Rysunki pochodzą z książki Chemia medyczna, G.L. Patrick, WNT. Odwołanie do wykładu z STL

Transkrypt

1 Rysunki pochodzą z książki Chemia medyczna, G.L. Patrick, WNT Odwołanie do wykładu z STL

2 Izolacja z surowców naturalnych jak np. rośliny, tkanki zwierzęce Lek naturalny Lek biotechnologiczny Lek syntetyczny Biosynteza z wykorzystaniem mikroorganizmów, hodowli komórkowych, hybryd Biotransformacja - enzymatyczna transformacja ksenobiotyku do farmakologicznie czynnego produktu Modyfikacja chemiczna substancji uzyskanej na drodze biosyntezy Synteza totalna

3 Wybór jednostki chorobowej Określenie miejsca działania leku Określenie testu biologicznego Znalezienie struktury wiodącej Określenie zależności między budową a działaniem biologicznym (SAR) Identyfikacja grupy farmakoforowej Poprawienie oddziaływania między strukturą a miejscem działania Poprawienie własności farmakokinetycznych Patentowanie Badanie metabolizmu Badanie toksyczności Opracowanie procesu technologicznego Badania kliniczne Wprowadzenie do obrotu Zadania dla syntetyka

4

5 Stan wyjściowy do analizy SAR: znamy budowę związku wykazującego określoną aktywność biologiczną. Analiza ma za zadanie wykazać, które fragmenty cząsteczki są istotne dla działania farmakologicznego -Które ugrupowania mogą wiązać się z receptorem lub enzymem, lub wpływać na trwałość leku. -W tym celu musimy otrzymać szereg związków o cząsteczce nieznacznie zmodyfikowanej względem substancji aktywnej i zbadać jak wprowadzone zmiany wpłynęły na aktywność biologiczną.

6 Sytuacja przykładowa: Substancja X, naturalnego pochodzenia, o podanej poniżej strukturze, wykazuje interesujące działanie biologiczne. Potencjalne miejsca oddziaływania z receptorem stanowią występujące w cząsteczce ugrupowania chemiczne: Które z tych interakcji występują w rzeczywistości?

7 Usuwamy pojedyncze ugrupowania z wyjściowej cząsteczki lub zamieniamy je na inne. 4 (?) Oznacza to otrzymywanie szeregu analogów związku X o nieznacznie zmienionej strukturze. Przeprowadzamy badania biologiczne nowych związków. Porównujemy ich aktywność z aktywnością związku wyjściowego. Jeżeli analog ma działanie słabsze od X oznacz to, że zmieniona grupa ma znaczenie dla danego kierunku działania.

8 Potencjalna rola tworzenie oddziaływań van der Waalsa. Metoda modyfikacji - redukcja. Powinna osłabić te interakcje, ze względu na zmianę kształtu tej części cząsteczki.

9 Potencjalna rola tworzenie wiązania wodorowego lub jonowego. Metoda modyfikacji - przeprowadzenie w postać amidu. Dla amin trzeciorzędowych konieczna wcześniejsza dealkilacja (np. chloromrówczanem lub bromocyjanem) 3 Uniemożliwia tworzenie wiązań wodorowych i jonowych.

10 Potencjalna rola tworzenie oddziaływań typu van der Waalsa z płaskimi, hydrofobowymi fragmentami miejsc wiążących. Metoda modyfikacji - redukcja. Uwaga: pierścień aromatyczny jest odporny na redukcję! Reakcja wymaga drastycznych warunków, co może spowodować zmiany w innych ugrupowaniach! Redukcja (benzen cykloheksan) powinna osłabić oddziaływania typu van der Waalsa, ze względu na zmianę płaskiego pierścienia na dużą objętościowo grupę alkilową (niekorzystne steryczne interakcje).

11 Potencjalna rola tworzenie wiązania wodorowego. Metoda modyfikacji - przeprowadzenie w postać eteru lub estru. Rozstrzygniecie wątpliwości- przez usunięcie grupy hydroksylowej (reakcja z chlorkiem metanolosulfonylu a następnie tetrahydroglinianem (III) litu).

12 Przeprowadzenie w eter lub ester osłabia lub eliminuje możliwość tworzenia wiązania wodorowego. Usunięcie ugrupowania - uniemożliwia tworzenie wiązań wodorowych.

