Strategie di ottimizzazione Lead Nozioni a prendere in considerazioni Il successo della strategia di ottimizzazione dipenderà da la quantità di informazioni disponibili all'inizio dello studio. In particolare, se una certa conoscenza della struttura 3D del target o qualche studi precedenti sulle relazione struttura-attività (SAR) sono disponibili, il programma di sintesi può prendere in considerazione immediatamente le informazioni corrispondenti. Tuttavia, nei casi più frequenti, è necessaria l'esplorazione iniziale SAR

…..I Buoni e ……. i Cattivi Buono??? Cattivo??? Eterociclo linker acido Struttura semplice Sintesi facile > facilità per fare analoghi Possibilità di formazione legame idrogeno > solubilità in acqua Buono??? Cattivo??? Sintesi non ovvia / prodotti di partenza chirali Facile epimerizzazione nel carbonio a dell’aldeide Acido sulfonico male per assorbimento orale 2

Alcune informazioni sul target è disponibile (Drug Design Structure-Based - SBDD) Il primo punto da considerare è quello di accertare se il lead che deve essere ottimizzato è rilevante per un computer-aided drug design (CADD). Se la struttura 3D raggi X della proteina bersaglio è già descritto, diventa possibile la scelta di diverse molecole candidate ed eliminare quelle che evidentemente sono troppo ingombranti o che possiedono una geometria inadeguata. Situazione simile si verifica se un modello non-sperimentale in 3D del target è disponibile. .

Alcune informazioni sul target è disponibile (Drug Design Structure-Based - SBDD) Un punto importante che è sempre da tenere a mente è che CADD ha dei limiti e in certi casi non da spiegazioni per determinati risultati Esempio: I due antagonisti del rilascio della corticotropina (CRF) sono strutturalmente isomeri di posizione. Tuttavia, uno di loro mostra affinità nanomolare per il recettore CRF, mentre l'altro è praticamente inattivo.

Nessuna informazioni sul target è disponibile (Drug Design Ligand-Based - LBDD) In assenza di qualsiasi informazione sulla struttura target, alcune informazioni possono essere raccolte nel confrontare la struttura del lead con il ligando endogeno (se noto) o con altre strutture che mostrano affinità per lo stesso target (se conosciuto). Se esistono diversi composti che vengono riconosciuti dal bersaglio diventa possibile praticare l'approccio analogico. Quando si ha a che fare con un vero e proprio nuovo obiettivo, l'unico modo per progredire è quello di praticare un numero sufficiente di sintesi per identificare le caratteristiche molecolari che sono favorevoli e quelli che sono dannose per l'attività.

Nessuna informazioni sul target è disponibile (Drug Design Ligand-Based - LBDD) I programmi di variazione molecolari sulle strutture lead possono essere praticate in diversi modi ma in generale il loro obiettivo è Incremento della potenza, ma anche selettività, profili ADME (assorbimento, distribuzione, metabolismo, ed escrezione) e di tossicità soddisfacente, ottime proprietà fisico-chimiche quali la stabilità chimica, solubilità in acqua, e l'assenza di polimorfi, infine, i composti devono essere brevettabile

L'obiettivo predominante è la potenza Una delle strategie più sodisfacenti che rivelano le caratteristiche associate con una elevata potenza consiste in ciò che chiamiamo l'esplorazione topologica del lead compound. In questo approccio, le possibili modificazioni della molecola sono considerati dai quattro punti cardinali: il sud, il nord, l'ovest e l'est, e dal centro della molecola. Hit (lead) compound PIRENZEPINA

Esplorazione topologica Modificazioni alla posizione est E’ necessario l’atomo di azoto? Può la piridina essere rimpiazzata con un anello aromatico L’azoto piridinico può essere spiazzato? Qual è l’influenza dei sostituenti sull’anello piridinico? Può la piridina essere rimpiazzata con un altro anello

Esplorazione topologica Modificazioni alla posizione nord Può il gruppo NH essere sostituito? Funziona come donatore di legame idrogeno? Può il NH essere sostituito per gruppi bioisosterici come CH2 ed altri? Il grupo carbonilico è necessario? Può essere sostituito? Può il gruppo amide essere sostituito per un bioisostero?

