OPVK CZ.1.07/2.2.00/2/.0184

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

Biologické cíle

Od cílů k preklinickým zkouškám

Základní pojmy: Od cílů k preklinickým zkouškám Drug target biologický cíl buněčná nebo molekulární struktura, jejíž interakce s léčivem vyvolá žádoucí odezvu. Hit - je sloučenina, která je schopna vyvolat u vybraného biologického cíle požadovanou odpověď, přičemž nemá analogický precedent Validovaný hit je sloučenina s potvrzenou identitou, čistotou a potvrzenou aktivitou na daném biologickém cíli Lead sloučenina vzniklá modifikací hit struktury vykazující optimalizovanou interakci s biologickým cílem, přičemž by měla splňovat také další kritéria typu originality, možnosti patentování a syntetické dostupnosti Preklinický kandidát (Preclinical candidate) lead s optimalizovanými fyzikálně-chemickými parametry vhodnými pro ADMET studie

Biologické cíle analýza lidského genomu ukazuje 2000 3000 potenciálně farmakologicky zajímavých cílů někdy uváděno až 8000 léky v součané době jsou založeny na cca 200 300 biologických cílech Paul Ehrlich (1856 1915) Nobelova cena objev salvarsanu prvni léčivo účinné proti sifilis studium barvení bakterií poprvé navrhl vztah mezi interakcí léčiva a jeho vazbou s receptorem Corpora non agunt nisi fixata ve volném překladu Látky neúčinkují pokud se neváží

Léky nevytvářejí novou funkci, ale většinou zvyšují nebo naopak snižují funkci existující. Biologické cíle

Biologické cíle Léčiva ve velké většině interagují s proteiny Cca 85-90% léčiv jsou malé molekuly

Biologické cíle Hlavní biologické cíle uvnitř buněk enzymy jaderné (nukleární) receptory nukleové kyseliny na povrchu buněk přenašeče (transportéry) iontové kanály receptory další mechanismy účinku

Typy biologických cílů Drug Discov. Today, 2005, 10, 1057-1063.

Předpokládané biologické cíle Drug Discov. Today, 2005, 10, 1607-1610.

Typy biologických cílů 1. Enzymy biokatalyzátory produkované buňkami léčivé látky mají většinou inhibiční funkci IREVERZIBILNÍ X REVERZIBILNÍ INHIBITORY

Inhibitory enzymu - ireversibilní Ireverzibilní inhibitory sebevražedné inhibitory suicide inhibitors jedná se o sloučeninu, která je strukturně podobná přirozenému substrátu enzymu, váží se v aktivním místě enzymu, kde jsou enzymem změněny za vzniku reaktivní skupiny, která vytvoří kovalentní vazbu s enzymem Cefalotin cefalosporiny se váží ireverzibilně na D-ala-D-ala-peptidasu

Inhibitory enzymu - ireversibilní PDB ID: 1CEG Streptomyces sp.

Inhibitory enzymu - ireversibilní další betalaktamova antibiotika allopurinol léčba dny je metabolizován na alloxantin, který je pevně vázán na ion molybdenu enzymu xanthinoxidasy, přičemž tento ion zůstává v oxidačním stavu +4 na rozdíl od normální situace kdy by se navrátil do stavu +6 ireverzibilní inhibitory směřované do aktivního místa kyselina acetylsalicylová acetylace serinu cyklooxygenas účastnících se metabolismu prostaglandinů mediátorů vzniku zánětlivé reakce

Inhibitory enzymu - reversibilní Reverzibilní inhibitory Základy enzymové kinetiky: rovnice Michaelise a Mentonové V max mezní (limitní) rychlost, K m - Michaelisova konstanta

Inhibitory enzymu - reversibilní Reverzibilní inhibitory kompetitivní - inhibitor neomezuje mezní rychlost (V max = V ), ale zvyšuje Michaelisovu konstantu (K m >K m ) nekompetitivní inhibitor nevyvolává změnu Michaelisovy konstanty (K m =K m ), ale snižuje mezní rychlost reakce (V < V max ) sem patří allosterické inhibitory akompetitivní mění se i mezní rychlost i Michaelisova konstanta - V max /V = K m/ K m smíšená mění se obojí i jejich poměr

