliotek metodami in silico i klasyfikacja związków (scoring)
Zwiększenie współczynnika: związki aktywne/związki testowane
Singleton
Klaster A
Poszukiwane
struktury wiodącej
Klaster B
Biblioteki wirtualne
Biblioteki skryningowe
2 500 000 związków
100-20 000 związków
Masa molekularna
Bazy danych (2D)
Klaster C
Biblioteki skryningowe:
Max. reprezentacja klastrów
Brak singletonów (bląd +/-)
Zakup, synteza, skryning
(darmowe!)
Liczba wiązań H
SITO
Źródła bibliotek związków
Źródła bibliotek związków
Glaxo
Biblioteki
Kampania HTS 2003
Kampania HTS 1996
Synteza kombinatoryczna
„własne”
Zestawy
zakupione/współpraca/„własne”
Chemdiv (650 k), Chembridge (330 k), Interbioscreen (370 k),
LeadQuest, Maybridge, TimTec (130 k), Prestwick (0.9 k), CNRS…
100 000 związków
Hit aktywność 3 µM
Sukces: 20%
1 lead
HTS
Chemoinfo
Skryning wirtualny
1 050 000 związków
Hit aktywność 10 nM
Sukces: 65%
2 lead
Dostawa 3-4 tygodnie, format matrycowy, cena 1$/związek 0.5 mg
Sukces = identyfikacja przynajmniej 1 struktury wiodącej na kampanię
7
Wirtualny skryning
Związki lekopodobne
Substancje lecznicze
Weryfikacja hipotezy/założeń wobec:
•farmakoforu/ miejsca wiązania/ właściwości fizyko-chemicznych
•identyfikacja ligandu wobec celu (i vice/versa)
•zależności struktura-aktywność (SAR)
Dyskryptor – parametr fizykochemiczny, strukturalny lub ogólniej
mierzalna cecha umożliwiająca opisać strukturę związku
Ex: liczba atomów, hydrofobowość, aromatyczność,
donor/akceptor wiązań wodorowych,
ładunek, rozpuszczalność, masa molowa, powierzchnia polarna....
Związki lekopodobne
Małocząsteczkowe
substancje organiczne
Efekt działania to wypadkowa:
•Absorption (wchłanianie)
•Distribution (dystrybucja do krwi i tkanek)
•Metabolism (metabolizm)
•Excretion (wydalanie)
Peptydy, polipeptydy
Nietrwałe w środ. H+
Alternatywne drogi podania
(np. wstrzyknięcia, skóra)
Leki działające na OUN
Zdolność przechodzenia przez BBB
O w/w parametrach decydują
- cechy fizykochemiczne związku (np. hydrofobowość, pKa)
- postać farmaceutyczna
Hit -> Struktura wiodąca
Reguła 5 Lipińskiego
Przewidywanie niekorzystnych właściwości ADME
• Masa molekularna > 500 Da
• cLog P (obliczony Log P) > 5
(logarytm współczynnika podziału n-oktanol/woda)
• Zawiera więcej niż 5 donorów dla wiązań wodorowych (OH, NH)
• Zawiera więcej niż 10 akceptorów dla wiązań wodorowych (O, N)
• Powierzchnia polarna cząsteczki <150 Å2 (90 dla OUN)
Hit
Struktura
wiodąca
Zdolność predykcyjna modeli wciąż wymaga udoskonaleń !
