CHIMICA COMBINATORIALE

Perché e come progettare e sintetizzare una libreria di composti Chimica combinatoriale Perché e come progettare e sintetizzare una libreria di composti

Chimica combinatoriale Svantaggi della MedChem tradizionale Sintesi complesse e di lunga durata Scarsa diversità (insufficiente per la scoperta di nuovi “leads”) Numero di composti di sintesi troppo basso Lento sviluppo di profili di relazioni struttura-attività all’interno di una classe di composti Lenta ottimizzazione nei cicli iterativi evoluzionari Insufficiente copertura brevettuale Alti costi (circa 5.000 – 10.000 /composto)

Chimica combinatoriale Il rapido sviluppo delle tecnologie di biologia molecolare ha permesso lo sviluppo di test farmacologici rapidi e ad elevata efficienza (HTS = High Throughput Screening) che danno risultati accurati anche con quantità molto ridotte di sostanza (< 1 mg). Ma questo richiede la produzione rapida di un gran numero di nuove molecole per i test che non può essere ottenuta con i metodi classici di sintesi organica. La chimica combinatoriale è stata sviluppata per scoprire nuovi lead compounds e soddisfare la domanda imposta dall’HTS, attraverso la sintesi di librerie combinatoriali (400.000 molecole/mese).

Chimica combinatoriale La diversità chimica

Chimica combinatoriale La diversità chimica

Attività della Chimica Combinatoriale La Chimica Combinatoriale genera un insieme molto vasto di composti chimicamente correlati (“congeneri”), detto “libreria combinatoriale” La sintesi in fase solida, l’automazione e le strategie di risoluzione (deconvoluzione) delle miscele di composti hanno accelerato la sintesi e la valutazione di ampie collezioni di molecole. Negli ultimi anni la Chimica Combinatoriale si è sempre più spostata verso la sintesi parallela automatizzata e la purificazione parallela.

Chimica combinatoriale Chimica combinatoriale vs. Sintesi Classica

Chimica combinatoriale

Chimica combinatoriale Building blocks con 68 residui differenti in 10 posizioni (R1-R10 sono 5, 10, 10, 4, 2, 5, 5, 2, 5 e 20 residui differenti) generano una libreria di 20 milioni di composti differenti. Considerando entrambi i centri chirali (*) il numero cresce di 4 volte, cioè arriva a 80 milioni di composti.

Chimica combinatoriale

Sintesi organica rivolta al target: Chimica combinatoriale Sintesi organica rivolta al target: Si usa nella drug discovery quando è già stato individuato il target (recettore, enzima ecc....) Sintesi organica rivolta alla diversità: Utilizzata per identificare nuovi target terapeutici e le molecole regolatrici

Criteri per il design di librerie Chimica combinatoriale Criteri per il design di librerie Ottenere il maggior numero possibile di informazioni Obiettivo Drug discovery screening Massima diversità possibile Ricerca dell’hit Drug discovery optimization Diversità meno ampia, ma più mirata Ricerca del lead Scaffold comune

Drug discovery screening Chimica combinatoriale Hit Drug discovery screening Indolattame Attivatore di PKC Libreria su scaffold indolattamico

Drug discovery optimization Chimica combinatoriale Lead to Drug Drug discovery optimization Valium-(Benzodiazepina) agonista di GABA Libreria di benzodiazepine

Qualità della diversità Regola del “5” (Lipinski) Chimica combinatoriale Molecola “drug like” Quantità e Qualità della diversità Le regole di Lipinski sono filtri applicabili ad alcune proprietà chimico-fisiche per aumentare le possibilità di sviluppo farmaceutico di una molecola (assorbimento, biodisponibilità, etc..). La stragrande maggioranza dei farmaci registrati rientra in questi criteri. La violazione di almeno 2 delle regole determina un alto rischio di non sviluppabilità. Regola del “5” (Lipinski) Peso molecolare < 500 Numero di atomi donatori H <5 Numero di atomi accettori H <10 clogP < 5

Molecola scelta su ipotesi base Chimica combinatoriale Ipotesi o Diversità Capacità di Legame H Molecola scelta su ipotesi base idrofobicità polarità Ipotesi Classificazione della diversità: Building block Strategia per la diversificazione dei building blocks Selezione dei building blocks Gruppi funzionali Importanza della diversità del gruppo funzionale Trasformazione dei gruppi funzionali x 1 2 3 4 6 5 7 9 8 s o l u t i n idrofobicità polarità Capacità di Legame H Massima diversità

Ricerca basata su un’ipotesi Chimica combinatoriale Ipotesi o Diversità Ricerca basata su un’ipotesi Capacità di Legame H Molecola scelta su ipotesi base idrofobicità polarità IPOTESI Es. Idrofobicità, polarità e capacità di legame H hanno un ruolo fondamentale per modulare l’attività della proteina. Il successo dipende dalla qualità dell’ipotesi Enormi successi si sono avuti con tale approccio Con l’aumentare della complessità del problema diminuisce la possibilità di formulare ipotesi

