OPVK CZ.1.07/2.2.00/

Transkript

1 OPVK CZ.1.07/2.2.00/

2 Základní principy vývoje nových léčiv OCH/ZPVNL Mgr. Radim Nencka, Ph.D. ZS 2012/2013

3 Objev hitu racionální přístup

4 2D-PAGE How to run great 2D Gels BIO-RAD

5 RNAi RNA interference Nobelova cena za Fyziologii a Medicínu 2006 Andrew Z. Fire Craig C. Mello

6 RNAi RNA interference RNAi proces, jímž buňky regulují genovou expresi, přičemž k této regulaci dochází v posttranskripční fázi posttranscriptional gene silencing vede k degradaci cílové mrna microrna = mirna - až 5% lidského genomu kóduje tyto RNA - >1000 mirna - reguluje přinejmenším 30% našich genů - kontrolují mnoho procesů včetně růstů buňek a jejich diferenciace

7 RNAi RNA interference RNAi short interfering RNA = sirna - jsou exogenní (syntetické nebo virové) dvouvláknové RNA, které způsobují degradaci cílové mrna Rozdíl mirna and sirna mirna jednovláknová endogenní váže se na různé mrna není perfektní schoda sekvencí sirna dvouvláknová exogenní váže se k sekvenci s dokonalou schodou

8 RNAi RNA interference RNAi Nature Video

9 Strategie objevu hitů 1. Systematický screening 2. Design analog 3. Využití biologických informací 4. Racionální přístupy k objevu hitu nebo leadu

10 Strategie objevu hitů 3. Využití biologických informací Informace založená na pozorování účinků u lidí zvířat nebo mikroorganismů A. Pozorovaní na lidech a) etnofarmakologie přírodní látky jsou jeden z nejdůležitějších zdrojů léčiv historicky - digitalis, curare, kokain, reserpin

11 Využití biologických informací a) etnofarmakologie přesto je lidová medicína dost nedůvěryhodný zdroj pokud funguje potvrzeni struktury totální syntézou zjednodušení struktury

12 Využití biologických informací b) klinické pozorování Pozorování vedlejších účinků léčiv Špatné x Farmakologicky zajímavé Farmakologicky zajímavé snížení nebo odstranění původního účinku a posílení sekundárního účinku pomocí metod medicinální chemie

13 Využití biologických informací

14 Využití biologických informací c) nové použití starých léčiv Někdy je pozorovaný efekt dostatečně silný pro využití léčiva pro jinou indikaci Amiodaron původně zaveden do klinické praxe pro dilataci koronárních cév při angině pectoris, stažen opět schválen jako antiarytmikum při Wolff-Parkinson-Whitově syndromu

15 Nové použití starých léčiv Tenofovir původně schválen 2001 pro léčbu HIV/AIDS, při lečbě pacientů současně trpících Hepatitidou B (HBV) se zjistilo, že vykazuje velmi dobré výsledky i na HBV s prakticky nulovým vznikem rezistence 2008 byl schvalen i pro HBV

16 Nové použití starých léčiv Sildenafil (původně hypotensní účinek a kardiotonikum) Erektilní disfunkce VIAGRA Vardenafil Levitra (Bayer AG, GSK, SP)

17 Drug repurposing Drug Discovery Today 2013 in press

18 Využití biologických informací d) průmyslové chemikálie jako zdroj nových léčiv Nitroglycerin vasodilatace angina pectoris Disulfiram podpůrná léčba alkoholismu původně antioxidat při výrobě gumy Probukol anti-hyperlipidemikum antioxidant pro plasty a gumu byl vyvijen, ale do kliniky se nedostal

19 Využití biologických informací B. Pozorovaní na zviřatech Spousta důležitých jevů pozorována na zvířatech Vinca rosea (Catharanthus roseus) lidová medicína - antidiabetikum - zkoumání a izolace vinblastinu žádný antidiabetický účinek, ale masivní leukopénie Extrakt aktivní proti leukemii na myších objevena cela skupina alkaloidu vinkristin, vinblastin, vinleurosin, vinrosidine

