Fyzikálně chemické a biofarmaceutické faktory (pokračování)

Transkript

1 Fyzikálně chemické a biofarmaceutické faktory (pokračování) 2.3. pka disociujících látek Významný vliv na rozpustnost i permeabilitu léčiva Předpoklad: absorpce je realizována pouze pasivní difuzí neionizované látky Absorpce p.o. aplikovaných slabých bazí preferována ve střevě; absorpce kyselin v žaludku Výpočet podílu neionizované formy (slabé kyseliny a báze) Henderson- Hasselbalchova rovnice: pro kyselinu: pro bázi: log ([A - ] / [HA]) = ph - pka log ([B] / [BH + ]) = ph pka Z hodnot pka a ph můžeme vypočítat podíl neionizované formy

2 Odvoz Henderson-Hasselbalchovy rovnice pro báze: Pro báze: poh = pk b + log ( [BH + ] / [B] ) kde BH + je konjugovaná kyselina k bázi B tedy K b = ( [BH + ] [OH - ] / [B] ) * poh = 14 ph pk b = 14 - pk a takže: 14 ph = 14 pk a + log ( [BH + ] / [B] ) pk a ph = log ( [BH + ] / [B] ) ph pk a = log ([B] / [BH + ] ) * Platí pro rovnici: B + H 2 O BH + + OH -

3 Kyseliny Tabulka Vliv pk a na rozsah ionizace kyselin a bazí Látka pk a % neionizované formy ph = 1.0 ph = 5.0 ph = 6.8 valsartan telmisartan candesartan Baze baze I (silná) baze II (střední) baze III (slabá)

4 Výpočty % podílu nedisociované formy léčiva závislost na ph: Kyseliny: (viz předchozí valsartan) a) pk = 3.9 log ([HA] / [A - ]) = pk ph = 2.9 ph = 1 [HA] = 794 x [A - ] [HA] = 794 (1 - [HA]) * ( )x [HA] = 794 % neioniz. = (794 / 795).100 = % b) pk = 3.9 log ([HA] / [A-]) = pk ph = = ph = 5.0 HA] / [A-] = % neioniz. = ( /1.0794).100 = 7.4 % c) pk = 3.9 log ([HA] / [A-]) = pk ph = = ph = 6.8 HA] / [A-] = % neioniz. = ( / ).100 = 0.13 % * součet neionizované a ionizované formy se rovná 1

5 Výpočty % podílu nedisociované formy léčiva závislost na ph: Báze: (viz předchozí slabá báze) a) pk = 5.5 log ([B]/ [BH + ]) = ph pk = -4.5 ph = 1.0 [B] = (1 - [B]) ( ) [B] = % neioniz. = ( / ).100 = % b) pk = 5.5 log ([B]/ [BH + ]) = ph pk = -0.5 ph = 5.0 [B]/ [BH + ] = % neioniz. = (0.316/1.316).100 = 24.0 % c) pk = 5.5 log ([B]/ [BH + ]) = ph pk = 1.3 ph = 6.8 [B]/ [BH + ] = 20.0 % neioniz. = (20/21).100 = %* Když se ph = pk: množství neionizované formy je 50 % * naproti tomu, silná báze (pka = 9.5, pkb = 4.5 je i v slabě kyselém prostředí téměř zcela disociována

6 Využití QSAR ve farmakokinetice Problém QSAR značná složitost biologického systému Výsledný efekt odpovídá řadě následných reakcí; aplikace QSAR v optimalizaci izolovaných kroků in vitro spojených s mechanismem procesu nemusí být zárukou účinku in vivo (koncentrace látky v místě účinku) Pomocné řeš: použít QSAR k optimalizaci farmakokinetických dat Absorpce: pomocí QSAR studovány jednotlivé kompartmenty, v nichž dochází k absorpci jsou žádoucí data v serii strukturně podobných látek (n to zcela nezbytné)