Modele farmakoforowe
Homologiczne modele receptorowe
Farmakofor – model opisujący relacje przestrzenne między elementami
wspólnymi dla ligandów oddziałujących z danym celem
biologicznym
Sposób tworzenia - analiza podobieństw strukturalnych, właściwości
donorowo-akceptorowych, hydrofobowych struktur ligandów aktywnych i
nieaktywnych
• Wykorzystywane gdy nie dysponujemy pełnymi informacjami na temat
budowy krystalicznej celu molekularnego (np. GPCR)
• Tworzone w oparciu o Io sekwencję aminokwasową oraz a strukturę białka
referencyjnego (np. rodopsyna), z zastosowaniem technik modelowania
cząsteczkowego
• Zastosowanie: dokowanie, projektowanie de novo
Cel - przybliżenie geometrii miejsca wiążącego, projektowanie związków
OH
NH2
d1
d3
OH
d2
O
NH2
OH
NH2
O
O
H
N
farmakofor
OH
NH2
O
Model rec. GPCR
Model rec. GPCR – helisy + pętle
8
Projektowanie „target based”
Znana struktura 3D celu biologicznego
(scharakteryzowana dzięki metodom krystalograficznym, NMR)
Poznanie struktury 3D kompleksu aktywnego ligand-proteaza cynkowa
teprotyd
kaptopril
Optymalizacja struktury leku przeciwwirusowego – Oseltamivir (Tamiflu)
OH
OH
Projektowanie de novo
• Prowadzi się w oparciu o znaną strukturę receptora lub farmakofor,
celem otrzymania agonisty lub antagonisty
• Wykorzystywane w celu zwiększenia powinowactwa istniejących cząstek
do celu biologicznego
• Zgodnie ze znanym rodzajem wiązań zaangażowanych w tworzenie
kompleksów aktywnych ligand-receptor, w miejscu aktywnym receptora
rozmieszczane są grupy funkcyjne lub fragmenty strukturalne
O
O
O
HN
• Programy komputerowe przeprowadzają symulację określając fragmenty
uprzywilejowane i lokując określone fragmenty w kieszeni receptora
O
OH
OH
HN
NH2
O
HN
NH
O
NH2
• Konieczność zastosowania filtrów: łatwość syntezy, ADME/Tox,
oseltamivir
zanamivir
Zintegrowane poszukiwanie struktury wiodącej
Znany cel
Proces poszukiwania nowych leków
Znany ligand
synergia
Projektowanie w oparciu o cel
Projektowanie w oparciu o farmakofor
Choroba
Chemia kombinatoryczna
Chemia kombinatoryczna
W przeciwieństwie do klasycznej syntezy organicznej, gdzie związek A reaguje
z jedną molekułą, chemia kombinatoryczna pozwala na reakcję dowolnej rodziny
reagentów A1 do An (bloki budulcowe) z rodziną reagentów B1 do Bm i powstanie
nXm możliwych kombinacji związków AnBm (biblioteka kombinatoryczna)
Synteza klasyczna
A+B
AB
Synteza kombinatoryczna
A1
A2
A3
A4
An
B1
B2
B3
B4
A B
n m
Bm
• na fazie stałej (solid-phase synthesis) - Prof. Bruce Merrifield jako pierwszy
zastosował stałe nośniki polimerowe do syntezy peptydów
• w roztworze
Synteza tradycyjna
1 chemik – 1 molekuła
Synteza kombinatoryczna
1 chemik – 100 molekuł
9
Synteza na fazie stałej
Synteza na fazie stałej
matryca polimerowa
produkt handlowy
Reakcja
B
Réaction
wBnadmiarze
en excès
A
A
B
A
B
B B
A
B
Przemywanie
Lavages
A-B
A-B
zakotwiczenie
spiekFritté
szklany
Verre
synteza na podłożu stałym
Nadmiar reagenta
Réactif BB,
n ’ayant pas réagit
który nie przereagował
Solvants de réaction et de lavage
Mieszanina reakcyjna i przesącz
B
B B B B
B B
Polimer nierozpuszczalny
: polymère
insoluble
„odcięcie” od podłoża
Produkt finalny
Synteza na fazie stałej
Synteza na fazie stałej
Split-and-mix (mieszaj i dziel)
– wieloskładnikowe mieszaniny związków
SynPhase
Radleys
- zdefiniowana ładowność podłoża
- kompatybilne z większością rozpuszczalników (PS, PA)
- możliwość zastosowania normalnego szkła
- możliwość grzania/chłodzenia
- systemy znakowania: znaczniki kolorowe, RF
Parallel synthesis (synteza równoległa)
– zestawy konkretnych związków
Wysokowydajne metody analityczne
• Potwierdzenie tożsamości
- 1H NMR
- MS
Trendy w syntezie bibliotek
Wielkość
Biblioteki
Jakość
Czystość
100K
>10 mg, czysty
10K
• Określenie czystości
- HPLC z detekcją w nadfiolecie (UV)
<1 mg, surowego
100
sprzężenie MS z HPLC umożliwia równoczesną oceną tożsamości i czystości
1995
• Ocena ilościowa
- analiza grawimetryczna dla czystych związków
- 1H NMR z wzorcem wewnętrznym
• Możliwość oczyszczania 1-2 mg związku na preparatywnym HPLC/MS
I generacja
•Mieszanina związków
•Mała automatyka
•Synteza na fazie stałej
•Chemia peptydów
•Identyfikacja „hit”
2000
II generacja
•Surowe, pojedyncze związki
•IRORI, SynPhase
•Synteza na fazie stałej,
w roztworze
•Identyfikacja „hit”
2005
III generacja
•Czyste, pojedyncze związki
•Automatyzacja
•Synteza na fazie stałej, w roztworze
•Optymalizacja struktur wiodących
rzadziej identyfikacja „hit”
10
Proces poszukiwania nowych leków
Wysokowydajny skryning biologiczny (HTS)
High Throughput Screening: 20 płytek: to nie jest skryning
20 000 związków/dzień („big pharma”)
1 płytka : 20 minut 0.5-4 Euro/dołek
• Postęp w budowie aparatury optycznej
• Zastosowanie osiągnięć inżynierii genetycznej – „wolne” receptory, enzymy
• Zmniejszenie formatów
• Miniaturyzacja = adaptacja testów biologicznych do skryningu automatycznego
Wysokowydajny skryning biologiczny (HTS)
Metody określenia aktywności testowanych związków:
CombiChem i HTS - aplikacja
128 000 związków
(320 dołków po 400 zw.)