Esplorazione topologica Modificazioni alla posizione ovest Dovuto alla quasi simmetria della struttura della pirenzepina, modificazioni analoghe alle suggerite per la posizione est possono essere applicate Per tutte e due le posizione può essere, anche considerate la strategia “benzo-spliting”

Esplorazione topologica Modificazioni alla posizione sud Sull’anello piperazine Può il gruppo N-metile essere rimpiazzato con gruppi alchilici o arilici? Può essere sostituita per omopiperazine o per diamine non cicliche? Può essere derivatizzata o anellata? Può essere sostituita per un bioisostere non classico come il gruppo guanidinio Sulla funzione carbossamido Può il gruppo carbonile essere ridotto? Può essere sostituita dal gruppo CH2=CH2 Può essere incluso in un sistema anellare?

Esplorazione topologica Modificazioni centrali Estensione dell’anello Introduzione di anelli ponti Modificazioni nella natura e numero degli eteroatomi

L'obiettivo predominante è la creazione della SAR In questo caso l’obbiettivo è acquisire informazioni sugli atomi e/ o le funzioni coinvolte nella interazione con il bersaglio e sulla natura dei legami chimici coinvolti nel complesso farmaco-bersaglio. Una volta realizzata la esplorazione topologica dei gruppi funzionali, se procede, caso per caso, alla discussione sulla rilevanza di ogni gruppo funzionale

L'obiettivo predominante è la creazione di SAR 1. Il gruppo carbonilico interagisce tramite lo scambio di legami idrogeno con la sua proteina bersaglio o svolge un ruolo architettonico dovuto alla struttura planare imposto dal carattere sp2 del suo atomo di carbonio. Per decidere tra le due alternative, alcune sostanze fondamentali devono essere preparati e testati. La sintesi del analogico tiocarbonilici porta ad un composto con potenza simile a quella del derivato carbonilico ma che è in grado di fare legami idrogeno. Se è ancora attiva, significa che il legame idrogeno a questa regione della molecola non è necessario per l'attività. Se non è più attivo, il carbonile chetonico può essere mantenuto. Forse il gruppo carbonile può anche essere sostituito dal chetossime corrispondente, un migliore fornitore di legame idrogeno La riduzione del gruppo carbonilico ai due alcoli enantiomerici trasforma l'atomo di carbonio sp2 planare in carboni sp3 piramidali. Questi composti possono essere attivi se il gruppo carbonilico gioca un ruolo conformazionale.

L'obiettivo predominante è la creazione di SAR 2. La presenza di un gruppo a-metilene permette l’enolizzazione della molecola, questa tautomeria può essere bloccata mediante l'inserimento di un anello spiro ciclopropile. Risultato di una ossidazione produce l'alcol secondario. Possibilità di doppio legame sono un-metilene (X = CH2), il dichetone (X = O) e la corrispondente chetossime (X = N-OH).

L'obiettivo predominante è la creazione di SAR Ulteriori indagini riguardano i diversi sostituenti sopportati dal lead compound 1. Il gruppo metilico può essere sostituito da un idrogeno? con un gruppo più ampio (ad esempio isopropilico)? 2. Il sostituente metossi può essere sostituito da un sostituente isoelettronico o da un altro accettore di legame idrogeno? 3. Ruolo del cloro: elettronico? lipofila? metabolico? 4. Sostituenti sul azoto: demetil? alchil superiori? acile? carbammato? urea?

