2008-09-uvodno Predavanje

Racionalno načrtovanje učinkovin Rational Drug Design

The Search for a Needle in a Haystack

Haystacks in Provence Vincent van Gogh, 1888

NAČRTOVANJE UČINKOVIN • Ciljana pot do novih učinkovin - strategije • Ciljana pot do novih učinkovin - stari sen človeštva alkimisti

eliksir

Uspehi raziskav novih učinkovin so presenetljivi !!!

lenghty, costly, risky process…

New molecular entities approved for marketing by US FDA

Uspehi raziskav učinkovin... Včasih...

danes…

•alkohol, opij •infekcijske bolezni

- narkotiki, lokalni anestetiki - kemoterapevtiki, antibiotiki - H2 antagonisti, inhibitorji protonske črpalke - psihofarmaki virusna obolenja ? tuberkuloza ?

Štiri faze v raziskavah zdravil... • ljudska medicina • sistematično iskanje novih sinteznih učinkovin, uvedba živalskih modelov • uvedba in vitro testnih sistemov • uvedba novih eksperimentalnih in teoretičnih metod, ki omogočajo racionalno načrtovanje učinkovin • proteinska kristalografija • molekulsko modeliranje • QSAR

Ljudska medicina…. Papaver somniferum

opij

morfin

Digitalis purpurea

srčni glikozidi

digitoksin

Paracelzus Theophrastus Bombastus von Hohenheim 1493-1541 • prelomnica za znanstveni pristop k raziskavam učinkovin • življenje je razlagal s kemijskimi procesi • za zdravilne učinke rastlin so odgovorne substance, ki jih te vsebujejo

digitoksin

Prebujenje organske kemije CH3 N H

opioidni analgetiki O

HO

OH

morfin (Sertuerner 1806) H H2C H

N

HO

H

O H3C

N

kinin (Runge, Pelletier, Caventou 1819)

antimalariki

Novi alkaloidi... CH3

O O

N

CH3

lokalni anestetiki

O H O

kokain (von Niemann 1860) N

CH3

spazmolitiki O

O

HO

atropin (Willstaetter 1901)

Novi alkaloidi... psihofarmaki

N

H3C O

N H

H

H

O

CH3

H O

O O O

O CH3

CH3

O O

CH3 CH3

reserpin (Robinson, Woodward, 1950)

antihipertoniki

Natural products: taxol

taxol

Natural products: Epothilones

from Sorrangium cellulosum

U. Klar et al, Angew. Chem. 45, (2006)

Natural products: (+)discodermolide stabilizacija mikrotubulnega citoskeleta, zaustavitev mitoze Izolacija iz globokomorske spužve-Discodermia dissoluta leta 1990

Štiri faze v raziskavah zdravil... • ljudska medicina • sistematično iskanje novih sinteznih učinkovin, uvedba živalskih modelov • uvedba in vitro testnih sistemov • uvedba novih eksperimentalnih in teoretičnih metod, ki omogočajo racionalno načrtovanje učinkovin • proteinska kristalografija • molekulsko modeliranje • QSAR

• Živalski poskusi Sir James B. Black

ICI propranolol SKF cimetidin

Opažanja o delovanju učinkovine so direktno odvisna od uporabljenega farmakološkega modela Za številne bolezni ni ustreznih živalskih modelov

Novi farmakološki modeli – ključ do odkrivanja novih učinkovin

• In vitro testni modeli, molekularni testni sistemi... Celične kulture -kulture rakastih celic -kulture embrionalnih piščančjih srčnih celic Molekularni testni modeli -model inhibicije encimov -model izoliranih receptorjev

vloga in pomen genske tehnologije !!!

selektivnost vs. prostorska lokalizacija učinka

Drug discovery paradigm • animal models of disease ˝black box approach˝ • target-based drug discovery ˝one target – one disease approach˝

redukcionistični pristop

Štiri faze v raziskavah zdravil... • ljudska medicina • sistematično iskanje novih sinteznih učinkovin, uvedba živalskih modelov • uvedba in vitro testnih sistemov • uvedba novih eksperimentalnih in teoretičnih metod, ki omogočajo racionalno načrtovanje učinkovin • proteinska kristalografija • molekulsko modeliranje • QSAR

