3. Metody vývoje nových léčiv (1)

Transkript

1 3. tody vývoje vých léčiv (1) bjevy prvních chemických léčiv většiu dílem náhody často vedlej produkt bádání v rozličných oblastech chemie. se se souhlasem souhlasem autora autora ál školy koly -techlogic v Jeho Jeho žit řen bez bez souhlasu souhlasu autora autora je je ázá dicinální chemie vznikla s rozvojem farmaceutického průmyslu v průběhu 20. století. Jejím cílem je vyhledávání vých biologicky aktivních látek. Jedná se o interdisciplinární obor integrující organickou chemii, biochemii a farmakologii. Co dnes představuje vývoj vého léčiva? - 10 až 15 let intenzivní práce organických chemiků, biochemiků a farmakologů - syntézu a otestování biologické aktivity až 10 tisíc vých sloučenin - náklady převyšující 500 milionů USD Důsledky: - soustředění základního farmaceutického výzkumu zaměřeného na vývoj vých typů léčiv ze do několika ekomicky nejsilnějch farmaceutických firem - snaha o maximální racionalizaci všech aktivit spojených s vývoje vého léčiva s cílem zkrátit dobu potřebu k uved na trh a snížit náklady na vývoj.

2 3. tody vývoje vých léčiv (2) toda strukturních variací se se souhlasem souhlasem autora autora ál školy koly -techlogic v Jeho Jeho žit řen bez bez souhlasu souhlasu autora autora je je ázá ejstar racionální přístup k vyhledávání vých léčiv, spočívající v modifikaci struktury látky o známém biologickém účinku. Předpokládá se, že za biologickou aktivitu sloučeniny bývá odpovědná ze určitá část její struktury. Postup: Strukturní vzorec látky rozdělí na fragmenty, které se pak systematicky obměňují za jiné fragmenty nebo strukturní prvky. Cílem je zjistit, který z fragmentů původní molekuly je: - nepostradatelný pro zachování biologické aktivity a současně je i nezaměnitelný za jiný strukturní element, - nepostradatelný, je však zaměnitelný za strukturně obdobný prvek nebo fragment bez ztráty účinsti, - je postradatelný, tj. takový, který nemá podstatný vliv na biologickou aktivitu sledované substance. Soubor nepostradatených fragmentů (sných, esenciálních): farmakofor Leading structure (lead). ejvýznamnějšm a typický představitel určité skupiny strukturně příbuzných léčiv se steju indikací (obvykle první připravená nebo nejžívaněj látka z dané skupiny léčiv).

3 3. tody vývoje vých léčiv (3) Příklad farmakoforu: ží slou slou se se se se souhlasem souhlasem souhlasem souhlasem autora autora autora autora kový í studijn studijn ál ál ke ke ke ke studiu studiu studiu studiu oborů oborů obor obor é Vysok Vysok školy školy koly koly -techlogic -techlogic v Jeho Jeho Jeho Jeho žit žit ití jiným jiným elům řen řen bez bez bez bez souhlasu souhlasu souhlasu souhlasu autora autora autora autora je je je je ázá ázá 3 C Kyselina nalidixová antibakteriální chemoterapeutikum žívané zejména při léč infekcí močových cest; objevena v 60. letech minulého století. epostradatelný (esenciální) fragment: 1,4-dihydro-1,8-naftyridivý nebo 1,4-dihydrochilivý skelet s oxoskupiu v poloze 4 a karboxylovou skupiu v poloze 3. Změny tohoto fragmentu vedou ke ztrátě antibakteriální aktivity. Zaměnitelné fragmenty: - Ethylová skupina v poloze 1 je sice důležitá z hlediska antibakteriální aktivity, může však být nahrazena isosterní skupiu. - Atom dusíku v poloze 8 lze zaměnit za skupinu C bez ztráty aktivity. 1 4 C C Atom fluoru vázaný v poloze 6 zvyšuje účinst tohoto typu sloučenin, stejně tak přítomst terciární amiskupiny v poloze 7. Tyto fragmenty jsou součástí farmakoforu 3. generace antibakteriálních chilonů. R 1 F R R 3 3 C kyselina nalidixová antibakteriální chemoterapeutika 3. generace

