Syntetická léčiva Moderní přístupy k vývoji nových léčiv

Transkript

1 Syntetická léčiva Moderní přístupy k vývoji nových léčiv Příprava předmětu byla podpořena projektem PPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253

2 Přírodní léčiva Empirie, sledování zvířat, pokus-omyl, nashromážděno obrovské množství poznatků o účincích různých přírodních látek na lidský organismus. Výhradní používání přírodních léčiv do konce 15. století. V současné době Farmakognozie. Vrbová kůra ippokrates, středověk,.., salicin, salicylová kys. aspirin Chinin chinovníková kůra, antimalarikum, snižuje horečku, hořký, abortivum pium uschlá šťáva obsahující morfin, kodein, thebain, papaverin (spasmolytikum) bdobí iatrochemie (z řeckého iatros = lékař) Paracelsus Iatrochemici předpokládali, že příčinou špatné funkce organismu jsou změny v jeho (chemickém) složení. Úkolem lékařů proto je vhodnými (chemickými) prostředky tento stav napravovat využití poznatků alchymie. Paracelsovi se připisuje myšlenka, že jed od léku odlišuje pouze podávané množství.

3 19. století Prudký rozvoj chemie v závěru století ke vzniku specializovaných farmaceutických výrob. Při hledání nových léčiv se nicméně stále pracuje metodou pokus-omyl. Př. Fenacetin Et fenacetin salicylová kyselina acetylsalicylová kyselina Ve 2. pol. století P. Ehrlich zpozoroval u řady léčiv chemickou specificitu jejich účinku (magic bullet). Jeho pozorování později vedla k formulaci receptorové teorie účinku léčiv.

4 20. století Rozvoj biochemie, vzniká farmakologie. Zjištění, že biologická aktivita sloučenin je vázána na esenciální fragment jejich struktury metoda strukturních variací jako první racionální přístup k vyhledávání nových biologicky aktivních látek. 60. léta 20. století První pokusy o formulování korelací mezi strukturou a biologickou aktivitou látek QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationships): C.ansch, S. M. Free a J. W. Wilson). 70. léta 20. století Rozhodovací algoritmy pro volbu syntetizovaných sloučenin ve vyhledávací fázi farmaceutického výzkumu (Toplissovo operační schéma). d 2. poloviny 80. let 20. století Rozvoj výpočetní techniky umožňuje stále dokonalejší 3D studium interakcí sloučenin s receptory vznik 3D-QSAR Kombinatoriální chemie - syntéza chemických knihoven + high throughput screening

5 dicinální chemie, farmaceutická chemie, farmakochemie Vznikla s rozvojem farmaceutického průmyslu v průběhu 20. století vývoj nových léčiv na základě vyhledávání nových biologicky aktivních látek (interdisciplinární obor integrující organickou chemii, biochemii a farmakologii...) vývoj generik Současná situace: soustředění základního farmaceutického výzkumu zaměřeného na vývoj nových typů léčiv pouze do několika ekonomicky nejsilnějších farmaceutických firem snaha o maximální racionalizaci všech aktivit spojených s vývoje nového léčiva s cílem zkrátit dobu potřebnou k uvedení na trh a snížit náklady na vývoj stále větší zapojení originátorských firem do oblasti generických léčiv

6 DRUG DISCVERY áhodný objev (Serendipitous discovery) Identifikace účinné látky z tradiční medicíny/přírodních zdrojů Lekce 13,14 J Selective ptimization of Side Activities (SSA) Lekce 2 Drug Repurposing Lekce 2 Využití výsledků metabolických studií Lekce 2 Chiral switch Combichem + igh-throughput Screening (TS) Racionální návrh léčiv (Rational Drug design)

7 DD&D - PIPELIE CCEPT DRUG DISCVERY DRUG DEVELPMET DRUG MARKETIG DRUG EXPASIS Idea lead optimization Preclinical testing DA ew clinical indications Synthesis testing :hit "candidate" Clinical Studies Approval Launch ew forms it to lead chemistry Preclinical testing strategy Clinical Studies Phase I, II, III Post marketing surveillance Marketing support Phase IV

8

9 CE B biologická léčiva přírodní léčiva D semisyntetická léčiva; S syntetická bez předlohy s novým farmakoforem S* syntetická bez předlohy s farmakoforem přítomným v přírodních látkách S/M odvozená od přírodních V - vakciny