13 Potencjalna rola tworzenie oddziaływań typu dipol dipol lub wiązań wodorowych. Metoda modyfikacji - redukcja do alkoholi. Redukcja pociąga za sobą zmiany w geometrii cząsteczki. Może osłabić oddziaływania (niekorzystne steryczne interakcje).

14 Potencjalna rola tworzenie wiązań wodorowych (?). Metoda modyfikacji - hydroliza lub redukcja do aminy. Redukcja zaburza tworzenie wiązań wodorowych w których bierze udział grupa karbonylowa. Hydroliza powoduje powstanie dwóch związków o różnych właściwościach.

15 Atomy lub grupy atomów o tej samej wartościowości lub ilości elektronów walencyjnych: -SH, -CH 3, -NH 2 izostery grupy OH =S, =NH, =CH 2 izostery dla =O Zamiana na izoster test, w jakim stopniu ważna jest grupa wiążąca. Zamiana przeważnie powoduje zmianę charakteru cząsteczki, możliwie w dużym zakresie (np. zamiana OH na -CH 3 )

16 Ugrupowanie eterowe O-CH2- Zamiana na izosteryczne -CH=CH- lub S-CH2- daje związek nieaktywny. Zamiana na NH-CH2- powoduje osłabienie aktywności. Wniosek: prawdopodobnie ugrupowanie eterowe tworzy wiązanie wodorowe z receptorem.

17

18 Farmakofor to zespół zależnych od siebie grup funkcyjnych, z uwzględnieniem ich układu przestrzennego, koniecznych dla aktywności biologicznej danego typu. Przykład: gdyby dla aktywności biologicznej analizowanego związku X konieczna była obecność pierścienia aromatycznego, dwóch grup fenolowych i atomu azotu (aminowego), to farmakofor miałby postać: Atom azotu oddalony od środka pierścienia o 5,063 A (0,5063 nm), z płaszczyzną pierścienia tworzy kąt 18 0

19 Dalsze działania przeprowadzane w poszukiwaniu potencjalnych leków dla wybranego miejsca działania (target-oriented drug) mają na celu: 1. Zwiększenie aktywności biologicznej 2. Zminimalizowanie działań niepożądanych 3. Zmianę własności fizycznych leku, wpływających na dystrybucję, metabolizm i oddziaływanie z receptorem 4. Opracowanie łatwej i ekonomicznej metody syntezy Wymaga to syntezy szeregu analogów danego związku struktury wiodącej!

20

21 Strategie poprawiające oddziaływania między lekiem a miejscem jego działania: Wymiana podstawników Powiększenie cząsteczki Wydłużanie lub skracanie łańcucha Powiększanie lub zmniejszanie pierścienia Wymiana pierścieni Kondensacja pierścieni Wprowadzanie grup izosterycznych Upraszczanie struktury cząsteczki Usztywnianie cząsteczki

22 Metoda łagodnego dopasowania do miejsca działania. Ooddziaływania van der Waalsa Większe grupy mogą zwiększać selektywność leku.

23 Adrenalina wykazuje powinowactwo do receptorów zarówno a jak i b-adrenergicznych Zastąpienie grupy metylowej grupą izopropylową powoduje większą selektywność Izopropenaliny do b-adrenergicznych.

24 Stosunkowo łatwa zmiana podstawienia w pierścieniu może spowodować podwyższenie aktywności związku.

25 Wprowadzenie do cząsteczki dodatkowych grup funkcyjnych może spowodować powstanie dodatkowych interakcji z miejscem wiążącym. Przykład: dla inhibitorów konwertazy angiotensynowej (leki hipotensyjne) wprowadzenie podstawnika fenylowego spowodowało 1000-krotne podwyższenie aktywności.

26 W przypadku dwóch ważnych ugrupowań połączonych łańcuchem, jego wydłużenie lub skrócenie może poprawić lub spowodować dopasowanie do miejsca wiążącego. Przykład: dla inhibitora konwertazy angiotensynowej przedstawionego na poprzednim slajdzie optymalna długość łańcucha łączącego grupę amidową z pierścieniem aromatycznym wynosi 2 węgle.

