Spojina vodnica, racionalno načrtovanje novih učinkovinnovih učinkovin

doc. dr. Janez Ilaš, mag. farm.

13. Oktober 2009

1

Spojina vodnica

Kaže željen učinek/afiniteto do tarče

Nima vseh lastnosti zdravilne učinkovine

Afiniteta (affinity) do biološke tarče; tipično IC50 ali Ki v mM ali µM

Izhodiščna spojina za nadaljne modifikacije

2

Spojina vodnica

VODNICA UČINKOVINA

Zmerna afiniteta do tarče Izjemna afiniteta do tarče

(v µM območju) (v nM območju)(v µM območju) (v nM območju)

/ Biološka učinkovitost

/ Selektivnost; ozek/širok spekter delovanja

/ Visoka biološka uporabnost

/ Predvidljiv metabolizem

/ Minimalne interakcije z drugimi učinkovinami

/ Varnost/nizka toksičnost, teratogenost

/ Minimalna rezistenca/toleranca/ Minimalna rezistenca/toleranca

/ Kemična stabilnost

/ Topnost

/ Patentibilnost

/ Nizki stroški proizvodnje

3

Spojina vodnica - Slovarček

"Hit" - spojina s selektivno " in vitro " aktivnostjo (običajno IC50 ≤ 1uM) proti tarči –

celoten organizem in / ali receptor.

"Lead" - spojina z značilnostmi zdravila, učinkovita v živalskem modelu brez očitne

toksičnosti.

"Development candidate" - optimizirana "Lead" spojina z "in vitro" in "in vivo"

aktivnostjo, ki je enaka ali boljša od trenutno obstoječih zdravil in ima sprejemljivaktivnostjo, ki je enaka ali boljša od trenutno obstoječih zdravil in ima sprejemljiv

farmakokinetični profil in profil toksičnosti.

4

Odkrivanje/izumljanje učinkovine

Spojina vodnica

Optimizacija vodniceMolekulsko modeliranje - SARMolekulsko modeliranje - SARSistematično modificiranjeSinteza analogovBiološka testiranja

Predklinične študije

Kandidati za klinična testiranjaKandidati za klinična testiranja

5

Iskanje spojine vodnice

Sistematično testiranje: naravnih spojin, sinteznih spojin, znanih učinkovin, HTS

Klinična opazovanja: nove indikacije na osnovi stranskih učinkov, metaboliti znanih učinkovinznanih učinkovin

Čisto naključje (Serendipity)

Terapevtske kopije

Racionalno načrtovanje: znana 3D struktura tarče/liganda

Metaboliti znanih učinkovinMetaboliti znanih učinkovin

6

Testiranje naravnih spojin

Rastline

Do 500,000 vrst; izjemna raznovrstnost

Mnogo sekundarnih metabolitov: alkaloidi, terpeni, glikozidi, flavoni

Kokain (Erythroxylon coca)

Ekstrakt koke široko uporabljan

Izoliran 1855

N

O

O

OCH3

O

CH3

H

kokain

Izoliran 1855

1884 Karl Coller – uporaba v oftalmologiji

Lokalni anestetik

7

Testiranje naravnih spojin

Paklitaksel - TaksolTM (Taxus brevifolia)

1967 odkrita struktura

Registriran 1992

Stabilizacija mikrotubulov

Indukcija apoptoze (Bcl-2)

8

Testiranje naravnih spojin

Mikroorganizmi

Hitro razmnoževanje – velika produkcija

Metaboliti, kompleksne biomolekule, toksini

Morski organizmi, organizmi iz ekstremnih pogojev

Lovastatin (Aspergillus Terreus)

Registriran že 1987Registriran že 1987

inhibitor hidroksimetilglutaril-koencim A reduktaze (HMG-CoA reduktaza)

9

Testiranje naravnih spojin

Živali

Kompleksne biomolekule, toksini (kače, žabe,...), endogene prenašalci, hormoni

Epibatidin

Južnoameriška žaba (Epipedobates tricolor)

Analgetik; 200x močnejši od morfina

Inhibitor nikotinskih receptorjev

Vodnica - toksičnost

10

Testiranje naravnih spojin

Hirudin

Izoliran iz sline Medicinske pijavke (Hirudo medicinalis)

Močan antikoagulant – inhibitor trombina

Hirudin, bivalirudin

D-Phe-Pro-Arg

Argatroban (2000)

Dabigatran (2008)

11

Testiranje naravnih spojin

Živali

12

HN NH

O

OH

OOH

HO

HO

OH

OH

HN

tetrodotoksin

Testiranje že znanih učinkovin

Talidomid

V uporabi od 1957 do 1961 – Grünenthal

˝Največja medicinska tragedija v modernem času˝ - fokomelija

Preučevanje mahanizma toksičnosti

Erythema nodosum leprosum – inhibitor TNF-a (1998)