20 Využití biologických informací C. Pozorovaní na mikroorganismech Penicilin

21 Strategie objevu hitů 4. Racionální přístupy k objevu hitu nebo leadu Žádný z předchozích přístupů neměl racionální komponent A. Racionální přístup založený na přirozených ligandech a mediátorech L DOPA jako léčba Parkinsonovy choroby V 60tých letech minulého století Oleh Hornykiewicz objev deficitu dopaminu v mozku pacientů s Parkinsonovou chorobou

22 Strategie objevu hitů L-DOPA aminokyselina, která přechází přes hematoencefalickou barieru DOPA-dekarboxylasa L-DOPA na dopamin v mozku Značné množství L-DOPA je rozloženo před přechodem do mozku (až 95%)

23 Parkinsonismus Periferní inhibitory DOPAdekarboxylasy Inhibitory monoaminoxidasy - B Inhibitory katechol-omethyltransferasy

24 Syntéza L-DOPA WILLIAM KNOWLES,

25 Strategie objevu hitů B. Structure-Based Drug Discovery (SBDD) objev léků založený na struktuře biologického cíle Vyžaduje strukturní informaci (X-ray, protein NMR) biologického cíle nebo jeho aproximaci v podobě modelu Vs. Ligand-Based Drug Discovery (LBDD) Není známa strukturní informace biologického cíle nebo dokonce molekulárního cíle

26 Strategie objevu hitů B. Structure-Based Drug Discovery (SBDD) objev léků založený na struktuře biologického cíle 1. Klasický přístup Tradiční příklad je objev ACE inhibitorů považován za první příklad SBDD ACE inhibitory inhibitory angiotensin konvertujícího enzymu

27 Structure-Based Drug Discovery Objev kaptoprilu Dr. Sergio H. Ferreira objevil v jedu brazilské zmije - Křovinář žararaka (Bothrops jararaca) - peptid, který silně zvyšoval účinky bradykininu Isoloval nonapeptide BPP9a, který byl později nasyntetizován chemiky z firmy Squibb, kteří také prokázali, že má velmi silné ACE inhibiční vlastnosti a nazvali jej teprotid

28 Structure-Based Drug Discovery Objev kaptoprilu Ukázalo se, že bradykinin i angiotensin I jsou substrátem pro jeden enzym - ACE

29 Structure-Based Drug Discovery Objev kaptoprilu Nicméně jednalo se o peptid, který nebylo možné podávat per orálně Vědci ze Squibb vzali v úvahu, že se jedná o metalloproteasu obsahující zinek s podobnými vlastnostmi jako má kravská karboxypeptidasa A a připravili model aktivního místa enzymu

30 Structure-Based Drug Discovery

31 Structure-Based Drug Discovery Objev kaptoprilu Karboxypeptidasa štěpí poslední aminokyselinu vs. ACE odštěpí dvě poslední aminokyseliny, ale jinak podobné Podle tohoto modelu tři centra vazby 1) Elektrofilní centrum iontová vazby s karboxylovou funkční skupinou 2) Centrum umožňující H-vazbu s amidem C-koncové částí peptidového řetězce 3) Atom zinku koordinující jako Lewisovská kyselina karboxylovou skupinu v místě štěpení

32 Structure-Based Drug Discovery Objev kaptoprilu Biochemistry, 1977, 16 (25), pp

33 Structure-Based Drug Discovery Objev kaptoprilu

34 Structure-Based Drug Discovery Prepared in PyMOL 0.99 PDB ID: 1UZF

35 Structure-Based Drug Discovery Prepared in PyMOL 0.99 PDB ID: 1UZE

36 Strategie objevu hitů 2. Návrh léků s pomocí výpočetní techniky (Computer-aided drug design, CADD) Přístup specifický pro daný biologický cíl Založený na struktuře biologického cíle Poměrně nízké náklady oproti HTS Začátky v 80tých letech 20 století a) Virtualní screening (Virtual screeing) b) De novo přístup