7 LEKCE 14 Biologická účinnost a chiralita - základní pojmy, druhy prostorové isomerie - eutomér a distomér, Pfeifferovo pravidlo - chiralita v QSAR, eudismická analýza - poměr chirálních a achirálních léčiv - chirální switching, příklady

8 Chiralita ve vztahu k biologickým systémům Prostorové uspořádání významně ovlivňuje chování látek při interakcích s jinými molekulami tedy i chování léčiv v biologickém systému V souvislosti s prostorovým uspořádáním molekul organických látek: tři typy prostorové isomerie: a) rotační isomerie (konformace) volná otáčivost C-C jednoduché vazby - rotace kolem této vazby vytváří nekonečný počet konformérů s rozdílnou energií a různým dihedrálním (torzním) úhlem ve vzájemném postav obou uhlíkových tetraedrů. Většina organických látek - rovnovážná směs energeticky preferovaných konformérů (velmi rychlé změny) Za vhodné konstelace substituentů, popř. za určitých podmínek, může však být některá z konformací natolik preferována, že se může významně uplatnit při interakci s jinou molekulou.

9 b) geometrická (konfigurační) isomerie důsledkem rigidity dvojné vazby - nejznámnější je cis-trans isomerie na C=C dvojné vazbě; - další geometrické isomerie: syn a anti např. u oximů, cis-trans isomerie na kruzích - u složitějších molekul, kde jsou všechny čtyři substituenty rozdílné zavedena nová nomenklatura Z E (zusammen entgegen); atomy substituentů preferovány podle svého atomového čísla tedy podle Cahn- Ingold-Prelogovy notace (stejně jako při určování absolutní konfigurace) Příklad: H Br C C C 2 H 5 CH 3 E-konfigurace (trans)

10 c) optická isomerie - spojena s přítomností asymetrického centra, nejčastěji uhlíkového atomu vázány čtyři různé substituenty, které lze uspořádat dvojím způsobem aniž by bylo možné je jakýmkoliv posunem či rotací vzájemně ztotožnit - vzájemný vztah: předmět a jeho zrcadlový obraz Isoméry lišící se tímto uspořádáním substituentů se nazývají enantioméry - liší se chováním vůči polarizovanému světlu, jehož rovinu stáčejí v opačném smyslu avšak při zachování stejné absolutní hodnoty podle smyslu otáč rozlišujeme enantioméry + a (pravo a levotočivé) další nomenklatura D/L (používána především u cukrů a aminokyselin) odvozena z chemické příslušnosti k D-(+) resp L-(-) glyceraldehydu - důležitý znak: jejich fyzikální a chemické vlastnosti jsou identické, pokud na ně nepůsobí jiné opticky aktivní látky nebo prostředí hodnota specifické otáčivosti se mění s rozpouštědlem a s teplotou (může nastat i změna znaménka otáč)

11 Obecně používaná nomenklatura (tzv. Cahn-Ingold-Prelogova notace) - označuje optické isoméry předponami R (rectus) a S (sinister). K urč priority substituentů je použito atomového čísla prvních, po případě dalších atomů vázaných na chirální centrum (absolutní konfigurace) R a S určíme podle směru poklesu priorit substituentů viz schema (priority substituentů klesají od a k d) d a b c R- S- Směr tohoto otáč se může, ale nemusí krýt se smyslem otáč roviny polarizovaného světla. Urč absolutní konfigurace: fyzikálně chemické metody exaktní způsob: rentgenografickou analýzou b a d c