4 3. tody vývoje vých léčiv (4) se se souhlasem souhlasem autora autora ál školy koly -techlogic v Jeho Jeho žit řen bez bez souhlasu souhlasu autora autora je je ázá Isosterní skupiny Bioisosterie je jedu z pracovních hypotéz využívaných v metodě strukturních variací. Vychází z předpokladu, že u strukturně podobných fragmentů s podobným rozložm hustoty elektronů lze očekávat podobný vliv na biologickou aktivitu látky. Příhlady: Bioisostery esterové funkce nebo R 1 R 1 Bioisostery amidů R R Bioisostery thiomočoviny S 2 2 C nebo Bioisoster karboxylové funkce Bioisostery amidinů 2 2 nebo 2 2 S 2 2

5 3. tody vývoje vých léčiv (5) Vliv prostorového uspořádání funkčních skupin v molekule na biologickou aktivitu (příklady) se se souhlasem souhlasem autora autora ál školy koly -techlogic v Jeho Jeho žit řen bez bez souhlasu souhlasu autora autora je je ázá 1. Vliv konstituce C C kyselina salicylová kyselina 4-hydroxybenzoová antipyretikum ( Ac - derivát) dezinficiens (estery) protizánětlivé účinky ( Ac -derivát) antiagregační účinky ( Ac derivát) keratolytikum 2. Vliv konfigurace C C kyselina (E)-butendiova (fumarová) dezinficiens vehiculum pro Fe 2+ Ph 2 tranylcypromin antidepresivum 2 C C kyselina (Z)-butendiova (maleivá) iritant Příklady látek, jejichž aktivita je vázána na určitou relativní konfiguraci na cyklu: C tranexamová kyselina antifibrilytikum Cl 2 S 2 klopamid diuretikum

6 3. tody vývoje vých léčiv (6) Vliv prostorového uspořádání funkčních skupin v molekule na biologickou aktivitu (příklady) se se souhlasem souhlasem autora autora ál školy koly -techlogic v Jeho Jeho žit řen bez bez souhlasu souhlasu autora autora je je ázá 3. Vliv konfigurace chiralita Enantiomery se obvykle li biologickou aktivitou (proč asi???) Eutomer ( isomerní balast ) - stereoisomer s niž biologickou aktivitou Distomer - stereoisomer s vyš biologickou aktivitou Eudismický poměr poměr biologické aktivity eutomeru a distomeru Příklady: a) rozdílná míra účinku (S)-naproxen 28x účinněj 3 + Cl - (S)-methacholin 250x účinněj C (R)-naproxen 3 + Cl - (R)-methacholin C

7 3. tody vývoje vých léčiv (7) Vliv prostorového uspořádání funkčních skupin v molekule na biologickou aktivitu (příklady) se se souhlasem souhlasem autora autora ál školy koly -techlogic v Jeho Jeho žit řen bez bez souhlasu souhlasu autora autora je je ázá 3. Vliv konfigurace chiralita b) rozdílná kvalita účinku!!!!! Možst změny konfigurace v důsledku elizace 2 2 dextropropoxyfen (analgetikum) levopropoxyfen (antitusikum) (R)-thalidomid (hyptikum) C (S)--ftalylasparagová kyselina (teratogen) (S)-thalidomid

8 3. tody vývoje vých léčiv (8) Současné trendy ve vývoji chirálních léčiv: se se souhlasem souhlasem autora autora ál školy koly -techlogic v Jeho Jeho žit řen bez bez souhlasu souhlasu autora autora je je ázá 1. Je-li vé léčivo uváděné na trh chirální, registrační autority budou požadovat, aby byl registrován stereoisomer s lepm terapeutickým efektem. 2. U již dříve zaregistrovaných racemátů chirálních léčiv budou postupně uváděny na trh enantiomery s lepm terapeutickým efektem (tzv. chiral switch nebo racemate-tosingle-enantiomer-switch). Příklady: Bu salbutamol t-bu bupivakain Bu t-bu (R)-salbutamol levarbuterol (S)-bupivakain

9 3. tody vývoje vých léčiv (9) Kvantitativní vztahy mezi strukturou a biologickou aktivitou (Quantitative Structure-Activity Relationships QSAR) se se souhlasem souhlasem autora autora ál školy koly -techlogic v Jeho Jeho žit řen bez bez souhlasu souhlasu autora autora je je ázá istorie: becná formulace vztahu mezi strukturou a biologickou aktivitou látky Φ = f(x) Φ biologická aktivita X parametry struktury účinné látky Crum Brown, Frazer T.: Trans. Roy. Soc. Edinburgh 25, 151 (1868-9). Účinst inhalačních anestetik log (1 / C) = 0,94 log P ol + 0,87 C koncentrace potřebná k vyvolání požadované míry anestet. účinku verton E.: Z. Phys. Chem. 22, 189 (1897) P ol rozdělovací koeficient anestetika v soustavě olej voda