27 Powiększanie lub zmniejszanie pierścienia o 1 element łagodna metoda zmieniająca położenie podstawników w stosunku do siebie. Przykład: w poszukiwaniu inhibitorów ACE - otrzymanie Cilazaprilatu

28 Metoda omijania patentów. Zamiana układu aromatycznego na heteroaromatyczny stwarza możliwość wystąpienia dodatkowego oddziaływania np. wiązania wodorowego. (przykład otrzymanie leku przeciwwirusowego Newirapiny)

29 Może nasilić działanie lub zwiększyć selektywność leku. Dla b-blokerów wymiana pierścienia benzenowego na naftalenowy skutkowała selektywnością do receptorów b (efekt różnicy wielkości obszarów odpowiedzialnych za wiązanie siłami van der Waalsa).

30 Związki pochodzenia naturalnego struktury wiodące często mają bardzo złożoną budowę. SAR wskazuje, które ugrupowania są konieczne dla zachowania aktywności. Przykład: Prokaina jako analog Kokainy.

31 Zwiększenie aktywności lub zmniejszenie działań niepożądanych. Zahamowanie (wyeliminowanie) swobodnej rotacji przez zamknięcie pierścienia, wprowadzenie wiązań wielokrotnych lub odpowiednich ugrupowań usztywniających cząsteczkę.

32 Blokowanie konformacji przez wprowadzenie podstawnika zawady przestrzennej.

33 Zmiana wielkości, polarności, rozkładu elektronów i wiązań (!). Przykłady. Zastąpienie wodoru fluorem we 5-fluorouracylu Wiązanie C-F bardzo trudne do rozerwania, brak możliwości odchodzenia wodoru, reakcja enzymatyczna nie zachodzi. Zamiana izosteryczna grupy amidowej na pierścień pirolowy Sultopridzie (antagonista dopaminy) powoduje zwiększenie aktywności i selektywności w stosunku do receptora D3. w

34 Projektując leki trzeba brać pod uwagę również właściwości farmakokinetyczne. Istotne cechy: Rozpuszczalność Zrównoważone właściwości hydrofilowo-lipofilowe Odporność na metabolizm Wielkość cząsteczki

35 Metoda zakłada możliwość określenia przewidywanej aktywności biologicznej cząsteczki na podstawie odpowiednich parametrów fizykochemicznych wynikających z jej struktury Zależności te określane są ilościowo. Najczęściej brane są pod uwagę : hydrofobowość, właściwości elektronowe i steryczne te parametry można stosunkowo łatwo zmierzyć. Sprawdza się dla niektórych klas związków

36 Wyprowadzane jest równanie matematyczne wiążące aktywność grupy związków z właściwościami fizykochemicznymi, głównie: Hydrofobowością cząsteczki Własnościami elektronowymi Czynnikami sterycznymi stosunkowo łatwe do wyznaczenia Innymi własnościami ( momenty dipolowe, wiązania wodorowe, konformacje, odległości między atomami). Badania na grupie analogów o jednakowym szkielecie cząsteczkowym, różniących się podstawnikami.

37 Własności fizykochemiczne leku wpływają na: dystrybucję oddziaływanie z receptorem metabolizm Znalezienie ilościowej zależności między aktywnością a właściwościami fizykochemicznymi w grupie leków i opisanie jej równaniem powinno umożliwić (ograniczone) przewidywanie struktury nowych leków (określić jakie podstawniki powinny znaleźć się w nowych związkach).

38 Synteza serii pochodnych o tym samym szkielecie cząsteczkowym Doświadczalne oznaczenie aktywności biologicznej Oznaczenie doświadczalne lub obliczenie własności fizykochemicznych Wyprowadzenie równania wiążącego aktywność z własnościami Wykorzystanie obliczeń do przewidywania struktury nowych związków o danym kierunku działania.

39 Większa hydrofobowość (w ograniczonym zakresie!) ułatwia przejście leku przez błony komórkowe i zwiększa stopień wiązania leku z białkami. Hydrofobowość mierzy się wartością logp P współczynnik podziału (wyznaczany eksperymentalnie lub obliczeniowo) P= stężenie w oktanolu stężenie w wodzie

40 Teoretycznie zwiększenie wartości log P (hydrofobowości) powinno podwyższać aktywność biologiczną związku 1/C, (gdzie C oznacza stężenie wywołujące określone działanie biologiczne). Zależność ta jest prawdziwa dla wąskiego zakresu wartości log P (np. 0,78 3,82).

