Návrh léčiva Fáze návrhu léčiva Kvantitativní vztahy mezi strukturou a účinností Farmakofor Stereochemické aspekty Optimalizace farmakologických i fyzikálně- chemických parametrů léčiva Profarmaka Polymorfie Ani ty nejlepší „hity“ zjištěné při screeningu (in vitro) nemusí být vhodné pro použití za reálných podmínek (in vivo)! Fáze návrhu: • Vodítková látka (lead compound) • - vybraná ze souboru hitů nalezených při screeningu • hity → vodítko • optimalizace struktury, aby produkt • měl vlastnosti požadované u léčiva • léčivo • Cíle fáze návrhu •Přiblížení se optimálním vlastnostem léčiva (druggability, drug-like character) obměnami molekuly vodítkové látky •Klíčové požadavky: Ø vysoká účinnost za reálných podmínek (účinná koncentrace nejlépe < 1μmol/l) Ø selektivita (absence nežádoucích interakcí) Ø minimální toxicita (nulová mutagenita, teratogenita, kancerogenita a další nežádoucí účinky) Ø chemická i fyzikální stálost (nepřítomnost reaktivních skupin) Ø jednoduchá a bezpečná syntéza zaručující vysokou kvalitu Øpřiměřená rozpustnost ve vodě (násobky účinné koncentrace, dávka pevných přípravků by se při pH v rozmezí 1,0 - 7,5 měla rozpustit v 250 ml, tj. v objemu kapaliny v trávícím traktu) Ø biologická dostupnost – schopnost difuze přes buněčné membrány •(přiměřená lipofilita; polární povrch <140 Å2 , má-li léčivo pronikat hemoencefalickou bariérou <60Å2) Ø minimální adsorpce na plasmatické bílkoviny (HSA, kyselý α1 glykoprotein,…) Øpřiměřená metabolická degradace (umožňující udržování účinné koncentrace v požado- vaném intervalu) Øminimální ovlivnění cytochromů a dalších jaterních enzymů (absence lékových interakcí způsobených aktivací nebo inhibicí enzymů metabolizujících léčivo) Ø absence patentových bariér a možnost získání patentové ochrany • Příprava analog vodítkové látky optimalizace farmakodynamických a farmakokinetických parametrů • •Empirický přístup •Metoda pokus – omyl (časová náročnost, mnoho zbytečné práce) •Racionální přístup •Využití poznatků o kvantitativních vztazích mezi strukturou a účinností (QSAR - Quantitative Structure – Activity Relationship) •Farmakofor – strukturní rysy nezbytné pro aktivitu •Modifikace molekuly léčiva založená na QSAR •Optimalizace farmakologických parametrů (ADME-Tox) • pravidlo pěti •Klasická syntéza, kombinatoriální syntéza •Počítačový návrh léčiva (CADD - Computer-Aided Drug Design) • vytvoření počítačového modelu, experimentální prověření, dolaďování modelu • • – • Lipinského pravidlo pěti (pro léčiva pronikající k cílové struktuře buněčnou membránou) –molekulová hmotnost do 500 –(80% nízkomolekulárních léčiv má molekulovou hmotnost <460) –ne více než 5 protondonorových skupin –ne více než 10 protonakceptorových skupin –logaritmus rozdělovacího koeficientu mezi n-oktanolem a vodou v rozmezí 1 – 5 –(80% nízkomolekulárních léčiv má logP v rozmezí 0,4-5,6; průměr ~ 2,5) – –Pravidlo pěti je užitečná, ale nedostačující pomůcka – – – • Chemické modifikace vodítkové látky •Malé změny struktury mohou mít velké dopady na účinnost • • • •Nelze měnit skupiny, které jsou nezbytné pro účinnost (jsou součástí farmakoforu) • •Zkoušení vlivu substituentů na účinnost •dříve: syntéza velké řady analog + testování •dnes: počítačový model, návrh + syntéza několika počítačem navržených látek, • otestování + doladění