37 Computer-aided drug design Acc. Chem. Res., 2009, 42 (6), pp

38 Strategie objevu hitů a) Virtualní screening (Virtual screeing) Structure-based virtual screening V podstatě se jedná o screening pomocí opakovaného dockingu jednotlivých látek z databáze Vysokorychlostní in silico screenování rozsáhlých knihoven látek Slouží k určení látek, které se nejlépe nadockovaly do aktivního místa

39 Strategie objevu hitů Docking ve virtuálním screeningu Ligandy s odlišnou afinitou k molekulárnímu cíli jsou hodnoceny pomocí skórovací funkce (scoring function). Řada dockovacích programů k dispozici: Glide FlexX Fred Gold DockIt Dock ( AutoDock ( Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics, 2004, 57(2),

40 Strategie objevu hitů Docking ve virtuálním screeningu Databáze molekulárních cílů RCSB Protein Data Bank ( Worldwide Protein Data Bank (wwpdb, Databáze ligandů ZINC otevřená databáze komerčně dostupných látek pro virtuální screening NCI Open Database NCBI PubChem Komerční databáze

41 Virtuální screening Drug Discovery Today: Technologies 2012,9(3), e219-e225.

42 Virtuální screening J.Med.Chem., 2010, 53 (24),

43 Virtuální screening ACS Med. Chem. Lett., 2011, 2 (11), pp DOI: /ml

44 Strategie objevu hitů - odbočka Ligand-based virtual screening Určeno spíše pro hit-to-lead proces de facto už máme hit Modelování 3D farmakoforů Způsob založený na myšlence, že 3D postavení chemických prvků (např. H-vazby, náboje, lipofilní části) představuje motiv, který popisuje vazbu daného ligandu k makromolekule. Definují se farmakofory, které je pak možné hledat v 3D databázi Software: např. LigandScout 3.0 ( Screening tvarové podobnosti (Shape-based similarity sceening) Umožnuje 3D analogii už jen jedné struktury Software: nejčastěji ROCS (

45 Strategie objevu hitů b) De novo přístup Generuje výstavbu nových struktur založených na charakteru vazebného místa, ve kterém se má daná látka vázat Nutná znalost struktury vazebného místa proteinu X-ray s ligandem nebo inhibitorem Ligand definuje polohu vazebného místa a protein je v odpovídajícím celkovém stavu konformace odpovídá vazbě ligandu

46 Strategie objevu hitů b) De novo přístup Rámcový postup: Vyjmutí původního ligandu Identifikace vazebných aminokyselin v aktivním místě Design látek, které budou mít potřebnou velikost a tvar aby zaplnily daný prostor a aby se vázaly na příslušná residua Automatický de novo přístup

47 Strategie objevu hitů Nature Rev. Drug Discov. 2005, 4,

48 Strategie objevu hitů b) De novo přístup Řada programů pro de novo přístup Např. LUDI, TOPAS, SPROUT, LEGEND, GROW, SYNPOPSIS, BOMB Úspěšný příklad : Jorgensen et al. použili program BOMB používá evoluční způsob výstavby substituentu na jadru umístěného do vazebného místa. V jednom výpočetním cyklu až 4 vodíkové atomy jsou na jádru zaměněny za jiné skupiny L 1 -L 4. Je použito různé umístění těchto skupin tak, že jestliže je jádro J - mohou být substituenty vázány L 1 -L 2 -J-L 3 - L 4 ale také L 1 -L 2 -L 3 -L 4 -J nebo L 1 -L 2 -L 3 -J-L 4. Acc. Chem. Res., 2009, 42 (6),