10 3. tody vývoje vých léčiv (10) Kvantitativní vztahy mezi strukturou a biologickou aktivitou (QSAR) se se souhlasem souhlasem autora autora ál školy koly -techlogic v Jeho Jeho žit řen bez bez souhlasu souhlasu autora autora je je ázá První žitelné QSAR zhruba od poloviny 60. let 20. stol. C. ansch dvodil celou řadu modelů popisujících vztah struktury a biologické aktivity platné pro série strukturně podobných látek. Výchozí předpoklady (zjeddušeně): - biologická aktivita látky závisí na jejím transportu k místu účinku (site of action) a na schopsti látky vázat se k tomuto místu - transport látky k místu účinku závisí na její lipofilitě ( vlivy farmakokinetické) - schopst látky vázat se k místu účinku ovlivňují předevm elektrové a sterické vlaststi Typický příklad: log (1 / C) = k 1 π + k 2 π 2 + k 3 σ + k 4 E S + k 5 σ ammettova substituentová konstanta (v případě studia vlivu substituce jádra u aromatických sloučenin) π substituentový parametr lipofility; π X = log (P X / P ), E S sterická konstanta P X rozdělovací koeficient látky se subst. X v soust. 1-oktal - voda P rozdělovací koeficient nesubst. látky v soust. 1-oktal voda

11 3. tody vývoje vých léčiv (11) Kvantitativní vztahy mezi strukturou a biologickou aktivitou (QSAR) se se souhlasem souhlasem autora autora ál školy koly -techlogic v Jeho Jeho žit řen bez bez souhlasu souhlasu autora autora je je ázá Jak to funguje? 1. V sérii strukturně příbuzných látek se pro všechny z nich staví biologická aktivita. 2. Do matematického modelu se dosadí příslušné známé hodty charakteristik jedtlivých členů série (σ, π, E S ). 3. Provede se regresní analýza; jejím výsledkem jsou konstanty k 1 až k 5 modelu. 4. U vě navržené potenciální biologicky aktivní látky můžeme predikovat její biologickou aktivitu. Pravděpodobst, že skutečné vlaststi budou odpovídat predikovaným, závisí na kvalitě modelu. Modely lze různě modifikovat, např. - žitím Taftových konstant pro popis strukturních obměn v alifatické části molekuly - žití tzv. indikátorové proměnné I (logická proměnná vyznačující přítomst či absenci) nějakého strukturního feménu v molekule (I = 1, femén existuje, I = 0, femén neexistuje)

12 3. tody vývoje vých léčiv (12) Kvantitativní vztahy mezi strukturou a biologickou aktivitou (QSAR) se se souhlasem souhlasem autora autora ál školy koly -techlogic v Jeho Jeho žit řen bez bez souhlasu souhlasu autora autora je je ázá S. M. Free a J. W. Wilson Předpoklái, že biologickou aktivitu jakékoliv látky odvozené substitucí od základní matečné struktury lze vypočíst zahrnutím příspěvků biologické aktivity jedtlivých substituentů. Tyto substituentové příspěvky považovali za konstantní a aditivní. log (1 / C) = Σ a i X ij + µ a j příspěvek strukturního fragmentu X vázaného v poloze j v molekule i µ konstanta charakterizující základní strukturu; bývá to průměrná biologická aktivita ve studovaném souboru látek. X ij indikátorová proměnná; její hodta (1 resp. 0) značí přítomst resp. absenci tohoto strukturního fragmentu.!!!!! Ani jedu z uvedených metod (ansch, Free a Wilson) ELZE navrhut vý farmakofor. Uvedené metody slouží ze k nalez vztahů mezi strukturou a biologickou aktivitou v sérii příbuzných látek. I to je však cenné lze racionalizovat vyhledávání nejúčinnějch látek daného strukturního typu.

13 3. tody vývoje vých léčiv (13) Toplissovo operační schéma (Toplissův strom) se se souhlasem souhlasem autora autora ál školy koly -techlogic v Jeho Jeho žit řen bez bez souhlasu souhlasu autora autora je je ázá - Algoritmizovaná rozhodovací pravidla odvozená na základě anschových předpokladů. - evyžadují vytvoř matematického modelu vztahu mezi strukturou a biologickou aktivitou. -Při jejich aplikaci lze rychle nalézt nejúčinněj derivát v sérii strukturně podobných látek. Příklad (pro derivatizaci aromatického jádra): 4-Cl(n) 4-Cl(s) 4-Cl(v) 4-(n) 4-(s) 4-(v) 3-Cl 4-2 (n) 4-2, (s) 4-2 (v) 4-(n) 4-(s) 4-(v) 3-Cl(n) 3-Cl(s) 3-Cl(v) 4-t-Bu CF 3 2,4-Cl 2 3,4-Cl 2 (n) 3,4-Cl 2 (s) 3,4-Cl 2 (v) 4-CF 3 3-CF 3, 4-Cl 3,5-Cl CF 3, 4-2 (v) znamená vyš, (s) steju a (n) niž biologickou účinst ve srovnání s původní látkou