• Wypieranie znanych ligandów znakowanych czynnikiem radioaktywnym
• Określenie zawartości drugich przekaźników, np. Ca2+
150 „hitów”
• Zastosowanie białek receptorowych ze znacznikami - białka fluoryzujące
(metoda fluorescencyjna) lub lucyferyna (wykazuje luminescencję)
Proces poszukiwania nowych leków
1 związek
badania kliniczne
Analizy SAR i QSAR
SAR - Structure – Activity Relationships
QSAR - Quantitative Structure – Activity Relationships
ilościowa zależność struktura - aktywność
Analiza zależności między aktywnością biologiczną grupy związków chemicznych
a ich cechami fizykochemicznymi
Wynik:
matematyczne równanie QSAR przy zastosowaniu dyskryptorów określających m.in.
- właściwości strukturalne (masa molowa, parametry steryczne)
- właściwości elektronowe (ładunek całkowity, moment dipolowy)
- hydrofobowość (logP)
Analiza Hanscha – ustala równanie między aktywnością biologiczną
a parametrami fizykochemicznymi
Analzia Free-Wilsona – matematyczna ocena wpływu fragmentów strukturalnych
na aktywność
11
Analizy 3D QSAR
CoMFA – Comperative Molecular Field Analysis
analiza porównawcza pól molekularnych
Założenie:
- cząsteczka traktowana jest jako całość
- aktywność biologiczna jest zależna od wielkości, czynników sterycznych
i elektronowych cząsteczki
Analizy 3D QSAR
Wynik analizy CoMFA dla inhibitorów trombiny
Oddziaływania steryczne
sprzyjające wiązaniu – zielony
niesprzyjające wiązaniu - żółty
Oddziaływania hydrofobowe
sprzyjające wiązaniu – niebieski
niesprzyjające wiązaniu - czerwony
Wynik:
- statystyczny i graficzny model oddziaływań korzystnych i niekorzystnych
z celem biologicznym
Modele SAR i QSAR wykorzystywane są do przewidywania aktywności
nowych związków chemicznych (nie badanych związków) i selekcji
związków do syntezy chemicznej celem identyfikacji struktury wiodącej
Badania fazy klinicznej (Clinical trials)
Prowadzone są na organizmach ludzkich, mają na celu potwierdzenie
skuteczności i bezpieczeństwa terapii, ocenę efektów wywieranych przez
testowany lek w porównaniu do preparatu referencyjnego
Badania I fazy
• określenie bezpiecznych dawek dla ludzi
• ocena biodostępności i tolerancji dla nowej substancji
• prowadzone na grupie 20-80 zdrowych ochotników
• wyjątek to pacjenci w zaawansowanych stadiach choroby nowotworowej
Badania II fazy
• średnio 100-300 zdrowych ochotników
• randomizowana próba
• jest to pierwszy moment kiedy weryfikacji podlega założona hipoteza
Badania fazy klinicznej (Clinical trials)
Badania III fazy
• randomizowana, podwójnie ślepa próba prowadzona na dużej grupie
pacjentów w wielu ośrodkach badawczych
• czas trwania – kilka lat
• nowy lek winien posiadać właściwości terapeutyczne przewyższające
dotychczas stosowane leki oraz efektywność kosztową
• pozytywna ocena uprawnia do wydania zezwolenia na wprowadzenie
leku na rynek
Badania IV fazy
• po wprowadzeniu leku do terapii
• monitorowanie długoterminowej skuteczności oraz bezpieczeństwa
• eliminowanie rzadkich efektów ubocznych
• podstawa do ograniczenia wskazań lub wycofania z obrotu
• wycofanie ceriwastatyny (Lipobay, Bayer), rofekoksybu (Vioxx, Merck)
Odkrywanie nowych leków
12