Inhibitory enzymu - reversibilní Reverzibilní inhibitory Atorvastatin a ostatní statiny reverzibilně inhibují HMG CoA reduktasu

Inhibitory enzymu - reversibilní

Inhibitory enzymu Analoga tranzitního stavu enzymy akcelerují reakce snižováním aktivační bariéry vedoucí k vytvoření tranzitního stavu přičemž dochází k velmi pevné vazbě mezi labilním tranzitním stavem (poločas ~10-13 s) a enzymem stabilní analoga tranzitního stavu s ideální geometrii a elektrostatickými vlastnostmi by se měly vázat na enzym mnohem pevněji než substrát předpokládá se, že zvýšení afinity muže být úměrné enzymem zprostředkované akceleraci reakce inhibitory mimikují tranzitní stav enzymem katalyzované reakce přestože v principu mohou být jak reverzibilní tak ireverzibilní, dnes známy spíše reverzibilní příkladem je oseltamivir (Tamiflu ) inhibitory neuramidasy viru chřipky

Inhibitory enzymu

Fyziologické Intermezzo Buněčné membrány vzrušivých buněk (nervové, svalové) Pro buněčné procesy a přenos vzruchu jsou důležité pohyby iontů na membránách Neuron: V klidu koncentrace Na + mimo buňku je vyšší než v buňce a naopak je tomu u K + (Cl - více vně buněk) Pro udržení tohoto stavu je nezbytný aktivní proces - Na + / K + pumpa ATP jako zdroj energie => Klidový potenciál

Fyziologické Intermezzo Akční potenciál Pokud přijde na neuron impulz dochází díky otevření receptory řízených iontových kanálů k depolarizaci membrány Pokud je dostatečně silný depolarizuje se částečně i v axonovém hrotku a může dojít k přenosu potenciálu po axonu

Fyziologické Intermezzo Akční potenciál Pokud přijde na neuron impulz dochází díky otevření receptory řízených iontových kanálů k depolarizaci membrány Pokud je dostatečně silný depolarizuje se částečně i v axonovém hrotku a může dojít k přenosu potenciálu po axonu Při překročení mezního impulzu dochází k otevření sodíkových kanálů, rychlému průniku sodných iontů do buňky a DEPOLARIZACI membrány

Fyziologické Intermezzo Akční potenciál Tím dojde k uzavření sodíkových kanálů a otevření draslíkových kanálů, které umožní draselným iontům vyplavení z buňky a dochází k opětovné REPOLARIZACI v určitém momentu až HYPERPOLARIZACI membrány Draselné kanály se zavřou a díky difuzi a aktivnímu transportu a Na + / K + pumpě se vše vrátí do normálu k polarizované membráně

Membránové přenašeče (transportéry) Pumpy Působí proti koncentračnímu gradientu Na + / K + pumpa sodíková pumpa kardioglykosidy Digitalis lanata a Digitalis purpurea digoxin a digitoxin H + / K + pumpa protonová pumpa inhibitory protonové pumpy omeprazol Na+/Cl- kotransporter thiazidová diuretika Na+/K+/Cl- kotransporter furosemid - diuretikum PDB ID: 3A3Y

Protonová pumpa Duman J G et al. J Cell Sci 2002;115:1251-1258 PDB ID: 2XZB (2011)

Inhibitory protonové pumpy Omeprazol

Membránové přenašeče (transportéry) Transportéry neurotransmiterů Přenášejí neurotransmitery ze synaptické štěrbiny do buněk re-uptake Existuje vice než 20 typů

Membránové přenašeče (transportéry) Transportéry neurotransmiterů Farmakologicky relevantní: Monoaminové transportéry NET (noradrenalinový), SERT (serotoninový), DAT (dopamínový) Tricyklická antidepresiva: deprese, eating disorders, obsesivně-kompulzivní poruchy sertralin selektivní inhibitor reuptaku serotoninu fluoxetin starší selektivní inhibitor reuptaku serotoninu kokain inhibitor reuptaku noradrenalinu (NET), dopaminu (DAT) a serotoninu (SERT)