10 RACIÁLÍ ÁVR LÉČIV Using structural information about drug targets or their natural ligands as a basis for the design of effective drugs. Rational Drug Design využívá: 3D struktury receptorů (enzymů), de novo návrh ligandů 3D struktury jejich přirozených ligandů k mapování (agonisté, antagonisté, enzymové inhibitory, ) 3D struktury komplexů enzym-inhibitor nebo ligand-receptor

11

12

13 todiky obměny struktury toda strukturních variací Předpoklad: biologická aktivita je dána pouze určitou substrukturou. Postup: obměnou se zjistí, které části původní molekuly jsou: nepostradatelné, avšak zaměnitelné bez ztráty účinnosti jsou postradatelné, nemají podstatný vliv na biologickou aktivitu nepostradatelné pro zachování biologické aktivity a nezaměnitelné za jiný strukturní element. Soubor nepostradatených fragmentů (nosných, esenciálních): farmakofor. 3 C C 2 5 C R 1 F R R 3 3 C kyselina nalidixová antibakteriální chemoterapeutika 3. generace

14 todiky obměny struktury Bioisosterie - pracovní hypotéza využívaná v metodě strukturních variací. Předpoklad: u strukturně podobných fragmentů s podobným rozložením hustoty elektronů lze očekávat podobný vliv na biologickou aktivitu látky. Bioisostery esterové funkce Bioisoster karboxylové funkce R 1 R 1 nebo Bioisostery amidů Bioisostery amidinů R R 2 Bioisostery thiomočoviny 2 2 nebo 2 nebo 2 S C 2 S 2 2

15 Bioisosterie C - tetrazol sartany F R F R F R S aktivní inaktivní aktivní todiky obměny struktury

16 todiky obměny struktury Bioisosterie 2 antihistaminika 2 histamin 2 -guanylhistamin S cimetidin S burimamid neúèinný in vivo S S metiamid úèinný, vedl. úèinky 2 2 S S ranitidin S famotidin 2 2 S 2 2

17 Vliv prostorového uspořádání funkčních skupin v molekule na biologickou aktivitu Vliv konstituce C kyselina salicylová antipyretikum ( jako Ac - derivát) protizánì tlivé úèinky (jako Ac -derivát) antiagregaèní úèinky (jako Ac derivát) keratolytikum C kyselina 4-hydroxybenzoová dezinficiens (estery) Vliv konfigurace C C C C kyselina (E)-butendiova (fumarová) dezinficiens vehiculum pro Fe 2+ kyselina (Z)-butendiova (maleinová) iritant Pøíklady látek, jejichž aktivita je vázána na urèitou relativní konfiguraci na cyklu: Cl Ph 2 tranylcypromin antidepresivum 2 C tranexamová kyselina antifibrinolytikum 2 S 2 klopamid diuretikum

18 Vliv prostorového uspořádání funkčních skupin v molekule na biologickou aktivitu Vliv konfigurace chiralita Enantiomery se obvykle liší biologickou aktivitou (proč asi???) účinek, účinnost, toxicita. Eutomer - stereoisomer s vyšší biologickou aktivitou Distomer ( isomerní balast ) - stereoisomer s nižší biologickou aktivitou. Eudismický poměr poměr biologické aktivity eutomeru a distomeru. Příklady: a) rozdílná míra účinku F C (S)-naproxen 28x úèinnì jší C (R)-naproxen C ofloxacin F C 3 + Cl Cl - (S)-methacholin 250x úèinnì jší (R)-methacholin levofloxacin (S)-ofloxacin

19 Koncept privilegované struktury Privilegovaná struktura Termín byl původně navržen koncem 80. let pro struktury, které reagují s určitým typem receptorů/receptorů nebo se skupinami receptorů. Funkcí takové struktury je nést funkční skupiny interagující s danými receptory ve vhodném prostorovém uspořádání (molecular scaffold). Ukazuje se, že řada privilegovaných struktur interaguje s větším počtem molecular targets. Vhodné privilegované struktury vnáší do molekuly také druglikeness. Koncept se využívá již ve stadiu navrhování (kombichem TS).

