Bioinformatyka Wykład 12. E. Banachowicz Zakład Biofizyki Molekularnej IF UAM http://www.amu.edu.pl/~ewas Projektowanie leków Drug design Wykład 12, 2011 1
Historia projektowania leków Odkrywanie leków: leki znane od dawna (wiedza odziedziczona po przodkach, lecznictwo tradycyjne ) serendipity serendyczność, odkryte przez przypadek przy badaniu/ poszukiwaniu czegoś z zupełnie innego Aspiryna (1899) Felix Hoffmann, niemiecki chemik (firma chemiczna Friedrich Bayer & Co).- pierwszym lekiem uzyskanym w sposób syntetyczny, a nie wyizolowanym z surowców występujących w przyrodzie. Przykład czerpania wiedzy o lekach z natury Leki pochodzenia roślinnego: kokaina, morfina, opium, aparstnica, chinina, nikotyna, muskaryna. bez modyfikacji: np. morfina po modyfikacji: np. analogi wywodzące się od kokainy Mikroorganizmy: Penicilium Notatum (działanie przeciwbakteryjne) Leki pochodzenia zwierzęcego: Ecuadorian frog (Silny lek przeciwbólowy Epibatydyna ) Wykład 12, 2011 2
Przykład przypadkowego odkrycia serendipity Przykład przypadkowego odkrycia serendipity poszukiwanie leku przeciwko dusznicy bolesnej VIAGRA 1-[4-ethoxy-3-(6,7-dihydro-1-methyl- 7-oxo-3-propyl-1Hpyrazolo[4,3-d]pyrimidin -5-yl)phenylsulfonyl]-4- methylpiperazine Wykład 12, 2011 3
Strategie poszukiwania leków Strategie szukania struktury wiodącej Surowce naturalne Medycyna ludowa Związki syntetyczne Istniejące już leki Naturalne (fizjologiczne) ligandy i modulatory Synteza kombinatoryczna Projektowanie wspomagane komputerowo Przypadek Komputerowe banki danych strukturalnych Projektowanie z wykorzystaniem NMR Wykład 12, 2011 4
Cztery Ery w historii leków Era chemiczna 1950s-połowa 1980 Serendyczność; Znany związek aktywny Era "nowoczesna" połowa 1980 - połowa 1990 Era Genomiki połowa1990 2000 Zwiazki syntetyczne w oparciu o wiedzę o strukturze Identyfikacja "targetu", związek między strukturą a funkcją Era postgenomowa 2000 - Znany cały genom; genomika strukturalna Skala czasowa dla wytworzenia leku Wykład 12, 2011 5
Przykład nowotwór piersi Ok. 80% nowotworów piersi zależą od wzrostu poziomu estrogenów (nowotwory hormonreceptor- pozytywne) (1936) Lacassagne przewidział, że może istnieć związek chemiczny, który będzie hamował przyrost estrogenów. estradiol (naturalny estrogen), Sterydowy hormon płciowy, odpowiedzialny za rozwój żeńskich narządów rozrodczych, reguluje cykl płciowy i ma wpływ na zachowanie seksualne, rozrost błony śluzowej macicy Od substancji aktywnej do leku Tamoxifen: Wiąże się z receptorami estrogenowymi wewnątrz komórek nowotworowych, co prowadzi do zahamowania syntezy czynników wzrostu i pobudza tworzenie receptorów progesteronowych. Efektem tego jest zmniejszenie podziału komórek nowotworowych (wrażliwych na działanie estrogenów). Ethamoxytriphetol zsyntetyzowany w 1958 Wykład 12, 2011 6
Skala czasowa od odkrycia do wdrożenia skala czasowa dla Tamoxifenu (Tamoksyfen) Dopuszczony przez FDA leczenia zaawansowanego raka piersi u kobiet po menopauzie Dopuszczony przez FDA w profilaktyce raka piersi u kobiet po menopauzie z podwyższonym ryzykiem Dopuszczony przez FDA w profilaktyce raka u kobiet z DCIS 1977 1998 2000 1962 początek l. 80-tych Odkrycie w czasie badań nad bezpłodnością Pierwsza demonstracja przedłużonego przeżycia w pooperacyjnej terapii postmenopauzalnego estrogenreceptor pozytywnego raka piersi Pierwsza demonstracja redukcji nawrotów i śmiertelności we wczesnych stadiach raka piersi DCIS przedinwazyjny rak przewodowego sutka (ductal carcinoma in situ - DCIS) FDA Food and Drag Administration 50000-5000000 związków Proces odkrywania leku 1000 hitów 12 struktur wiodących 6 kandydatów na lek Odkrycie i badania przedkliniczne od 12 do 24 lat Badania kliniczne Faza I, II i III od 300 do >800 milionów $ Wykład 12, 2011 7