14 3. tody vývoje vých léčiv (14) Klasické QSAR metody (ansch, Free a Wilson) se se souhlasem souhlasem autora autora ál školy koly -techlogic v Jeho Jeho žit řen bez bez souhlasu souhlasu autora autora je je ázá Vliv sterických, hydrofobních a elektrostatických interakcí mezi látkou a receptorem na biologickou odezvu formou černé skříňky. emohou tedy postihut vliv vzájemného prostorového uspořádání těch fragmentů látky, které jsou odpovědné za uvedené typy interakcí. CADD Computer-Assisted Drug Design CAMD Computer-Assisted Molecular Design (synymum) -Počátky těchto metod zhruba v 80. letech 20. století (rozvoj výpočetní techniky). - tody CADD (CAMD) dovolují studovat interakce (prostorové) mezi receptorem a potenciálním léčivem Princip: komplementarita struktur receptoru a aktivní látky

15 3. tody vývoje vých léčiv (15) CADD - CAMD se se souhlasem souhlasem autora autora ál školy koly -techlogic v Jeho Jeho žit řen bez bez souhlasu souhlasu autora autora je je ázá Molecular docking Je-li známá struktura receptoru (nebývá pravidlem), lze pomocí vhodných výpočetních programů zjistit, zda a jak je navržená látka schopná vázat se k danému receptoru (docking). Vícedimenzionální QSAR -li známá struktura receptoru (ve většině případů), hledá se korelace mezi biologickou aktivitou látek a jejich prostorovými charakteristikami - vícedimenzionální QSAR metody. 3D QSAR Comparative molecular field analysis (CoMFA) - Charakterizaci 3D vlaststí sloučenin: silová pole (force fields) popisující interakce molekuly s okolím: prostorová pole (structure fields) elektrostatická pole (electrostatic fields) pole popisující hydrofobní interakce (hydrophobic fields). - Molekula se umístí do 3D sítě (3D-grid). - Pomocí referenčního atomu (probe) se studují hodty polí interakce v jedtlivých bodech sitě. - Provede se korelační analýza.

16 3. tody vývoje vých léčiv (16) 3D QSAR se se souhlasem souhlasem autora autora ál školy koly -techlogic v Jeho Jeho žit řen bez bez souhlasu souhlasu autora autora je je ázá Comparative Molecular Similarity Index Analysis (CoMSIA) a rozdíl od CoMFA žívá k modelování interakcí molekuly s okolím gaussiavské aproximace. Umožňuje zahrut do modelu vazby. Stejně CoMFA pracuje s rigidní molekulou v rigidním receptoru. 4D QSAR Umožňuje zahrut do výpočtu jak konformační flexibilitu molekuly, tak její volu orientaci v 3D systému ( čtvrtý rozměr ). 5D QSAR a 6D-QSAR 5D QSAR uvažuje navíc flexibilitu receptoru a 6D QSAR přidává solvataci.!!!!! - K reálnému prostoru se pochopitelně vztahují ze tři rozměry (3D). Každý rozměr znamená jen sérii stupňů volsti při řeš vzájemných interakcí ligandu (potenciální biologicky aktivní látky) s receptorem. - I ve vícerozměrných QSAR metodách se pracuje se soubory strukturně příbuzných sloučenin. elze tedy s jejich pomocí navrhut vý farmakofor.