Moderne metode... • računalniško podprto načrtovanje učinkovin • rentgenska strukturna analiza • večdimenzionalne NMR metode • molekularno modeliranje • načrtovanje • iskanje spojin vodnic • optimiranje vodnic H

kaptopril

N OH

ACE inhibitor HS

CH3

O

O

karboksipeptidaza

Karboksipeptidaza A v

v

lipofilni zep

lipofilni zep

Zn2+

Zn2+

O

H N

O O

R

N H

+

NH2

O H2N

"

substrat

N H

O

HO

+

NH2 O H2N

N H

inhibitor (benziljantarjeva kislina)

Inhibitorji ACE O

R

R

2

H N

N H

3

O

R

O

OH

substrat

OH

inhibitor

1

" O

R

2

O

H N

HO O

R

1

Razvoj kaproprila Spojina Pyr-Trp-Pro-Arg-Pro-Gln-Ile-Pro-Pro

Ki/ IC50 teproid

Ki = 100 nM

CH3 N

H2N O

Ki = 230 µM COOH

N

HOOC O

IC50 = 70 µM COOH

CH3 N

HOOC O

IC50 = 4.9 µM COOH

CH3 HS

kaptopril

N O

COOH

IC50 = 23 nM Ki = 1.7 nM

Slučaj... • acetanilid

1886

Cahn, Hepp

• fenacetin

1924

Carl Duisberg

• N2O

1844

H. Wells

• LSD

1943

Albert Hoffmann

Nepričakovano delovanje snovi dobljenih na osnovi načrtovane sinteze... CH3 O O CH3 Cl

H3C

O

H3C

N

CH3 O

H N

NO2

CH3

O H3C

N

O O

O

NH Cl

CH3

N

H3C

N H

CH3

CH3

verapamil

nifedipin SERENDIPITY

klonidin

1754 Sir Horace Walpole

Serendipity vs. sagacity ...As Princes of Serendip travelled, they were making discoveries by accidents and sagacity prepared mind A. Szent-Györgi: ...Discovery consists of seeing what everybody has seen and thinking What nobody else has thought...

clonidine α2 - agonist

Iskanje spojin vodnic... • naravne spojine npr. TUBOKURARIN ….. mišični relaksanti MORFIN ………….. opioidni analgetiki PAPAVERIN………. spazmolitiki TAKSOL…………… citostatiki •spojine mikrobiološkega izvora npr. PENICILINI, CEFALOSPORINI CIKLOSPORIN • rešetanje (screening) spojin sinteznega izvora kombinatorna kemija high-throughput screening •testiranje intermediatov •analogi prehodnega stanja

Testiranje intermediatov

citostatik imunosupresiv

Inhibitor ksantin oksidaze

Analogi prehodn. stanja

Iskanje spojin vodnic • opazovanje stranskih učinkov (DISULFIRAM, SULFONAMIDI)

• in silico (in computro) iskanje spojin vodnic • poznavanje strukture terapevtsko relevantnih proteinov (rentgenska strukturna analiza) • poznavanje genoma (genomika, proteomika)

Virtuano rešetanje (virtual screening)

Virtual screening – an example

http://www.kubinyi.de/istanbul-09-06.pdf

Dynamic combinatorial libraries

J. M. Lehn et al, Nature Rev. Drug Discov. 1, 26 (2002)

Fragment based lead discovery

D. C. Rees et al, Nature Rev. Drug Discov. 3, 660 (2004)

De novo drug design

G. Schneider et al, Nature Rev. Drug Discov. 4, 649 (2005)

Lead structure search

H. Kubinyi, http://www.kubinyi.de/dd-01.pdf

Leadlikeness vs. druglikeness

Rishton, GM., DDT 8, 86-96 (2003)

Lead compound vs. drug • spojine vodnice imajo praviloma drugačne lastnosti od končnih učinkovin • njihova moč (potency) je manjša • moč delovanja (potency) se izboljša z dodajanjem novih kemijskih skupin • to poveča molekulsko maso, zviša število H-donorjev in H-akceptorjev • log P se praviloma poveča (dodatne hidrofobne interakcije, koncentracija v membrani)