41 Gdyby badania poszerzyć o szerokim zakresie wartości logp okaże się, że powyżej pewnej optymalnej wartości podwyższenie log P spowoduje obniżenie aktywności. Lek zbyt hydrofobowy może być słabo rozpuszczalny w wodzie, może być wychwycony przez tkankę tłuszczową, może być zbyt szybko metabolizowany i eliminowany z ustroju.

42 Dla niewielu leków aktywność zależy tylko, lub głównie od hydrofobowości: -są to preparaty działające na błony komórkowe np. leki stosowane w znieczuleniu ogólnym. Związki o log P około 2 powinny mieć zdolność skutecznego przenikania do OUN (np. barbiturany jako leki uspokajające i nasenne ). Leki o innym kierunku działania powinny mieć log P znacznie różniące się od 2 aby nie wykazywać działania niepożądanego na OUN (np. senności).

43 Przykład - preparaty kardiotoniczne a.) 2-[(2,4-dimetoksy)-fenylo]-1H-imidazo[4,5-b]pirydyna b.) 2-[(2-Metoksy-4-metylosulfinylo)-fenylo]-1H-imidazo[4,5-b]- -pirydyna (Sulmazol) Log P = 2,59 - działanie niepożądane - przewidzenia Log P = 1,17 - brak działania niepożądanego na OUN

44 Log P- opisuje całkowitą hydrofobowość cząsteczki p - stała hydrofobowości podstawnika jest miarą jego względnej hydrofobowości w stosunku do atomu wodoru. Wyznacza się eksperymentalnie porównując logp standardowych związków z podstawnikiem i bez. p x = logp x logp H p Cl = logp chlorobenzen logp benzen p Cl = 2,84 2,13 = 0,71

45 Wartości p są stabelaryzowane. Podst. alifatyczne Podst. aromatyczne Wartości p można wykorzystać do teoretycznych obliczeń logp cząsteczek p-bromoanizol

46 Właściwości elektronowe podstawników mają wpływ na stopień jonizacji i polarność leków (czyli na przenikanie przez błony i wiązanie z receptorem) opisywane są za pomocą tzw stałej Hammeta (s). Wyznacza się ją eksperymentalnie mierząc wpływ podstawnika na dysocjację kwasu benzoesowego.

47 Znaczenie ma rodzaj podstawnika ( ektrodonorowy czy elektroakceptorowy ) i położenie w pierścieniu.

48 Stała Hammeta uwzględnia zarówno efekt indukcyjny jak i rezonansowy. Można również wyznaczyć alifatyczne stałe elektronowe podstawników - przez pomiar szybkości hydrolizy serii estrów alifatycznych.

49 Związki których aktywność zależy wyłącznie od efektów elktronowych są nieliczne. Ich działanie nie zależy od pokonywania błon biologicznych. 1.Przykładem są owadobójcze dietylofosfoniany. 2.Przykład leków: inhibitory acetylocholinoesterazy (enzymu występującego zewnątrzkomórkowo).

50 Są miarą wielkości podstawnika. Wyznacza się je jedną z trzech metod: -eksperymentalnie mierząc efekt, jaki podstawnik wywiera na szybkość wystandaryzowanej reakcji (czynnik steryczny Tafta E s ) -posługując się refrakcją molową (R M ) podstawnika jako miarą jego wielkości -In silico oblicza się tzw. parametry steryczne Verloopa (np. program Sterimol )

51 Równanie Hansha formuje się na podstawie wyników badania aktywności biologicznej serii analogów różniących się podstawnikami. Równanie wiąże aktywność biologiczną z własnościami związku. W równaniu występują najczęściej log P, p, s, R M i E s hydrofobowość cząsteczki, stałe hydrofobowości podstawników, własności elektronowe,czynniki steryczne Tafta, refrakcja molowa miara aktywności

52

53 Dla 102 pochodnych 2-amino-1-fenantren-9-ylo-etanolu syntezowanych jako potencjalne leki przeciwmalaryczne znaleziono zależności opisywane równaniem: z którego wynikało, że aktywność rośnie nieznacznie ze wzrostem hydrofobowości, znacznie natomiast jeżeli hydrofobowy podstawnik występuje w pierścieniu X a jeszcze znaczniej jeżeli występuje w pierścieniu Y. Zapewne w tym miejscu występują oddziaływania hydrofobowe.