L'obiettivo predominante consiste nella progettazione di analoghi Nella molecola losartan, la frazione imidazolo sostituito è attaccato alla tipica unità tetrazolil-difenilica. Nella ricerca di analoghi, la Novartis ha conservata immutata questa ultima parte della molecola, ma ha cercato di sostituire l’imidazolo con un equivalente bioisosterico capace di mantenere interazione simili con il target. La catena lipofila n-butil è stata mantenuta, il dipolo CN è stato sostituito da un dipolo CO, il sostituente cloro insieme ai due atomi di carbonio imidazolico è stato sostituito da un gruppo isopropilico lipofilo. Infine, come si sapeva che in vivo il gruppo alcolico primario è stato ossidato nel corrispondente gruppo carbossilico, la funzione carbossilica era direttamente introdotto nel valsartan.

MODALITÀ DI APPLICAZIONE Sarebbe certamente faticoso e al di là delle possibilità di un team di chimica farmaceutica di essere costretti a preparare tutti i composti immaginati per mezzo della chimica alla "carta". Le seguenti regole hanno lo scopo di codificare con precisione l'uso di tutte le strategie e per aumentare la loro efficacia nello stabilire le priorità e le regole di selezione. Regola Modifica minore Regola Logica biologica Regola Logica strutturale Diritto sostituenti della Regola Regola Facile Sintesi Organica Regola Eliminazione di centri chirale Regola Logica farmacologica

Regola numero uno: governano le piccole modifiche Progettazione di analoghi che sono vicini alla struttura del lead attraverso piccole modifiche Piccole modifiche sono raggiunti da semplici reazioni organiche come idrogenazioni, idrossilazioni, metilazioni, acetilazioni, risoluzioni racemati, cambiamenti di sostituenti e sostituzioni isosteriche. La modifica può produrre sia un aumento della potenza o un aumento della selettività o talvolta anche la soppressione di effetti tossici o collaterali.

Regola numero uno: governano le piccole modifiche Un semplice cambiamento nella lunghezza della catena alifatica può abolire la proprietà mutagenica. Così, in una serie di agonisti parziali muscarinici M1, il composto con una catena laterale dimetilammina è potente (IC50 [3H] -pirenzepine = 3 nM), ma mutageno. L’omologo superiore trimetilammina è meno potente (IC50 [3H] -pirenzepine = 15nM), ma più sicuro in termini di mutagenicità.

Regola numero uno: governano le piccole modifiche In alcuni casi, lievi modifiche, come idrogenazione e deidrogenazione possono indurre cambiamenti drammatici nel profilo di attività della molecole. Esempi I legandi imidazolici che agiscono sulla secrezione di insulina. Il efaroxan agisce come un agonista, e il corrispondenti derivato imidazolico come un antagonista. Analogamente succede con l’agonista benzofuranico 2-BFI e al suo diidro derivato che funziona come antagonista.

Regola numero due: la regola della logica biologica La seconda regola si basa sulla utilizzazione dei dati biochimici. Anche se si ignora tutta la biochimica della sostanza si dovrebbe considerare questo aspetto, in particolare, quando l'attività biologica deriva dalle proprietà chimiche o fisiche della serie. Proprietà molto generali possono essere previste in quanto funzioni o frazioni presenti nella struttura possono suggerire l'interferenza con un sistema biologico; idrazine o idrossilammine e coenzimi-piridossale, agenti complessanti e coenzimi metallici, donatori o accettori di elettroni e coenzimi ossido-riduzione, sostanze anfifiliche tensioattive e produzione di emolisi negli eritrociti. In modo più preciso, le proprietà alchilanti di composti come le mostarde azotate, nitrosouree e mitomicine, o le proprietà di reticolazione di derivati ​​cis-platino riferiscono alla loro attività antitumorale. L'attività di antracicline, ellipticine ei antracenedioni ha dimostrato di essere dovuto alla intercalazione nella doppia elica del DNA.