49 Strategie objevu hitů De novo design by BOMB Obsahuje knihovnu 700 různých substituentů L i nejznámější heterocykly organizovány do skupin Uživatel zadá specifikace jádra topologii a skupinu substituentů Výstavba molekul v kombinatoriálním duchu Konformační prozkoumání v aktivním místě pro každou molekulu dockingu podobný proces Acc. Chem. Res., 2009, 42 (6),

50 Strategie objevu hitů De novo design by BOMB Jorgensen et al. NNRTis nenukleosidové inhibitory HIV RT 100t molekul bylo vystavěno a evaluováno pomocí BOMB Het-NH-34Ph-U Začali pouze s NH Het-NH-3Ph-U 2500 Het-NH-4Ph-U Acc. Chem. Res., 2009, 42 (6),

51 Strategie objevu hitů De novo design by BOMB Het = 2-thiazolyl a U = dimethylalkoxy J. Am. Chem. Soc., 2006, 128 (48), Acc. Chem. Res., 2009, 42 (6),

52 Strategie objevu hitů C. Fragment-Based Drug Discovery (FBDD) objev léků pomocí testování fragmentů 1. Spojování fragmentů (fragment linking) Metodika využívající nejčastěji NMR (ale i X-ray, MS, bioassay) Princip: hledání malých molekul (epitopů), které se budou vázat na specifické, ale odlišné části aktivního centra cíleného proteinu (nejčastěji enzymu) Epitopy mají zanedbatelnou nebo slabou aktivitu samy o sobě (váží se pouze v části aktivního centra), ale větší molekuly vzniklé spojením epitopů se mohou vázat do celého aktivního centra a mohou vyvolat žádoucí účinek v potřebné míře

53 Fragment-Based Drug Discovery SAR pomocí NMR používají se proteiny značené 15 N a 13 C - každý amid má svůj specifický signál Screen řady nízkomolekularních látek vazba na specifický region vazebného místa Vazba na makromolekulu vyvolá odpovídající posun v NMR spektru posun amidových signálů Informace nejen o tom, že se látka váže, ale také kde se váže.

54 Fragment-Based Drug Discovery a) Vazba prvního epitopu v prvním vazebném místě b) Opakované hledání druhý epitop pro jiný region s výhodou prováděno v přítomnosti prvního epitopu - je jasné, že druhý se váže jinde c) Optimalizace epitopů a jejich spojení Nature Rev. Drug Discov. 2004, 3,

55 Fragment-Based Drug Discovery Malé molekuly lehčí syntéza Velká volnost diverzity epitopů Je snadnější najít malou látku která se váže pouze na část aktivního centra než velkou, která se váže do celého vazebného místa. U malých molekul je vyšší efektivita vazby na jednotku molekulové váhy Efekt super-aditivity vazebná aktivita dvou spojených fragmentů může být značně vyšší než by odpovídalo předpokladu

56 Fragment-Based Drug Discovery Nature Rev. Drug Discov. 2004, 3,

57 Fragment-Based Drug Discovery 2. Vývoj fragmentů (Fragment evolution) Stavba resp. Růst ( grow ) leadu z jednoho fragmentu Identifikace jednoho fragmentu vazba na aktivní centrum pak postupné nahrazování větší a větší molekulou obsahující fragment, ale vážící se i na další části akt. centra Nature Rev. Drug Discov. 2004, 3,

59 Fragment-Based Drug Discovery Drug Discovery Today: Targets 2004, 3(4),

60 Fragment-Based Drug Discovery 2. Samoskladba fragmentů (Fragment self-assembly) Forma dynamické kombinatoriální chemie viz. Dále Fragmenty voleny nejen tak, že se mohou vázat na jiná místa v aktivním centru, ale mohou se vázat i navzájem in situ Vazba může být reverzibilní i ireverzibilní např. click chemistry Nature Rev. Drug Discov. 2004, 3,

62 Fragment-Based Drug Discovery Drug Discovery Today: Targets 2004, 3(4),

63

64 Strategie objevu hitů Nature Rev. Drug Discov. 2005, 4,