počítačového modelu a návrh dalších látek, syntéza, • testování, další dolaďování modelu… • ® méně syntetizovaných a testovaných látek • ® zkrácení VaV, nižší náklady • •Alternativa: možnost obměn molekuly při vytváření knihovny sloučenin kombinatoriální syntézou • • • • • • • • QSAR – hydrofobita látky •Hydrofobita látky – ovlivňuje biologickou dostupnost a tím i účinnost • • • P - rozdělovací koeficient mezi n- oktanolem a vodou • C – koncentrace potřebná k dosažení určitého účinku •Příspěvky substituentů – možnost výpočtu logP navržené látky • PH - rozdělovací koeficient nesubstituované látky • π – konstanta udávající hydrofobitu substituentu • Příklad: Hodnoty π pro aromatické sloučeniny: • • • •logPH pro benzen: 2,13 •p-bromanisol: logP = 2,13 + 0,86 – 0,02 = 2,97 •m-chlorbenzamid: logP = 2,13 + 0,71 – 1.49 = 1,35 •Biologická dostupnost – funkce rozpustnosti, absorpce a eliminace • Absorpce (průnik buněčnou membránou): logP ˃1,7 pro látky s mol. hm. 350-400 • logP ˃3,4 pro látky s mol. hm. 450-500 • Rozpustnost ve vodě: logP ˃ 3 – jen ~1% a méně; logP ˂ 3 – jednotky až desítky % • Změny hydrofobity při ionizaci kyselin a bází •Ionizované látky – stupeň ionizace ovlivňuje hydrofobitu • P – rozdělovací koeficient neionizované látky • D - distribuční koeficient látky ionizované v daném prostředí •Distribuční koeficient ionizovaných látek závisí na pH a pKa • „fyziologické“ pH: 7,4 (pH krevní plasmy), v jiných tělesných tekutinách může být odlišné (pH žaludeční šťávy: 1-2, tenké střevo horní úsek: 6,6, dolní: 7,5) • • • • • • • •Přibližná závislost - převážně disociované kyseliny a báze • • • - převážně neionizované • • Vztahy mezi chemickou strukturou a účinností •Elektronické vlivy –Hammetovy konstanty σ (σm, σp) – elektronické efekty substituentů –– vliv na ionizaci kyselých a bázických skupin léčiva Þ ovlivnění iontových interakcí – molekuly léčiva s cílovou strukturou –– vliv na protondonorový nebo protonakceptorový charakter substituentů Þ ovlivnění – síly vodíkových vazeb i dalších interakcí •Sterické faktory –Taftovy sterické parametry ES , molekulová refraktivita, Verloopovy sterické parametry STERIMOL – počítačový program pro 3D QSAR •Hanschova rovnice – základní rovnice QSAR • spojení jednotlivých dílčích závislostí do jednoho vztahu • log (1/C) = – k1 (logP)2 + k2logP + k3Sπ + k4σ + k5ES + k6 •Hanschova rovnice umožňuje předpověď vlastností derivátů získaných určitými modifikacemi vodítkové látky •Základ CADD – počítači podporovaného návrhu léčiva: –Hanschova rovnice nebo její modifikace (rozšíření o další parametry) –Problém: volba správných deskriptorů (různě určeným logP 4-nitrofenolu: 0,76-2,08) –Zlepšování počítačových modelů: zpřesnění výchozích údajů, rostoucí znalosti o prostorové stavbě cílových struktur, 3D-QSAR –Nové metody modelování QSAR: CoMFA, CoMSIA, EVA, MOOP… Určení konstant k1- k6 podle známých látek pomůcka - rozdělení substituentů podle Craiga (pokud možná výběr látek ze všech kvadrantů) Záměny funkčních skupin • Skupiny nutné pro aktivitu – paklitaxel • Farmakofor –Společné strukturní rysy látek nezbytné pro biologickou aktivitu • příklad: opiátová analgetika • • • • • • • • • •Funkční skupiny nutné pro aktivitu – součást farmakoforu • × zaměnitelné skupiny (auxofor) •Prostorové rozmístění funkčních skupin – 3 D struktura