Czy bioinformatyka może ten proces przyspieszyć? Etapy projektowania leku Wybór jednostki chorobowej Określenie miejsca działania (receptor, enzym, kwas nukleinowy) Określenie testu biologicznego Znalezienie struktury wiodącej Określenie zależności między budową a działaniem biologicznym (SAR) Zidentyfikowanie grupy farmakoforowej Poprawienie oddziaływania między strukturą a miejscem działania Poprawienie właściwości farmakokinetycznych Patentowanie Badanie metabolizmu Badanie toksyczności Opracowywanie procesu technologicznego Badania kliniczne Wprowadzenie leku do obrotu dr inż. Iwona Gabriel Katedra Technologii Leków i Biochemii PG Wykład 12, 2011 8
Określenie testu biologicznego In Vitro - tkanki, komórki, enzymy poza żywym organizmem. Wiele testów in vitro zaprojektowano z wykorzystaniem genetyki molekularnej, gdzie gen kodujący specyficzny enzym lub receptor jest identyfikowany, klonowany i poddawany ekspresji w szybko dzielących się komórkach np. bakteryjnych. (proteaza wirusa HIV - sklonowana i poddana ekspresji w bakterii E.coli ) In Vivo Wykorzystuje się zwierzęta transgeniczne, czyli takie, u których zmieniono kod genetyczny. Możliwa jest wymiana genów mysich na geny ludzkie, w wyniku czego mysz wytwarza ludzkie enzymy lub receptory, które są następnie miejscem działania potencjalnych leków w testach in vivo. dr inż. Iwona Gabriel Katedra Technologii Leków i Biochemii PG Identyfikacja targetu Które białko jest odpowiednie/odpowiedzialne? Weryfikacja targetu Czy wybrany target jest podatny na lek? Identyfikacja związku czynnego (lead) Jaki związek będzie dobrze oddziaływał z targetem? Optymalizacja związku czynnego Który ze związków ma najlepsze własności farmakokinetyczne i nie jest toksyczny? Źródło??? Wykład 12, 2011 9
Wybór targetu? Zwykle jest to białko (DNA czasami w terapiach nowotworowych) Znajomość mechanizmu działania Specficzność(!) Żadnych podobnych Podatność na lek Posiadanie miejsca aktywnego, które może być zajęte prze małą cząsteczkę Istnieje już podobny target? Źródło??? Udział projektów genomowych Pathogen genome projects zsekwencjonowanie wszystkich produktów genomów patogenów nowe targety do walki z wielo-lekoodpornością The Human Genome Project genetyczne podstawy wielu chorób (włączając choroby infekcyjne) Źródło??? Wykład 12, 2011 10
Genomy patogenów: 1995 1996 1997 1998 1999 2005 Haemophilus influenzae Methanococcus jannaschii Mycoplasma pneumoniae Bacillus subtilis Escherichia coli Mycobacterium tuberculosis & inne Chlamydia pneumoniae & inn Vibrio cholerae & wiele innych. ok 200 genomów bakteryjnych Źródło??? Genomika Strukturalna Niedługo będzie można rozwiązać wszystkie możliwe pofałdowania ( ) Projekt równoważny projektowi genomowemu Będzie możliwe przewidzenie struktur (co najmniej pofałdowania) wszystkich białek rozwiązanego genomu Do 2000, przewidziano pofałdowanie 17% wszystkich białek genomu Bacillus subtilis Wykład 12, 2011 11