12 Počet optických isomérů S počtem chirálních center - stoupá počet optických isomérů - vztah mezi počtem isomérů X a počtem chirálních atomů n: X = 2 n neplatí pro molekuly, u nichž existuje možnost tzv. mesoforem s rovinou souměrnosti viz kyselina vinná poloviční počet, tj. X/2 je enantiomerních dvojic, ostatní jsou diastereoisomérní Příklad 3 centra chirality: enantiomérní dvojice: diastereoisomérní dvojice: R,R,R - S,S,S R,R,R - R,R,S R,R,R R,S,S R,R,S - S,S,R R,R,R - S,S,R R,R,R S,R,R R,S,R - S,R,S R,R,R - R,S,R R,S,S - S,R,R R,R,R - S,R,S atd. celkem 24 Diastereoisoméry se liší znaménkem (nikoliv nezbytně), absolutní hodnotou otáčivosti a rovněž všemi ostatními fyzikálně chemickými vlastnostmi. Epiméry dva diastereoisoméry líšící se v konfigurací pouze na jednom chirálním centru (epimerizace změna konfigurace na jediném centru) Enantioméry se liší svým chováním pouze tehdy pokud interagují s jinými opticky aktivními látkami nebo jsou vystaveny opticky aktivnímu prostředí

13 Chování chirálních léčiv v biologických systémech biomakromolekuly jsou převážně tvořeny opticky aktivními komponentami - přirozené ligandy i xenobiotika (včetně léčiv) interagují s chirálními biomakromolekulami - interakce s receptory (enzymy, membrány, kationtové kanály) je tedy stereoselektivní (viz další obr.) ázvosloví: - eutomer a distomer - poměr jejich účinností eudismický poměr v logaritmické formě eudismický index (E.I.) E.I. = log (BA eut / BA dist ) Distomér může být v interakci s jiným receptorem eutomérem vliv na vedlejší účinky racemátu důsledek: snaha o izolaci opticky čistých enantiomérů

14

15 Easson a Stedman (1933) tříbodový model spoj ligandu s receptorem v ideálním případě (I) komplementární skupiny spolu interagují B. Testa (1991) - stereo-elektronový charakter interakcí - možnost kvantifikace vazebných energií jednotlivých skupin Mesecar a Koshland (2000) - navržen čtyřbodový model (III) pro vazebné místo umístěné uvnitř proteinu (přistupuje k ligandu ze dvou stran); v tomto případě n tříbodový model (vhodný pro vazbu na povrchu) dostatečně diskriminačn Mesecar AD, Koshland DE. A new model for protein stereospecificity. ature 2000, 403, 614 5

16 Chiralita v různých fázích interakce léčiva s biologickým systémem - rozdílná míra stereoselektivity Receptory, enzymy, kanály - většina receptorů v aktivním místě rozliši chirální povahu ligandu (viz adrenalin, noradrenalin) - pro každý receptor n chiralita ligandu obligatorní - řada přirozených ligandů je achirální (histamin a serotonin) Histaminové receptory : achirální histamin H 1 antagonisté: achirální (loratadin, acrivastin, ketotifen) racemáty (azelastin, terfenadin, fexofenadin, cetirizin)

17 Příklady racemických H1 antagonistů (antialergika): O HO Cl azelastin fexofenadin Srovnávací hodnoc obou enantiomérů je žádoucí viz příklad: clemastin (R)-(+) O (R)-(+)-clemastin Cl OH O OH

18 (R,R)-Clemastine (Tavegyl ) srovnání účinností Isomér pa 2 ED 50 (mg/kg) (R,R) (S,S) (R,S) (S,R) Podobná účinnost in vitro, rozdílná in vivo (R,R a R,S významně účinnější) - pravděpodobně stereoselektivita ve farmakokinetice

19 H 2 antagonisté: všechny (na trhu) jsou achirální (cimetidin, ranitidin, famotidin) antiulcerozní léčiva H 2 agonisté: H 2 H H S famotidin S H H S O 2 silná stereoselektivita; sopromidin (S)-(+) (v léčbě srdečního selhání) Adrenergní receptory: (R)-(-)-adrenalin b 1 -adrenergní antagonisté (jako racemáty): eudismický poměr (-)/(+): 10 (atenolol) až 1000 (pindolol) antihypertenziva Důvod: distoméry mají vasodilatační účinek H OH pindolol O H H OH O atenolol H 2 O H 2