Ricerca basata sulla diversità Chimica combinatoriale Ricerca basata sulla diversità x 1 2 3 4 6 5 7 9 8 s o l u t i n idrofobicità polarità Capacità di Legame H Il risultato dipende dalla diversità della libreria che viene testata La diversità è indipendente dalla complessità del problema

Tecniche di Sintesi Combinatoriale: Chimica combinatoriale Tecniche di Sintesi Combinatoriale: Fase solida In soluzione Fase solida In soluzione Reagenti usati in eccesso per portare a completamento le reazioni I reagenti non possono essere usati in eccesso, a meno di purificazioni addizionali Purificazione semplice (lavaggio del supporto) Purificazione difficoltosa Facile automazione Automazione difficoltosa Poche reazioni organiche applicabili In teoria tutte le reazioni organiche sono utilizzabili Scale-up relativamente costoso Scale-up semplice e non costoso

Chimica combinatoriale La strategia “split and combine” (Metodo di Furka) nella sintesi di librerie combinatoriali (fase solida) Una volta scelti i building blocks (b) e il numero di step sintetici (x), il numero di composti finali nella libreria sarà: Cpds. = bx

Chimica combinatoriale La strategia “split and combine” (Metodo di Furka) nella sintesi di librerie combinatoriali Tre miscele: 9 composti diversi in ogni pallone di reazione.

Combinazione di scaffolds e building blocks Chimica combinatoriale Combinazione di scaffolds e building blocks

La chimica su fase solida e la chimica combinatoriale Merrifield (1963)

La chimica su fase solida e la chimica combinatoriale

Chimica combinatoriale

Chimica combinatoriale

Diversità dei building blocks Chimica combinatoriale Diversità dei building blocks R1-R3 elementi di diversità Senza conoscere la sintesi della libreria si possono identificare elementi di diversità (R1-R4) Tutti i membri della libreria hanno lo stesso scaffold Senza conoscere la sintesi della libreria non è possibile identificare i building blocks

Chimica combinatoriale Libreria di 1,4 diazepine J. A. Ellman et al. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 3306

Chimica combinatoriale Cloruri acilici (20) Cloruri acilici scelti tra 300 prodotti commerciali

Chimica combinatoriale Amino Acidi (35) a.a. naturali e non disponibili in commercio

Chimica combinatoriale 2 1 H 3 Agenti alchilanti (16)

Chimica combinatoriale Building blocks Utilizzando x building blocks per ogni y punto di diversità si ottengono xy composti. building block S. H. DeWitt et al. Proc. Natl. Acad. Sci. 1993, 90, 6909

A B A F E B C D Chimica combinatoriale Il numero di punti di diversità contribuisce più del numero di building blocks usati per diversificare al numero totale di composti A B 200 building blocks per ogni punto di diversità 40,000 composti (2002) A F 6 building blocks per ogni punto di diversità E B 46,656 composti (66) C D

Chimica combinatoriale Fonti per la scelta dei building blocks Databases di prodotti commerciali (substructure search) Software per la scelta di un subset di n composti da un set di prodotti commerciali

Chimica combinatoriale Criteri per la scelta dei building blocks Facile reperibilità (prodotti commerciali) I building blocks devono essere inseriti utilizzando reazioni che sfruttano comuni gruppi funzionali Compatibilità con la strategia sintetica Un building block deve contenere solo gruppi funzionali compatibili con le reazioni successive al suo inserimento L’ordine con cui vengono inseriti i punti di diversità può favorire la sintesi

Chimica combinatoriale Gruppi funzionali Idrofobicità/idrofilicità Capacità di formare legame H Acidità/Basicità Dimensioni

Chimica combinatoriale Chelanti di metalli Gruppi reattivi nucleofili elettrofili

Chimica combinatoriale Gruppi funzionali e diversità

Chimica combinatoriale Gruppi funzionali e diversità La diversità potenziale di un gruppo funzionale può essere parte della progettazione della libreria

Chimica combinatoriale Diversità dei Gruppi Funzionali Importante per la struttura e le proprietà delle molecole La diversità dei gruppi funzionali è spesso sfruttata per diversificare ulteriormente punti di diversità già inseriti con building blocks La diversità potenziale di un gruppo funzionale è parte integrante della progettazione di librerie In alcuni casi le trasformazioni di un gruppo funzionale sono sfruttate per inserire un punto di diversità

Chimica combinatoriale Multicomponent reactions

Chimica combinatoriale Multicomponent reactions

Chimica combinatoriale Multicomponent reactions

Chimica combinatoriale Multicomponent reactions

Chimica combinatoriale Affinità per tripsina e trombina di diversi inibitori Ricerca basata sull’ipotesi La benzammidina mostra selettività per la tripsina L’ N-ammino piperidina leggermente più selettiva per la trombina

Inibitori classici della trombina 1 Chimica combinatoriale Inibitori classici della trombina 1

Libreria di inibitori della trombina Chimica combinatoriale Libreria di inibitori della trombina La reazione di Ugi applicata alla sintesi di inibitori della trombina

Chimica combinatoriale