The Drug Discovery Process Program selection (disease) Drug Target Identification and Target Validation Lead Compound Identification Lead Optimization Preclinical and Clinical Development Approval and Circulation

Ottimizzazione delle interazione con il target Ottimizzazione Lead Ottimizzazione delle interazione con il target Modificazioni strutturali che contribuiscono alla determinazione delle relazione struttura-attività Principio di Isosteria (approccio analogico) Semplificazione e Complicazione Molecolare (approcci disgiuntivi e congiuntivi) Principio di Omologia lineare e ciclica Composti Viniloghi e Benzologhi Ciclizzazione (Rigidifficazione) Tali modifiche possono contribuire anche ad un’ottimizzazione delle caratteristiche farmacocinetiche e tossicologiche del “lead compound”

Approccio analogico: Principio di Isosteria Ottimizzazione delle Interazione Approccio analogico: Principio di Isosteria Introdurre nel “lead compound” modificazioni chimiche tali che, pur variandone alcune caratteristiche strutturali e chimico-fisiche, ne mantengano intatta la capacità di interagire con il target biologico Nuovo composto = profilo farmacologico migliore

Principio di Isosteria 1918, LANGMUIR definizione de isosteri: due molecole che contengono lo stesso numero e disposizione di elettroni: O2-, F-, Ne, Na+, Mg+2, Al+3 CO, N2 CO2, N2O ClO4-, SO4-2, PO4-3 1925, GRIMM ipotizzò che l'aggiunta di un atomo di idrogeno ad un atomo della riga precedente (per formare quello che egli chiamò uno pseudoatomo) non alterasse la isoelettronicità dell'atomo che segue Elettroni totali 6 7 8 9 10 C N O F Ne CH NH OH FH CH2 NH2 H2O CH3 NH3 CH4

Principio di Isosteria 1932, ERLEMMEYER amplia il concetto di isosteria: atomi, ioni, gruppi funzionali o molecole che presentano la stessa configurazione elettronica ESTERNA Elettroni di valenza 4 5 6 7 8 C N O F Ne Si P S Cl Ar CH NH OH FH SiH CH2 NH2 H2O SiH2 CH3 NH3 PH SiH3 CH4 SH SiH4 PH2 PH3 SH2

Principio di Isosteria HINSBERG osservando la stretta somiglianza delle proprietà di benzene e tiofene propose l'equivalenza dei gruppi -CH=CH- -S- Integrando tra di loro le diverse definizioni proposte, diventava possibile ammettere la isosteria di tutta una serie di eterocicli Va subito fatto rilevare che la isosteria di questi gruppi e cicli si manifesta soprattutto nella forma e nel volume; infatti sono evidenti diversità chimico-fisiche essenziali, quali la distribuzione elettronica e tutte le conseguenze che questo comporta a livello biologico. Tuttavia, come si è già detto in precedenza, lo scopo principale del chimico farmaceutico è quello di introdurre modificazioni che non alterino la capacità della molecola di essere riconosciuta dal suo partner biologico, in modo tale da conservare il meccanismo di azione.

Principio di Isosteria Eventuali variazioni a livello della distribuzione elettronica possono allora essere sfruttate per modulare tale interazione, per ricavare informazioni sul tipo di legami che la determinano per modificare la farmacocinetica o ridurre la tossicità del prodotto di riferimento. Può essere utile suddividere i gruppi isosteri a seconda della loro valenza Monovalenti Bivalenti Trivalenti Quadrivalenti Equi.Anell -CH3 -NH2 -OH, -F, -Cl -CH2-, -NH- -O-, -S-, -Se- -CH=, -N= >C<, >Si< -CH=CH- -S- -PH2 -SH -COCH2 - -CONH- -COO- -COS- -P=, -As= =C=, =N+=, =P+= -CH=, –N= -Br, -i-Pr -O-, -S-, -CH2-, -NH- -I, -t-But

La sostituzione isosterica dell'ossigeno etereo della muscarina (il prototipo degli agonisti muscarinici) con un atomo di zolfo e con un metilene ha permesso di valutare l'importanza sull'azione muscarinica del legame idrogeno coinvolto nell'interazione con il recettore, in funzione sia della distribuzione elettronica che del volume dell'atomo o gruppo di atomi inseriti

Modificazione apportata alla molecola della AMINOPIRINA, un efficace analgesico, che però produce un aumento dei casi di tumore per la sua trasformazione nel N-nitrosoderivato a livello intestinale La sostituzione isosterica del gruppo dimetilamminico con il gruppo isopropilico, che non può subire tale trasformazione ma che evidentemente non altera la interazione con il bersaglio biologico, ha condotto al PROPIFENAZONE, un farmaco di uso più sicuro