17 3. tody vývoje vých léčiv (17) Postup při vytvář vícedimenzionálního QSAR modelu: se se souhlasem souhlasem autora autora ál školy koly -techlogic v Jeho Jeho žit řen bez bez souhlasu souhlasu autora autora je je ázá - vybere se série látek interagujících požadovaným způsobem se studovaným receptorem, (training set), - metodami MM se pro každý ligand z této série zjistí jeho prostorové nároky (conformational space), - zpracování metodami statistické analýzy dat; výsledek: kvaziatomický model receptoru (quasi-atomic receptor surrogate) popisující vazebná místa (receptor binding pocket), matematický model popisující vztah mezi strukturou a biologickou aktivitou v dané sérii látek - validace modelu pomocí testovacího souboru sloučenin (test set); v tomto souboru jsou pochopitelně látky, které nebyly žity pro vytvoř modelu. Příklad výsledku: Model receptoru pro 4-hydroxyestradiol vytvořený pomocí 6D QSAR (Biographics Laboratory 3R, Basel, Switzerland)

18 3. tody vývoje vých léčiv (18) Kombinatoriální chemie se se souhlasem souhlasem autora autora ál školy koly -techlogic v Jeho Jeho žit řen bez bez souhlasu souhlasu autora autora je je ázá toda poskytující chemické knihovny, tj. velké soubory vých sloučenin, mezi nimiž lze hledat vé potenciální biologicky aktivní látky. Pro přípravu chemických knihoven se žívají techniky umožňující: - jedu syntetickou operací syntetizovat najedu vět mžství sloučenin; obvykle se přitom pracuje s látkami otvenými na vhodném pevném siči - hromadné testování sloučenin obsažených v knihovně (high thoughput screening). Příklad: toda mix and split aplikovaná na syntézu knihovny 400 dipeptidů z 20 přírodních amikyselin. Proved: rrifieldovou technikou syntézy na pevné fázi.

19 3. tody vývoje vých léčiv (19) Kombinatoriální chemie syntéza knihovny 400 dipeptidů metodou mix and split se se souhlasem souhlasem autora autora ál školy koly -techlogic v Jeho Jeho žit řen bez bez souhlasu souhlasu autora autora je je ázá Gly Ala Val amikyseliny Arg is Gly-Gly Gly-Ala Gly-Val... Gly-Arg Gly-is Gly... Ala Val Arg is směs 20 amikyselin (20x) směs 20 amikyselin Gly Ala Val Arg is Ala-Gly Ala-Ala Ala-Val... Ala-Arg Ala-is 1 st pool Val-Gly Val-Ala Val-Val... Val-Arg Val-is x směs 20 dipeptidů (celkem 400) Arg-Gly Arg-Ala Arg-Val... Arg-Arg Arg-is is-gly is-ala is-val... is-arg is-is Mix Split 20 -chráněných AK otvených na siči Smíchání v ekvimolárním poměru (mix) vznikne tzv. 1st pool Rozděl do 20 baněk (split); každá obsahuje ekvimolární směs 20 AK na pevném siči bsah každé baňky se zkondenzuje obvyklým způsobem s jedu AK (deprotekce, kondenzace, deprotekce). Každá baňka nyní obsahuje 20 dipeptidů. 20-násobným provedm syntézy bylo získá celkem 400 sloučenin. Tyto látky lze podrobit hromadnému screeningu.

20 3. tody vývoje vých léčiv (20) Modifikace farmakokinetických vlaststí léčiv se se souhlasem souhlasem autora autora ál školy koly -techlogic v Jeho Jeho žit řen bez bez souhlasu souhlasu autora autora je je ázá a) Modifikace lipofility léčiv např.: t-bu salbutamol salmeterol bě látky (β 2 -adrenergika) mají stejný farmakofor a uvolňují hladké svalstvo ovládající dýchací cesty. Salbutamol učinkuje okamžitě po podání (např. při akutních astmatických záchvatech) Salmeterol (depot v lipofilních tkáních) se žívá prevence proti tzv. perzistentnímu čnímu astmatu.

21 3. tody vývoje vých léčiv (21) Modifikace farmakokinetických vlaststí léčiv se se souhlasem souhlasem autora autora ál školy koly -techlogic v Jeho Jeho žit řen bez bez souhlasu souhlasu autora autora je je ázá b) Proléčiva Proléčivo vzniká nejčastěji navázáním původní účinné látky na vhodný transportní sič, např.: Et S 2 ampiroxikam (proléčivo) 2 valaciklovir (proléčivo) 2 piroxikam S 2 2 aciklovir

22 3. tody vývoje vých léčiv (22) Modifikace farmakokinetických vlaststí léčiv se se souhlasem souhlasem autora autora ál školy koly -techlogic v Jeho Jeho žit řen bez bez souhlasu souhlasu autora autora je je ázá c) Cílený transport léčiv Využití interakcí antigen - protilátka Výhody: potlač možsti systémové intoxikace (významné zejména u cytostatik). d) Supramolekulární systémy a nasystémy Transport léčiv pomocí liposomů a vesiklů Využití dendrimerů a fullerenů dendrimer fulleren