Iontové kanály Napěťově řízené kanály - závislé na elektrickém potenciálu na membráně Na + - sodíkové kanály Na v - blokátory Lokální anestetika lidokain Antiarytmika třída I chinidin, prokainamid Antiepileptika 1. i 2. generace fenytoin, lamotrigin Ca 2+ - vápníkové kanály Ca v blokátory Ca v 1- srdeční a hladké svaly - antihypertenziva - nifedipin, verapamil, diltiazem Ca v 2 kontrola neurotransmiterů na presynaptickém stupni ziconotid cronická bolest Ca v 3 v poslední době získaly určitou pozornost jako potenciální cíle pro kardiovask. onem., epilepsii a spánkové poruchy K + - draselné kanály značně heterogenní skupina dobrý cíl pro terapeutika ATP-dependentni K ATP - sulfonylmočoviny (tolbutamid) stimuluji sekreci inzulinu blokací tohoto typu draselných kanálů v pankreatických β-buňkách

Iontové kanály PDB.org Molecule of the Month (2/2003) doi: 10.2210/rcsb_pdb/mom_20 03_2

Iontové kanály Neselektivni kationové kanály Další typy iontových kanálů: Kanály řízené ligandy - chemicky řízené IK receptory s vnitřním iontovým kanálem přímo na kanálu je receptor x GPCR zprostředkované G-proteinem Kanály řízené mechanicky

Receptory Agonista mimikuje efekt přirozeného mediátoru (přirozeného agonisty) Dose-response curve vztah mezi dávkou léčiva a odpovědí

Receptory Agonista mimikuje efekt přirozeného mediátoru (přirozeného agonisty) Dose-response curve vztah mezi dávkou léčiva a odpovědí Plný agonista

Receptory Agonista mimikuje efekt přirozeného mediátoru (přirozeného agonisty) Dose-response curve vztah mezi dávkou léčiva a odpovědí Plný agonista Částečný (parciální) agonista

Receptory Agonista mimikuje efekt přirozeného mediátoru (přirozeného agonisty) Dose-response curve vztah mezi dávkou léčiva a odpovědí Plný agonista Částečný (parciální) agonista Antagonista

Receptory Agonista mimikuje efekt přirozeného mediátoru (přirozeného agonisty) Dose-response curve vztah mezi dávkou léčiva a odpovědí Plný agonista Částečný (parciální) agonista Antagonista Inverzní agonista Bazální aktivita

Receptory Receptory s vnitřním iontovým kanálem - kanály řízené ligandy(viz výše) Některé důležité neurotransmitery P2X pro ATP Glutamatové ionotropní receptory Rodina Cys-loop receptorů The Practice of Medicinal Chemistry (Third Edition)

Receptory Receptory s enzymovou aktivitou Receptory s guanylatcyklasovou aktivitou Receptory se serin/threonine kinázovou aktivitou Receptory s tyrosin kinázovou aktivitou

Receptory Di Cosimo S, Baselga J Clin Cancer Res 2009;15:5017-5019

Receptory Receptory spřažené s různými cytosolovými proteiny Receptory spřažené s G proteinem (GPCR G protein-coupled receptors) Tyto receptory patří mezi jedny z nejdůležitějších biologických cílů terapie vůbec (cca 30% léčivých látek na trhu) Až 860 genu kóduje GPCR 50% jsou receptory čití Předpokládá se přes 350 zástupců pro endogenní mediátory (180 GPCR je aktivováno dobře známými ligandy) Přičemž 1 mediátor může aktivovat několik GPCR http://www.gpcr.org

Receptory Endogenní ligandy GPCR Biogenní amíny Peptidy Aminokyseliny Lipidy Nukleosidy/tidy Proteasy Ionty

Receptory PDB.org Molecule of the Month (10/2004) doi: 10.2210/rcsb_pdb/mom_20 04_10

Nobelova cena za chemii 2012 Robert J. Lefkowitz Brian K. Kobilka "for studies of G-protein-coupled receptors"

Receptory Jaderné (nukleární) receptory Ligandy řízené transkripční faktory, které ovlivňují průběh genové exprese Superrodina zahrnující receptory pro: steroidní hormony Selektivní modulátory estrogenních receptorů tamoxifen chemoterapeutikum rakovina prsu hormonálně dependentní nádor hormony štítné žlázy retinoidy seco-steroidy vitamín D orphan receptory ligandy pro tyto receptory nejsou známé

Receptory PDB.org Molecule of the Month (9/200) doi: 10.2210/rcsb_pdb/mom_2003_9

OPVK CZ.1.07/2.2.00/2/.0184