Al contrario, la sostituzione isosterica di due gruppi etilenici nel DECAMETONIO con due gruppi O-C=O, facilmente e rapidamente idrolizzabili dalle ematiche, ha avuto lo scopo di rendere più corta la durata di azione del farmaco originale rendendone più flessibile l'uso

ISOSTERI NON CLASSICI Considerando tutti gli studi realizzati, il numero degli elettroni periferici sembra non costituire una caratteristica essenziale nella determinazione della isosteria mentre, il tipo di ibridazione condiziona molto di più la capacità di un gruppo di sostituirne opportunamente un altro. Si sono così identificati una serie di gruppi che non rientrano nella definizione originale, ma che per le caratteristiche steriche ed elettroniche possono essere definiti isosteri tra di loro.

Non è infrequente il caso che in seguito ad una trasformazione isosterica un agonista si trasformi in antagonista e viceversa E' questo il caso delle modificazioni isosteriche apportate alla molecola del baclofen, un agonista del recettore GABA-B, che hanno condotto sia ad agonisti che ad antagonisti dello stesso recettore

Friedman (1951) ha proposto il termine di BIOISOSTERI per quei gruppi che sostituiti al gruppo originale in una data molecola ne mantengono il tipo di attività; in altri termini mantengono intatta nella molecola la capacità di essere riconosciuta dallo stesso bersaglio biologico ANTIMETABOLITI

Bioisoteri clasicci

Bioisosteri non idrolizzabili della funzione esterea della ARECOLINA, un prodotto con interessanti proprietà muscariniche ma troppo labile per poter essere utilizzato come farmaco anti-Alzheimer Ossadiazoli e derivati ossimminici erano alcuni possibili bioisosteri con lo stesso effetto farmacologico e maggiore resistenza metabolica Lo studio delle mappe di potenziale elettrostatico di prodotti modello ha in effetti dimostrato che la distribuzione elettronica dei vari derivati è molto simile, come si può vedere nel caso dell'acetato di metile e del suo bioisostere 3,5dimetil-1,2,4-ossadiazolo

di gruppi importanti nell'interazione con i recettori BIOISOSTERI di gruppi importanti nell'interazione con i recettori

BIOISOSTERI del legame ammidico La sostituzione isosterica di un legame peptidico è un caso particolare molto importante dal punto di vista pratico, vista la instabilità metabolica e gli altri problemi farmacocinetici di proteine e peptidi BIOISOSTERI del legame ammidico

Bioisoteria non clasica Un classico esempio di bioisosteria è quello tra ESTRADIOLO, un ormone estrogeno, e il DIETILSTILBESTROLO, un ormonoide in grado di interagire con lo stesso recettore degli estrogeni. Questa bioisosteria è stata attribuita alla identica capacità dei due supporti lipofili di tenere i due ossidrili alla distanza necessaria per interagire con il recettore In a recent study, Lages and coworkers described the existing retroisosteric relationship between the methylsulfonylamine and methylsulfonamide functions (Scheme 58) present in the structures of new selective COX- 2 inhibitor lead compounds 170 and 171 [88]. This type of retroisosteric relationship confers metabolic susceptibility and distinct pKa values between compounds 170 and 171, while the greatest activity found for the methylsulfonamide derivative 170 may be explained considering the profile of interaction of this group with the Arg513 and Ser353 amino acid residues present at the catalytic site of COX-2, favored in 170 when compared to the 171 retroisostere. L’anello tetrazolico mima il gruppo carbossilico, in termini di acidità. Il tetrazolo è più stabile e lipofilico. Permette al bioisostero d’attraversare la barriera ematoencefalica

La inversione di un gruppo estereo produce in alcuni casi come quello di MEPERIDINA e TRIMEPERIDINA, due analgesici narcotici, prodotti bioisosteri L’utilizzo di retroinverso di derivati di acidi idrossamici (inibitori 5-lipoossigenase, 5-LOX) o solfonamide (antiinfiamatori) da luogo ad analoghi più resistenti alla idrolisi e/o più stabili metabolicamente present in the structures of new selective COX- 2 inhibitor acids [89]. In these studies it was demonstrated that hydroxamic acid derivatives (e.g., 177) are rapidly metabolized to corresponding inactive carboxylic acid derivatives, which are unable to block leukotriene synthesis. Taken together these results suggest the pharmacophoric profile of hydroxamic acid subunit (CON(OH)CH3). Later, Summers and coworkers (1998) [90] demonstrated that hydroxamic acids with 5-LOX inhibitor activity have small substituents (hydrogen or methyl) attached to the hydroxamic acid nitrogen and relatively large groups (aryl ring system) appended to the carbonyl group. Based on this observation, the authors proposed the attainment of the retroisostere 178 (A 63162), through the application of retroisosterism strategy in the structure of lead compound 177 (Scheme 60) [90]. The study of the pharmacokinetic behavior of retroisostere 178 (A 63162) revealed that when administered orally to rats, this retroisostere produced higher plasma concentrations and longer duration. For example, compound 178 produced peak plasma concentrations in the