Inhibicija biosinteze TNF-a in IL-12

Inhibitor angiogeneze

13

Rešetanje sinteznih spojin - HTS

Rešetanje = screening = (naključno) biokemijsko, genetsko in/ ali farmakološko testiranje

HTS = High-throughput screening (rešetanje visoke zmogljivosti) – robotizirano HTS = High-throughput screening (rešetanje visoke zmogljivosti) – robotizirano naključno rešetanje ogromnega števila spojin na raznovrstnih testih

Močno povezano s kombinatorično kemijo

Prednosti – veliko število “zadetkov”

Slabosti – ↓raznolikost spojin

14

Rešetanje sinteznih spojin - HTS

1996 1999 2003 2004

Št. Testiranih 100 000 430 000 615 000 1 050 000spojinspojin

Povprečna 3 000 nM 400 nM 10 nM 10 nM Aktivnost

Uspešnost 20 % 50 % 58 % 65 %

Št. Spojin 1.0 1.7 1.9 2.0vodnic na tarčo

Kljub vsemu uspeh ni tako zadovoljiv !

15

Rešetanje sinteznih spojin

Vertikalno rešetanje

Testiranje le ene serije sorodnih spojin na številne tarče

Benzodiazepini

Odkriti 1954, Leo Sternbach

Nov tip spojin – množica testov, odkrit anksiolitični učinek

16

N

NO

Cl

diazepam

Klinična opažanja

Sildenafil (Viagra) je bil razvit za zdravljenje angine in hipertenzije

Nizka aktivnost v Fazi II: učinkovino vrnili nazaj v Fazo I, da bi določili najvišji še sprejemljiv odmereksprejemljiv odmerek

Prostovoljci so v tem preiskusu poročali o povečani erektilni funkciji

Postane prva učinkovina v terapiji erektilne disfunkcije

17

Klinična opažanja

Izoniazid je bil razvit za zdravljenje tuberkuloze (kemoterapevtik)

Klinična uporaba je pokazala predvideno kemoterapevtsko učinkovitost

Pacienti so bili dobrega razpoloženja

Raziskave pokažejo, da je izoniazid inhibitor MAO in ima antidepresivno delovanje

N

18

O NH

NH2

izoniazid

H2N

trancilpromin

Klinična opažanja - metaboliti znanih učinkovin

Metaboliti že registriranih učinkovin

Metaboliti učinkovin v kliničnih študijah

Terfenadin

Antihistaminik, kardiotoksičen

Metabolit feksofenadin Metabolit feksofenadin

PREDZDRAVILO!

19

Čisto naključje

20

ONO2

ONO2

ONO2

Terapevtske kopije

Cimetidin

prvi H2-antagonist; Smith, Kline & French

Registriran 1979

Ranitidin

drugi H2-antagonist; Glaxodrugi H2-antagonist; Glaxo

Registriran 1981

˝me too˝ princip21

Racionalno načrtovanje

Metode temeljijo na znani strukturi tarče/ endogenega liganda

Ligand Biološka tača

Ligand - based

Target-based

22

Racionalno načrtovanje - ligandSistematične zamenjave

adrenalin

Klonidin (αααα2 ag)

23

Salbutamol (ββββ2 ag)Fenilefrin (αααα1 ag)

Propranolol (ββββ1 an)

Terapevtske kopijeIskanje farmakoforaFarmakofor – (IUPAC) "an ensemble of steric and electronic features that is necessary to ensure the optimal supramolecular interactions with a specific biological necessary to ensure the optimal supramolecular interactions with a specific biological target and to trigger (or block) its biological response".

propranolol

24

atenolol

bisoprolol

esmolol

Racionalno načrtovanje – sidranje

Načrtovanje podprto z računalniki

Uporabljamo 3D strukturo makromolekule – tarče

“Docking” ali sidranje – prileganje virtualne učinkovine virtualni makromolekuli

25

Racionalno načrtovanje – De novo

OgrodjeH-vez

ogrodjeogrodjeogrodjeH3N

+O

CH3

Ogrodje

CO2

-HO

H-vezogrodjeogrodje

ogrodje

ogrodje

ionska

vezi

26

Hidrofobne interakcije

Optimizacija spojine vodnice

Kaj želimo spremeniti:

↑afiniteta, selektivnost (SAR)

↓toksičnost, teratogenost

“Drug likeness” = ustrezne LADME lastnosti, biološka uporabnost

Kemijska dostopnost

27

Optimizacija spojine vodnice

Postavitev modela

(3D struktura MM, SPOJINA

(3D struktura MM, farmakofor)

Načrtovanje spojin

(bioizosterne zamenjave, dodatne

skupine/verige, modifikacija

metabolizma)

Biološki testi

Optimizirana spojina vodnica

Kandidat za KT

SPOJINA VODNICA

28

Sinteza spojin