20 Privilegovaná struktura - bifenyl Koncept privilegované struktury

21 Koncept privilegované struktury Privilegovaná struktura benzodiazepinový skelet

22 Koncept privilegované struktury Privilegovaná struktura dihydropyridinový kruh

23 Současné trendy ve vývoji chirálních léčiv Je-li nové léčivo uváděné na trh chirální, registrační autority budou požadovat, aby byl registrován stereoisomer s lepším terapeutickým efektem. U již dříve zaregistrovaných racemátů chirálních léčiv budou postupně uváděny na trh enantiomery s lepším terapeutickým efektem (tzv. chiral switch nebo racemate-to-single-enantiomer-switch). Příklady: t-bu salbutamol Bu bupivakain S omeprazol t-bu (R)-salbutamol levarbuterol Bu (S)-bupivakain S (S)-omeprazol esomeprazol

24 Kvantitativní vztahy mezi strukturou a biologickou aktivitou (Quantitative Structure-Activity Relationships QSAR) Předpoklady: biologická aktivita látky závisí na jejím transportu k místu účinku (site of action) a na schopnosti látky vázat se k tomuto místu transport látky k místu účinku závisí na její lipofilitě ( vlivy farmakokinetické) schopnost látky vázat se k místu účinku ovlivňují především elektronové a sterické vlastnosti becná formulace vztahu mezi strukturou a biologickou aktivitou látky Φ = f(x) Φ biologická aktivita X parametry struktury účinné látky ansch: log (1/C) = k 1 π + k 2 π 2 + k 3 σ + k 4 E S + k 5 σ ammettova substituentová konstanta (u substituce aromat. jádra) π substituentový parametr lipofility; π X = log (P X / P ) P - rozdělovací koeficient v soustavě oktan-1-ol - voda E S sterická konstanta

25 Kvantitativní vztahy mezi strukturou a biologickou aktivitou (Quantitative Structure-Activity Relationships QSAR) Jak to funguje? 1. V sérii strukturně příbuzných látek se pro všechny z nich stanoví biologická aktivita. 2. Do matematického modelu se dosadí příslušné známé hodnoty charakteristik jednotlivých členů série (σ, π, E S ). 3. Provede se regresní analýza; jejím výsledkem jsou konstanty k 1 až k 5 modelu. 4. U nově navržené potenciální biologicky aktivní látky můžeme predikovat její biologickou aktivitu. Pravděpodobnost, že skutečné vlastnosti budou odpovídat predikovaným, závisí na kvalitě modelu. Modely lze různě modifikovat, např.: použitím Taftových konstant pro popis strukturních obměn v alifatické části molekuly použití tzv. indikátorové proměnné I (logická proměnná vyznačující přítomnost či absenci) nějakého strukturního fenoménu v molekule (I = 1, fenomén existuje, I = 0, fenomén neexistuje)

26 Toplissovo operační schéma (Toplissův strom) Algoritmizovaná rozhodovací pravidla odvozená na základě anschových předpokladů. evyžadují vytvoření matematického modelu vztahu mezi strukturou a biologickou aktivitou. Při jejich aplikaci lze rychle nalézt nejúčinnější 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) 4-(n) 4-(s) 4-(v) 3,4-Cl 2 (n) 3,4-Cl 2 (s) 3,4-Cl 2 (v) 3-Cl 3-Cl(n) 3-Cl(s) 3-Cl(v) 4-t-Bu 4-CF 3 3-CF 3, 4-Cl CF 3 2,4-Cl (n) 4-2 (s) 4-2 (v) 3,5-Cl CF 3, , 4- (v) znamená vyšší, (s) stejnou a (n) nižší biologickou účinnost ve srovnání s původní látkou

27 CADD = CAMD Klasické QSAR metody (ansch, Free a Wilson) Vliv sterických, hydrofobních a elektrostatických interakcí mezi látkou a receptorem na biologickou odezvu formou černé skříňky. emohou tedy postihnout vliv vzájemného prostorového uspořádání těch fragmentů látky, které jsou odpovědné za uvedené typy interakcí. CADD CAMD Computer-Assisted Drug Design Computer-Assisted Molecular Design (synonymum) 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

28 CADD = CAMD 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). Dva základní přístupy: Komplementarita tvarů srovnávají se tvary receptoru a energeticky optimalizovaného ligandu Simulace energeticky se optimalizuje komplex receptor-ligand

29 Drug - likeness Koncept je založen na tom, že používaná léčiva mají řadu fyzikálněchemických vlastností v poměrně úzkém rozmezí. Klíčové vlastnosti: molekulová hmotnost, lipofilita, pka, Jsou používány různá pravidla, nejznámější je Lipinskiho pravidlo 5 (Lipinski rule of 5) pro orální biodostupnost (max. 1 porušení): Maximálně 5 donorů vodíkových vazeb (, ) Maxaximálně 10 (2 X 5) akceptorů vodíkových vazeb (, ) MW < 500 Rozdělovací koeficient oktanol-voda - log P < 5 (většinou se neměří, clog P) Kvantitativní odhad drug-likeness (QED) v rozmezí 0 až 1 je počítán Speciální softwarem.