farmakoforu •Vliv konformace •Renesance konceptu farmakoforu a jeho využití: CADD • na ligandech závislý návrh léčiva (známé účinné látky ® farmakofor) • na struktuře závislý návrh léčiva (známá stavba cílové struktury ® farmakofor) • • Farmakofor navržený na základě znalosti prostorového uspořádání cílové struktury (počítačové modelování) • Stereochemie a biologická účinnost • •Konfigurace molekuly - geometrické isomery A. A. A. A. A. • vyšší účinnost nižší účinnost • Stereochemie a biologická účinnost B. Chiralita – enantiomery/optické isomery •Chirální léčiva - asi 25% všech léčiv je chirálních • • • • • • •Enantiomery: mohou mít stejnou nebo různou účinnost (i nežádoucí) • Eutomer (účinnější enantiomer), distomer (méně účinný) • Isodesmický poměr (mezi účinností eutomeru a distomeru) •Chirální záměna (chiral switch): • racemát → enantiomer (eutomer) • Enantiomery – biologická účinnost 1.Jeden enantiomer je účinný, druhý není nebo je méně účinný • racemát = 50% účinné látky • příklad: propranolol: účinný je (S)-isomer • Přechod od racemátu k enantiomeru? Není vždy výhodný! • (S) –fluoxetin účinnější než (R), ale je rychleji eliminován 2.Oba enantiomery jsou stejně účinné – obvykle jsou v organismu převáděny na achirální účinnou látku (např. alkohol je oxidován na keton) 3.Každý enantiomer působí na jinou cílovou strukturu účinky se doplňují: dobutamin • různé indikace: dextropropoxyfen (Darvon) – analgetikum, • levopropoxyfen (Novrad) – přípravek proti kašli 4.Jeden enantiomer má nežádoucí účinky (S)-penicillamin léčí Wilsonovu nemoc (neschopnost •organismu metabolizovat měď), •(R)-penicillamin je toxický (možnost oslepnutí) • thalidomid – (R)-enantiomer sedativum, (S)- teratogenní (?) 5.Opačné účinky (R)-sopromidin agonista histaminového H2 receptoru, léčba • srdečního selhání, • (S)-sopromidin antagonista receptoru Příprava chirálních látek •Rezoluce racemátů • Spontánní rezoluce racemátů – spíše výjimka • z roztoku vykrystalují enantiomery (Pasteur – vinan sodno-amonný, methadon) •Převedení racemátu na diastereomerní soli nebo deriváty - využití odlišných vlastností diasteromerů k rozdělení (krystalizace, destilace…) •soli s chirálními kyselinami (dibenzoylvinná, kafrsulfonová, mandlová, vinná …) nebo s chirálními bázemi (strychnin, brucin – nevhodné pro léčiva, vhodné báze: fenylethylamin …) •esterifikace, tvorba amidů (alkohol/amin + chirální kyselina), vznik Schiffových bází (racemát s karbonylovou skupinou + chirální amin) atd. • Enzymatická rezoluce • hydrolýza/syntéza esterů nebo amidů acylasami (fenylglycinamid – ampicilin) • Dělení chromatografií na chirálních fázích (především analytické separace) • Tvorba inkluzních komplexů (komplexy s cyklodextriny apod tvoří jen jeden enantiomer) • Nevýhoda rezoluce: získá se nejvýše 50% výtěžek enantiomeru • zvýšení výtěžku: racemizace a opakovaná rezoluce, kinetická rezoluce, Waldenův zvrat Jiné možnosti přípravy enantiomerů: •Stereospecifická (asymetrická, enantioselektivní) syntéza •Modifikace chirálních výchozích látek Syntéza chirálních látek –Chirální element(y) v molekule výchozí látky •parciální syntézy (modifikace přírodních produktů) • alkaloidy, steroidy, terpeny, antibiotika apod. •syntézy vycházející z běžně dostupných chirálních surovin • cukry, aminokyseliny atd. •Předpoklad úspěchu: vyloučení faktorů spojených s možností racemizace •Asymerická (enantioselektivní) syntéza Výchozí látka je achirální nebo racemická •použití chirálních reagentů •použití chirálních katalyzátorů •specifický případ: enzymatická katalýza •Optická/enantiomerní čistota produktu •kontrola měřením optické otáčivosti, optické rotační disperze nebo cirkulárního dichroizmu •Chemický i optický/enantiomerní výtěžek (přebytek, ee) • poměr optické otáčivostí produktu k otáčivosti čistého enantiomeru – Cíle modifikace struktury vodítkové látky •Zvýšení aktivity a/nebo potlačení vedlejších účinků –Změna charakteru funkčních skupin – zesílení/zeslabení interakcí – Pozor! Může docházet k výrazným (i nežádoucím) změnám aktivity – (příklad: aminoalkylfenothiaziny) –Změna polohy funkčních skupin •Zlepšení biologické dostupnosti –Zmenšení polárního charakteru molekuly / zvýšení lipofility – snížení plochy polárního povrchu < 140 Å2, léky CNS < 60 Å2 – zvětšení objemu hydrofobních skupin –Příprava profarmak •Zlepšení rozpustnosti –Zavedení polárních skupin, zvětšení polárního povrchu –Změna stupně ionizace – zavedení skupin ovlivňujících ionizaci –Bioisosterie •Zlepšení chemické a metabolické stability –Vyloučení reaktivních skupin –Metabolická blokáda –Sterická blokáda –Využití elektronických efektů substituentů –Konjugace s (bio)polymery –Překonání patentoprávních bariér (léky kategorie „me too“) • Důležité parametry zvažované při modifikaci vodítkové látky •Místo v molekule • farmakofor, auxofor •Poloha funkčních skupin • přímé x nepřímé ovlivnění interakce •Typ zaváděné skupiny • bioisosterie •Způsob modifikace • zamezení vzniku rizikových nečistot (např. kancerogenních nitrosaminů) •Chemická stabilita • reaktivita funkčních skupin, chránění funkčních skupin •Metabolická stabilita • působení hydrolytických enzymů, účinek cytochromů •Patentoprávní situace • Možnosti záměny funkčních skupin Bioisosterie •Isosterie – Langmuir: stejný počet atomů i elektronů ve vnější slupce: CO – N2 – CN− • rozšířený koncept: stejný počet elektronů, ne atomů: -Cl – -OH – -NH2 – -CH3 • isostery mívají odlišné biologické účinky! •Bioisosterie: odlišný počet atomů i elektronová struktura, ale podobné biologické účinky • • • • • • • • • •Příklad: telmisartan → kandesartan • http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e2/Cooh_tetrazol.PNG/500px-Cooh_tetrazol.PNG Zlepšení fyzikálně-chemických a farmakokinetických parametrů •Rozpustnost ve vodném prostředí • ‒ zavedení polárních skupin do molekuly • chemické modifikace, příprava polárnějších profarmak; polární povrch 140/60 Å2 • ‒ převedení na soli „farmaceuticky akceptovatelných“ kyselin a bází • kys. citronová, mléčná, maleinová, fumarová, methansulfonová, sírová, fosforečná, HCl, HBr • trishydroxymethylaminomethan, N-methylglukamin, diethanolamin, aminoethanol, Na, K, Ca, Mg, Zn • ionizaci ovlivňuje pH prostředí - fyziologické pH obvykle 7,4, v některých tkáních jiné • ‒ forma léčivého přípravku •Chemická a metabolická stabilita • ‒ potlačení hydrolýzy (chemické i enzymatické) • ‒ potlačení oxidačních reakcí (cytochromy) • elektronické efekty, sterická zábrana, využití bioisosterie • ‒ pegylace biopolymerů • ‒ forma léčivého přípravku •Zlepšení biologické dostupnosti • ‒ zvýšení lipofilního charakteru látky • polární povrch do 140/60 