Wiele targetów ma nieznaną strukturę 10 5 znanych sekwencji jest potencjalnymi targetami zaledwie 10 3 ma znaną strukturę Modelowanie homologiczne.ale wiele z tych białka to białka błonowe znanych jest bardzo mało struktur białek błonowych Źródło??? Biologia Strukturalna projektowanie molekularne Znana struktura targetu znany potencjalny ligand docking (dokowanie) liganda do miejsca wiążącego receptora QSAR -structure-activity relationships nie znany potencjalny ligand de novo projektowanie potencjalnego liganda pasującego do miejsca wiążącego receptora Nie znana struktura targetu modelowanie homologiczne Quantitative structure-activity relationships (QSAR) Analiza QSAR wiąże w postaci równania własności strukturalne cząsteczki leku z jego aktywnością biologiczną. Źródło??? Wykład 12, 2011 12
Znana struktura targetu Estrogen i jego analog związane do receptora estrogenu ER Nie znany potencjalny ligand Miejsce wiążące z trzema kieszeniami fragmenty nowego dopasowane do każdej z nich Wykład 12, 2011 13
Proteaza - HIV Proteaza asparatylowa niezbędna w cyklu rozwojowym wirusa HIV homodimer, łańcuchy po 99 aminokwasów Proteaza - HIV Asp przycina syntetyzowane białko wirusa w odpowiednim miejscu postać dojrzała białka (bez obcięcia jest nieaktywne=wirus nie rozwija się) miejsce aktywne: (Asp25, Thr26 and Gly27) Wykład 12, 2011 14
Zamknięty i otwarty tunel łańcuch białkowy (do obcięcia) może się wsunąć w miejsce aktywne tylko po otwarciu tunelu - tunel się zamyka a może tak wsunąć tam coś, co zablokuje tunel na stałe???? Wykład 12, 2011 15
Budowa tunelu Inhibitor blokujący proteazę HIV Wykład 12, 2011 16
inny aspekt źródło: http://www.proteopedia.org/wiki Wykład 12, 2011 17
Aktywność to nie wszystko wiele leków odpada przed testami klinicznymi, bo są ligandami dla innych niezamierzonych targetów problem: z podawaniem, stężeniem, interakcjami, i skutkami ubocznymi Prawo ADME-Tox : Absorption, Distribution, Metabolism, Excretion, Toxicity Farmakokinetyka i toksykologia:!!!!!! Jak będzie lek podawany? doustnie (preferowane) Jak będzie rozprowadzany w organizmie (czy jest wstanie dotrzeć do celu w niezmienionej postaci/w ogóle)? Jak będzie metabolizowany czy mogą wystąpić interakcje z innym lekiem? Czy może wywołać niepożądane skutki? Wykład 12, 2011 18
Farmakokinetyka Dotarcie leku do jego miejsca działania zależy od jego właściwości fizykochemicznych. Składają się na nie: Trwałość leku wobec czynników chemicznych Odporność na przemiany metaboliczne Charakter hydrofilowo-hydrofobowy Jonizacja Wielkość cząsteczki Modelowanie ADME-Tox potencjalny lek musi przejść test ADME-Tox na jak najwcześniejszym etapie projektowania Idealnie w trakcie projektowania in silico Modelowanie może być proste n.p. Prawo 5 Lipinskiego (Rule of 5) albo złożone np. modelowanie kwantowo mechaniczne oddziaływań leku Wykład 12, 2011 19
Prawo piątek Lipińskiego (Lipinski's rule of five): ogólnie, leki doustne nie mogą wychodzić poza kryteria: nie więcej niż 5 donorów wiązań wodorowych (atomów azotu lub tlenu z jednym lub więcej wodorami) nie więcej niż 10 akceptorów wiązania wodorowego (atomów azotu lub tlenu) masa cząsteczkowa poniżej 500 Da (współczynnik podziału) współczynnik cząstkowy oktanol-woda log P mniejszy niż 5. koniec źródła: Łukasz Jakieła: stud.chem.uni.wroc.pl/users/zd03/pliki/strategiepl.ppt Piotr Setny (piosto@icm.edu.pl) http://www.icm.edu.pl/kdm/projektowanie_lek%c3%b3w Wykład 12, 2011 20