30 Modifikace farmakokinetických vlastností léčiv 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 používá jako prevence proti tzv. perzistentnímu nočnímu astmatu.

31 I. Výzkumná fáze testování In vitro testování na tkáňových kulturách testování na isolovaných orgánech vazebné studie na isolovaných nebo biotechnologicky připravených receptorech testování antimikrobiálních (antivirových) látek high-throughput screening - knihovny In vivo vyjímečně jako primární screening ověření aktivity na omezeném počtu zvířat (myš) stanovení akutní toxicity

32 II. Preklinický vývoj Širší biologické hodnocení ověření aktivity in vivo na více druzích farmakokinetika (osud léčiva v organismu, biodostupnost) farmakodynamika (vliv na KVS, CS, GIS, UGS) Toxikologické studie speciální toxikologie (mutagenita, genotoxicita, teratogenita, kancerogenita, ) subchronická a chronická toxicita ptimalizace syntézy, vývoj analytických metod Vývoj lékové formy

33 II. Preklinický vývoj Širší biologické hodnocení ověření aktivity in vivo na více druzích farmakokinetika (osud léčiva v organismu, biodostupnost) farmakodynamika (vliv na KVS, CS, GIS, UGS) Toxikologické studie speciální toxikologie (mutagenita, genotoxicita, teratogenita, kancerogenita, ) subchronická a chronická toxicita ptimalizace syntézy, vývoj analytických metod Vývoj lékové formy

34 III. Klinický vývoj Fáze 0: Fáze I: Fáze II: Fáze III: microdosing nepovinná fáze metabolická studie a farmakokinetika u zdravých dobrovolníků jednotlivé a opakované podání pacientům, v různých dávkách (ověření účinku, vedlejší účinky, biochemické parametry, hladiny léčiva a metabolitů) opakované podání srovnávací studie se známými standardy (multicentrická studie) (Fáze IV: Postmarketingové monitorování)

35 GEERICKÁ LÉČIVA Generická léčiva terapeutické ekvivalenty originálních léčiv zaváděná po uplynutí patentové ochrany a ochrany registračních dat v dané zemi EU Essential similarity Existence schváleného srovnávacího originálního léčiva v dané zemi Identická API (Active Pharmaceutical Ingredient), excipienty se mohou lišit Identická síla, léková forma a cesta podání (x supergenerika) Identická indikace Musí být bioekvivalentní s originálním léčivem Musí mít identickou nebo velmi podobnou specifikaci jako originální léčivo (stejný profil nečistot) Musí být vyrábět pod SVP = GMP (Good Manufacturing Practice)

36 Bioekvivalence Bioequivalence Termín z oblasti farmakokinetiky. Dva různé přípravky obsahující stejnou účinnou látku se považují za bioekvivalentní, jestliže při stejném způsobu podání a stejném dávkování vykazují v rozsahu regulační autoritou povolené odchylky stejnou závislost koncentrace účinné látky na čase v systémové cirkulaci. Při uvádění generických přípravků na trh je nezbytné prokázat jejich bioekvivalenci s originálem. Je třeba mít na paměti, že definice bioekvivalence se může u jednotlivých autorit odpovědných za registraci léčiv (FDA, EMEA a další) v detailech lišit. Kuchař M. (Editor): Farmaceutický encyklopedický slovník (nakladatelství VŠCT Praha, 2013???)

37 Bioekvivalenční studie Thank you for your kind attention Srovnání originálu z trhu s potenciálním generikem Provádí se zkřížená studie na dobrovolnících Vzorky sera/plasmy jsou analyzovány v pravidelných intervalech na API (popř. účinný metabolit) Klíčové farmakokinetické parametry (AUC, C max, T max ) jsou statisticky vyhodnocovány 90 % konfidenční interval v limitech 80 (90) % to 125 (110) % 37