20 b 2 -adrenergní agonisté (jako racemáty): eudismický poměr (-)/(+): 200 (terbutalin) až 3000 (albuterol) léčiva COPD (Chronic Obstructive Pulmonary Diseases) HO a 1 -adrenergní agonisté: OH OH terbutalin H HO HO OH albuterol levalbuterol nižší nežádoucí účinek na srdeční činnost H 2 O vysoká stereoselektivita ((R)-(-)-tamsulosin jako aktivní substance) léčiva BHP S O O H (R)-(-)-tamsulosin Rovněž silodosin (2006) jako (R)-(-)-enantiomér Dříve registrované: doxazosin, terazosin jako racemáty alfuzosin, prazosin - achirální O O H

21 Metabolismus vysoká stereoselektivita u většiny biotransformačních reakcí (glukuronidace, hydroxylace, oxidace, dealkylace, redukce) - rozdílný chirální metabolit a) Příklad rozdílného chirálního metabolitu (deprenyl původně racemát jako antidepresivum): (R )-(-)deprenyl (R)-(-)-enantiomér (antiparkinsonikum selegilin) (R)-(-)- amfetamin (S)-(+)- (S)-(+)-amfetamin (dexamfetamin, nežádoucí CS stimulace) b) Příklad inhibice metabolismu jednoho enantioméru druhým: O O propafenon (antiarytmikum Rhytmonorm ) biotransformace (S)-isoméru je inhibována přítomností (R) vyšší plasmatická hladina (S)-isoméru OH H

22 c) Stereoselektivní metabolická inverze: široce studována v souvislosti s metabolismem protizánětlivých COXinhibitorů typu 2-arylpropionových kyselin, tzv. profenů - inverze méně účinného, po případě neúčinného (R)-(-) na účinný (S)-(+) probíhá zřejmě v GI traktu - rozsah se liší mezi jednotlivými léčivy - rovněž významná druhová rozdílnost Příklad: (S)-(+)-ketoprofen (eutomér) u potkana 80% inverze; u člověka je zanedbatelná O O OH zaved dexketoprofenu jako léčiva

23 Látky obsahující chirální centrum (či více center) mají lepší předpoklady pro interakci s převážně chirálními receptory Chirální a achirální léčiva v TOP 50 a 100 v r TOP Biotech Přírodní Syntetická Achirální Chirální S Racemát Enantio (26 %) (32 %) 65

24 Chirální a achirální léčiva v TOP 50 a 100 v r TOP Biotech Přírodní Syntetická Achirální Chirální S Racemát Enantio (34 %) (38 %) 64

25 Kvantifikace vztahů mezi aktivitami enantiomérů Pfeifferovo pravidlo (1956): Poměr účinností obou enantiomérů stoupá s účinností racemátu Praktický důsledek: látka s chirálním centrem, jejiž enantioméry mají podobnou účinnost - značná pravděpodobnost, že v dané skupině látek nebylo dosaženo optimální aktivity Lehmann (70. léta): - v seriích strukturně podobných látek prokázán lineární vztah mezi E.I. (eudismický index) a log účinnosti (afinity) eutomeru E.I. = log (BA eut / BA dist ) = k. log BA eut - b (matematické vyjádř Pfeifferova pravidla) Lehmann F. Quant. Struct.-Act. Relat. 1987, 6, 57 (vysoký korelační koeficient obvykle nízký počet látek)

26 Příklad: 3-(3-hydroxyfenyl)piperidiny afinita k D2 dopamin. rec. H. van der Waterbeemd et al. J. Med. Chem. 1987, 30, HO n r s F E.I.(D2) = 0.70 pic 50 (Eu) pic 50.. log (1/IC 50 ) - směrnice je mírou stereoselektivity systému (změna stereoselektivity s jednotkovou změnou účinnosti) eudismický afinitní kvocient čím vyšší, tím vyšší stereoselektivita R