Regola numero due: la regola della logica biologica L'azione biologica di un composto è anche facilmente spiegabile se imita un substrato naturale o un mediatore. Questo è il caso per gli enzimi con gli inibitori (angiotensina I e captopril), substrati suicidi (GABA e vigabatrin), antimetaboliti (acido p-aminobenzoico e p-aminobenzene-sulfamidici) e per i recettori con agonisti (acetilcolina e muscarina) , antagonisti (GABA e gabazine) e gli inibitori di assorbimento (GABA e acido nipecotico). L'analogia con la sostanza endogena può essere a volte molto vago come si è visto con composti di ammonio quaternario che presentano, più o meno affinità per i recettori colinergici, o con purine, che spesso vengono riconosciuti dal fosfodiesterasi.

Regola numero due: la regola della logica biologica Come abbiamo precedentemente visto le vie del metabolismo dei farmaci seguono alcune regole generali e i metaboliti di una data sostanza possono essere previsti, almeno qualitativamente, in anticipo. Possono essere adottate diverse misure per favorire o, viceversa, di rallentare la biodegradazione. Alcuni raggruppamenti chimici sono più inclini di altri a cedere metaboliti tossici indesiderati. Tra i più noti sono i nitro, nitroso, azoici e aminoacidi composti aromatici, i bromoarenes, le idrazine e le idrossilammine, e alifatici polialogenati o composti aromatici. Una spiegazione delle tossicità dell’arilamine (il cosiddetto effetto para) è la loro facile ossidazione per un sistema chinonici elettrofilo seguita da aggiunta di nucleofili tiolici. Infine, se il principio attivo è un acido o una base, la scelta del controione salificante deve anche seguire alcuni criteri di selezione. Ossalati e nitrati per esempio, non sono molto popolari, mentre cloridrati rappresentano un compromesso soddisfacente.

Regola numero tre: regola della logica strutturale La regola implica che i dati strutturali disponibili del target (distanze inter carica , conformazioni E o Z, orientamenti dei sostituenti assiali o equatoriali, sostituenti non ben orientati, ecc), devono essere utilizzati nella progettazione dei farmaci. Quando si tratta di enzimi o recettori di struttura sconosciuta, un percorso a tali informazioni consiste nel confrontare composti attivi già noti, riconosciuti dallo stesso bersaglio molecolare, e di dedurre le caratteristiche stereo elettroniche importanti associati con la potenza e selettività. Questo approccio è indicato come l'identificazione farmacoforico o la mappatura del recettore. Inizialmente presentato da Marshall et al. ha qualche merito predittivo e, almeno evita inutili sintesi a priori di composti inattivi. In pratica i metodi più efficaci per avere successo è raggiungere l'interazione ideale tra intuizione e l'assistenza del computer.

Regola numero tre: regola della logica strutturale Esiste una guida strutturale per la progettazione di farmaci analoghi ai neurotrasmettitori del sistema nervoso centrale (SNC). Sulla base di un confronto della struttura cristallina dei composti rappresentativi riconosciuti da ciascuna delle otto principali classi di farmaci attivi sul SNC, Andrews e Lloyd hanno individuato una base strutturale comune, essenzialmente caratterizzato da un piano aromatico distante di circa 5 A dall’azoto della frazione amminica. La spiegazione di questo risultato risiede nell'origine biochimica dei neurotrasmettitori. La maggior parte di esse sono di tipo ariletilamine, a seguito della decarbossilazione degli amminoacidi aromatici quali DOPA o istidina.

Regola numero tre: regola della logica strutturale Un altro esempio è dato dalla acetilcolina o carbacolo che possono essere considerati come bioisosteri con GABA. In fatti le distanze inter cariche fra l’azoto protonabile e il dipolo carbonilico in GABA acetilcolina e carbacolo sono simili. Questa proprietà spiega, l'osservazione che un composto come l'antagonista del recettore GABAA bicucullina è riconosciuta sia dal GABA e dei recettori nicotinici.