Semplificazione e Complicazione molecolare (Approccio disgiuntivo e congiuntivo) Semplificazione molecolare Approccio disgiuntivo Nei lead di origine naturale, spesso di natura molto complessa, è frequentemente usato il metodo della dissezione della molecola in porzioni più piccole, sulla base della considerazione che essa possa essere più complessa di quanto necessario per avere la stessa azione biologica. La semplificazione può avvenire attraverso apertura o eliminazione dei cicli eliminazione o modificazione delle catene laterali semplificazione della stereoisomeria Con questo approccio si cerca di fatto la porzione di molecola essenziale per l'azione biologica eliminando la parte della struttura originaria che non contribuisce all'azione: in altre parole si cerca di identificare la struttura del farmacoforo

VANTAGGI Individuazione di una struttura chimica più semplice per ottimizzarne la attività, che sia più facilmente accessibile per via sintetica e possa essere modificata con metodi sintetici non troppo complessi Eliminazione di parti strutturali non necessarie che possono essere responsabili di effetti collaterali o di proprietà farmacologiche o farmacocinetiche non desiderate Semplificazione della stereoisomeria per ridurre il numero degli isomeri prevedibili e di conseguenza semplificare la sintesi, la farmacocinetica e la farmacologia del prodotto iniziale SVANTAGGI Perdita della specificità di azione. Infatti la semplificazione strutturale ha spesso come conseguenza un aumento della flessibilità molecolare che può permettere l'adattamento del farmacoforo a diversi altri siti attivi; nel caso dei recettori si può perdere sia la specificità verso un certo tipo che verso i vari sottotipi del recettore interessato Alterazione profonda delle proprietà farmacocinetiche del prodotto originale, in particolare per ciò che riguarda la sua stabilità metabolica e la sua distribuzione corporea. In entrambi i casi la influenza della stereoisomeria può essere critica e modificazioni a questo livello vanno valutate con grande attenzione . Questo è particolarmente rilevante nel caso della isomeria ottica, vista la difficoltà di ottenere enantiomeri puri senza costose complicazioni preparative

Nel caso della MORFINA una spinta potente alla semplificazione molecolare è venuta dalla necessità di eliminare, o per lo meno attenuare, il fenomeno della tossicodipendenza connesso con questo potente ed insostituibile analgesico MORFINA analgesico narcotico inconvenienti ed eff. collaterali: depressione del respiro azione stupefacente dipendenza fisica e psichica Nel caso della morfina una spinta potente alla semplificazione molecolare è venuta dalla necessità di eliminare, o per lo meno attenuare, il fenomeno della tossicodipendenza connesso con questo potente ed insostituibile analgesico. Anche se il cammino non è stato così lineare come si potrebbe supporre, successive semplificazioni molecolari hanno condotto alla individuazione di sostanze molto più semplici che mantengono intatte le caratteristiche analgesiche della morfina anche se in definitiva lo scopo di liberarsi della azione tossicomanogena, se si eccettua il caso del levopropossifene, non è stato raggiunto.

contenenti alla loro estremità due gruppi ammonici quaternari L'ipotesi che l'azione bloccante della placca motrice muscolare da parte della TUBOCURARINA fosse dovuta alla presenza dei due atomi di azoto quaternari, ha condotto alla sintesi di numerosi derivati alifatici contenenti alla loro estremità due gruppi ammonici quaternari . Tra questi il decametonio contiene i due gruppi alla stessa distanza della tubocurarina e infatti presenta una analoga azione di blocco mioneurale. Tuttavia si è ben presto constatato che il meccanismo con cui questo blocco viene provocato èdiverso, molto probabilmente a causa della flessibilità estremamente diversa delle due molecole. Il decametonio agisce anche depolarizzando la membrana. mentre la tubocurarina agisce attraverso una azione di blocco del recettore nicotinico di placca, il che ha conseguenze notevoli sulla loro tossicità e sull'uso clinico