27 Přechod racemického k opticky čistému léčivu tzv. chiral switching Hlavní důvod chirálního přechodu: sníž metabolické zátěže organismu Hlavní důvod použití racemických směsí v léčivech: výroba čistých optických isomérů je ekonomicky náročná Mohou nastat tři případy - přechod k opticky čistému léčivu je : 1) nezbytný 2) doporučený 3) zbytečný

28 1) ezbytný obrat k chirálnímu isomeru a) jeden enantiomér je účinný, druhý zcela neúčinný Příklad: (S)-(-)-levofloxacin nositelem veškeré antigyrasové aktivity b) jeden enantiomér je účinný, druhý je nositelem nežádoucích účinků Příklady: (S)-(-)-bupivakain (anestetikum) (R)-(+)- isomér zodpovědný za kardiotoxické účinky (R)-(-)-levalbuterol (antiastmatikum) (S)-(+)-isomér zvyšuje bronchiální hypersenzitivitu, rovněž kardiotoxický (R)-(-)-timolol (antiglaukomikum) (S)-(+)- isomér zodpovědný za nežádoucí b-adrenergní účinky

29 c) oba enantioméry mají rozdílné farmakodynamické vlastnosti Příklady: propoxyfen: (S)-(+)-dexpropoxyfen analgetikum (R)-(-)-levopropoxyfen antitussikum metabolit sibutraminu: Cl DDMS (S)-(-)-DDMS : sexuální dysfunkce, stres. inkontinence (R)-(+)-DDMS : anorektikum se sníženými nežádoucími účinky d) jeden z enantiomérů poskytuje nežádoucí metabolit Příklad: deprenyl (antidepresivum): C* (R)-(-)-enantiomér (antiparkinsonikum selegilin) (R)-(-)-amfetamin (S)-(+)-enantiomér (S)-(+)-amfetamin (nežádoucí CS stimulace) C* H 2

30 2) Doporučený obrat k chirálnímu isoméru a) jeden enantiomér inhibuje metabolismus druhého Příklad: Propafenon (antiarytmikum): (R)-(-)- isomér inhibuje metabolismus (S)-(+)- isoméru (V některých případech výhodné prodlouž účinku) b) jeden enantiomér je významně méně účinný pokud toxikologický a farmakokinetický profil je podobný měřítkem pro obrat je eudismický poměr ( 2-3) Příklad: (S)-(-)-omeprazol (exium R ): dávkování stejné jako u racemátu, profil vedlejších účinků nezměněn, odstraněny interindividuální rozdíly patentové a komerční důvody (S)-(-)-isoméry pantoprazolu a lansoprazolu v klinickém vývoji)

31 Prodeje preparátů Losec a exium (v mil. USD) ázev Losec exium Prodeje léčiva exium stoupaly do r (maximum mil. USD) v témž roce měl Losec prodeje mil. USD

32 c) oba enantioméry účinné, jeden zodpovědný za vedlejší účinek Příklady: (S)-(+)-amlodipin (Asomex R, EmcurePharm) - hypertenze: poloviční dávkování, lepší terapeutický profil (bez edematosního účinku) levocetirizin (Xyzal, UCB, Sepracor) - antialergikum: (R)-(-)-isomér má snížený sedativní účinek eszopiclon (Lunesta, Sepracor) hypnotikum, léčba nespavosti: (S)-isomér bez vedlejšího účinku (sucho v ústech) oxybutinin (IIB fáze KZ, Sepracor) - inkontinence: (S)-isomér bez vedlejšího účinku (sucho v ústech)

33 3) Obrat k chirálnímu isoméru je zbytečný a) enzymatická interkonverze profeny jako antiflogistika b) in vivo racemizace za fyziologických podmínek oxazepam poločas racemizace za fyziologických podmínek je 4 min c) oba enantioméry mají stejný farmakodynamický účinek dosažený různým mechanismem b 1 -antagonisté jako antihypertenziva (+ vasodilat.účinek )