Å2 • chemické modifikace, lipofilní profarmaka Příklad optimalizace •Inhibitor receptoru •fosfatidylinosid-3-kinasy •delta (PI3Kd) • •Výsledek: •Připraveno 48 sloučenin •Optimalizovaný produkt: • • • • • •1000 x vyšší potence než 1 •10 x lépe rozpustný ve vodě • •M.J.Fray et al., Drug Discovery Today •2013, 18 (23-24): 1158-1172 • • Racionalizace optimalizačních kroků Toplissův rozhodovací strom • • • •Připraví se fenyl- a 4-chlorfenylderivát. Porovná se účinnost •Modifikace elektrostatických a hydrofobních interakcí: silně elektronegativní chlor odčerpává elektrony Þ snižuje elektronovou hustotu v poloze 1 benzenového jádra; chlorfenyl derivát je i hydrofobnější než nesubstituovaný fenylderivát. •Je-li fenylderivát účinnější, připraví se 4-methoxyfenylderivát. Porovná se účinnost •Methoxyfenylderivát je přibližně stejně hydrofobní jako chlorfenylderivát, methoxykupina je ale méně elektronegativní jako chlor. •Je-li 4-methoxyfenylderivát účinnější než fenylderivát, připraví se 4-dimethylaminofenyl-derivát. Když není, připraví se 3-chlorfenylderivát. •Je-li naopak 4-chlorfenylderivát účinnější než fenylderivát, připraví se 3,4-dichlorfenyl-derivát. Porovná se účinnost. •Je-li 3,4-dichlorfenylderivát účinnější než 4-chlorfenylderivát, připraví se 3-trifluormethyl-- • 4-chlorfenylderivát… • Dále se zvyšuje hydrofobita a snižuje elektronová hustota v poloze 1 benzenového jádra •Korektura rozhodovacího stromu podle údajů z databáze léčiv ChEMBL • Úprava rozhodovacího stromu podle údajů z databáze léčiv ChEMBL • Profarmaka – deriváty účinných látek •Požadavky -vyšší biologická dostupnost nebo rozpustnost ve vodě než má účinná látka -požadovaná stabilita během distribuce k cílové tkáni -účinná látka se uvolňuje požadovanou rychlostí -odštěpující se látky jsou netoxické a neaktivní •Výhodou je specifická účinnost vůči cílovým tkáním nebo buňkám a omezení účinku na ostatní tkáně a buňky •Příklady – kandesartan cilexetil • (ester kandesartanu s 1- • hydroxyethyl-cyklohexyl- • karbonátem) • – cyklofosfamid • • – tenofovir disoproxil • – fludarabin fosfát • • – „polymerní“ léčiva • • Modifikace funkčních skupin při přípravě profarmak Příklady • Typy profarmak •Bioprekurzorová - cyklofosfamid •Transportní – tenofovir disopropoxil, adefovir dipivoxil –dvoudílná (bipartate) •účinná látka - transportní skupina –trojdílná (tripartate) •účinná látka - spojka - transportní skupina •Vzájemná - konjugáty léčiv •„Polymerní“ léčiva •Směrovaná léčiva – imunotoxiny a jiné konjugáty léčiv s protilátkami Profarmaka – typy – příklady •Bioprekurzorová – cyklofosfamid • • • •Transportní – řeší transport k cílové struktuře • •dvoudílná (bipartátní) • • • • •trojdílná (tripartátní) • Polymerní profarmaka (polymerní léčiva) •Vstup do buňky – endocytóza (pinocytóza) • •Příklady: PEGylované bílkoviny a polypeptidy - zvýšená stabilita, snížená imunogenita • Léčiva navázaná na biopolymer: lidský serumalbumin (Abraxane – HSA-pakli- taxel), dextran, kyselina hyaluronová, kys. polyglutamová … • Cílená radioterapeutika = protilátka + radioizotop, imunotoxiny = protilátka + léčivo (příklady: Bexxar – tositumomab 131 I, Kadcyla – trastuzumab emtansin) • Konjugáty léčiv s vodorozpustnými biokompatibilními syntetickými polymery • konjugáty poly(N-hydroxypropylmethakrylamidu) – ÚMCh, MBÚ AV ČR •