Regola numero quattro: la scelta giusta dei sostituenti La metà di tutti i farmaci esistenti contiene anelli aromatici facilmente sostituiti. La sostituzione, in tali anelli, di un idrogeno con un sostituente (alchile, alogeno, idrossile, nitro, ciano, alcossi, ammino, carbossilato, ecc) può modificare drasticamente l'intensità, la durata, e forse anche la natura dei effetti farmacologici. Diventa di primaria importanza procedere alla scelta ottimale dei sostituenti in modo da esplorare con il più piccolo numero di composti un spazio 3D significativo, formato di strutture che ripresentano i parametri corrispondenti alle coordinate lipofilica, elettronica, e sterica

la sintesi organica facile (EOS) Regola numero cinque: la sintesi organica facile (EOS) Sintesi di nuovi composti è un processo costoso e lungo; quindi, ogni misura in grado di renderla più efficace è il benvenuto. Così, ad esempio, quando viene presa la decisione di preparare un dato insieme di composti, perché non preparare prima quelli la cui sintesi è il più facile? preparare prima quelli i cui intermedi posono disponibili in commercio?

la sintesi organica facile (EOS) Regola numero cinque: la sintesi organica facile (EOS) Una raccomandazione particolare è quello di sintetizzare eterocicli. Tra i farmaci sintetici il 62% conteneva almeno un anello eterociclico, la percentuale in composti naturali sono ancora più elevata (77% ). Infatti, eterocicli presentano molti vantaggi: Essi consentono l'inserimento di elementi in grado di dare interazioni lì dove i carbocicli non danno. Essi permettono un maggior numero di combinazioni. Diventa quindi più facile essere originale. Rappresentano analoghi rigidi di sostanze endogene che sono spesso metaboliti di aminoacidi. Spesso la loro facilità di sintesi permette la preparazione di numerose serie. Uno dei principali problemi quando si tratta di sostituzioni iso o bioisosteriche nei sistemi eterociclici è la selezione dei candidati più promettenti a priori tra diverse decine di possibili anelli. Un semplice indizio, che riflette il momento dipolare, può essere dato dalla conoscenza e confronto dei punti di ebollizione delle eterocicli di base.

eliminare i centri chirali! Regola numero sei: eliminare i centri chirali! Racemi e entrambi gli enantiomeri sono di solito diverse entità farmacologiche: Si richiede una ricerca farmacologica e tossicologica prima di poter decidere se sia vantaggioso utilizzare racemi o enantiomeri nella pratica clinica. Questi sforzi di ricerca potrebbero essere ridotti a circa un terzo quando possano essere sviluppati farmaci piani o senza centri chirale con la stessa o maggiore affinità. Effettivamente l’asimmetria non è un requisito assoluto per l'attività! La morfina possiede cinque centri chirali, invece sua fentanil derivato sintetico è privo di centri asimmetrici ma comunque è uno dei più potenti analgesici conosciuti.

I centri chirali sono eliminati attraverso l’introduzione di simmetria I centri chirali sono eliminati attraverso l’introduzione di simmetria. Un tipico esempio di questo processo è la progettazione di immunosoppressori non chirale 2-aminopro- vetri-1,3-dioli partendo dal naturale Myriocin composto.

Regola numero sette: logica farmacologica Uno studio farmacologico eseguito correttamente deve soddisfare determinati criteri rapporto tra dose ed effetto, presentazione dei limiti di confidenza, il confronto con un composto di riferimento, e la determinazione del tempo e picco di azione Sul lato chimico è anche estremamente importante fornire ai farmacologi composti di riferimento pubblicati dai laboratori concorrenti. Un altro punto che può contribuire ad aumentare la credibilità del tuo lavoro, è la cosiddetta sonda contraria. In altre parole, quando i propri studi SAR consentono l'identificazione delle caratteristiche molecolari associati ad alta attività, procedere, naturalmente alla sintesi dei più interessanti rappresentanti, ma anche preparare almeno un composto che, secondo i risultati, dovrebbe essere inattivo. Quante volte una bella molecola pubblicata, per i quali sono richieste le attività interessanti, perde molto del suo fascino una volta che è nuovamente controllata dalla propria squadra!