Semplificazione molecolare di un prodotto naturale, la ASPERLICINA, ha condotto ad un inibitore della colecistochinina potente e selettivo (L-364,718, DEVAZEPIDE) La modulazione molecolare della MINEPRINA, un agonista muscarinico,aveva condotto ad un prodotto potente ma contenente un centro chirale. La eliminazione del centro chirale con la sintesi di analoghi simmetrici conduce a molecole che mantengono una elevata azione agonista Un esempio molto più recente di applicazione di questo metodo è quello che ha riguardato la semplificazione molecolare di un prodotto naturale già citato, la asperlicina, che ha condotto ad un inibitore della colecistochinina più potente e selettivo e di struttura molto più semplice (L- 364,718, devazepide). Infine un esempio di eliminazione di un centro chirale, che non determinava differenze particolarmente elevate di affinità tra i due enantiomeri, ma poteva provocare problemi a livello di preparazione industriale dell'enantiomero più attivo, è quello riportato da C. Wermuth nella sua ricerca tendente ad esaltare l'azione agonista muscarinica Ml della minaprina. La modulazione molecolare del lead aveva condotto ad un prodotto potente ma contenente un centro chirale. La eliminazione del centro chirale con la sintesi di analoghi simmetrici conduce a molecole, come quella indicata, che mantengono una elevata azione agonista.

Semplificazione e Complicazione molecolare (Approccio disgiuntivo e congiuntivo) B. Complicazione molecolare Mentre l'approccio iniziale preferito per modificare un lead di origine naturale è quello della semplificazione molecolare, successivamente ed in tutti gli altri casi, si passa a modificazioni che in linea generale tendono a complicare la struttura iniziale. Tali "complicazioni“ possono essere semplici, come nel caso della omologazione o molto complesse, come nel caso della ibridazione molecolare. Le motivazioni di queste modifiche sono Il tentativo di ottenere prodotti con proprietà farmacologiche migliori in termini di affinità, efficacia, specificità e di ridurre, se necessario, la tossicità e gli effetti secondari. La necessità di variare caratteristiche chimico-fisiche quali la solubilità e la stabilità chimica. Ove si tratti di una molecola candidata a diventare un farmaco, la opportunità di ottimizzare caratteristiche farmacocinetiche quali biodisponibilità, stabilità metabolica, distribuzione corporea, durata di azione.

B.1 Omologazione Il concetto di una serie omologa è stato introdotto nella chimica organica da Gerhardt. Nella chimica farmaceutica il termine ha lo stesso significato Serie omologa = insieme di composti che differiscono per una o più unità metileniche (-CH2-) ed hanno differenze qualitative e/o quantitative di attività farmacologica Questa semplice metodologia è particolarmente utile nel caso dei prodotti che interagiscono con i recettori in quanto è ben noto che la specificità di interazione con il sito attivo rende la molecola molto suscettibile a variazioni strutturali anche piccole. L’introduzione di catene alchiliche altera profondamente le caratteristiche lipofile e può determinare variazioni decisive a livello farmacocinetico ma anche a livello di interazioni con il recettore

Seri Omologhe

Esempi

La variazione sistematica della lunghezza delle catene alifatiche che separano gruppi essenziali per la interazione con il recettore è un metodo molto utilizzato per studiare la topografia di recettori e di sottotipi recettoriali

di derivati imidazo tiofene Esempi degli anelli funzionalizzati più frequenti in composti di-funzionali polimetilenici Inibizione dell’attività trombossano sintetase in una serie di derivati imidazo tiofene

OMOLOGAZIONE CICLICA L'ampliamento di cicli può essere considerato un caso speciale di omologazione ed anche in questo caso i risultati ottenuti possono essere differenti in relazione alle variazioni, soprattutto conformazionali, che tale modifica comporta In alcuni casi la variazione non è tale da alterare l'interazione con il recettore coinvolto e quindi il prodotto omologo mostra la stessa azione di quello originario è questo il caso di MEPERIDINA ed ETOEPTAZINA Analgesici narcotici

Nel caso invece del passaggio da CLOROPROTISSENE a DOTIEPINA la omologazione introduce una flessibilità nella struttura che è considerata responsabile della apparizione di una azione antidepressiva accanto a quella neurolettica Antidepressivo Neurolettico

Ottimizzazione delle dimensione dell’anello per una serie di carbamati ciclici Potenza d’inibizione in una serie di analoghi ciclici del enalapril

Le forme delle curve attività biologica-n° di atomi di carboni Le curve più comuni sono a forma di campana, l'attività di picco corrispondente ad un dato valore del numero n di atomi di carbonio (curva A). B. L'attività può aumentare, senza alcuna regola particolare, con il numero di atomi di carbonio. C. L'attività biologica può alternare con il numero di atomi di carbonio, conseguente a zig-zag. D. L'attività aumenta prima con il numero di atomi di carbonio e poi raggiunge un plateau. E. L'attività può anche diminuire regolarmente, a partire dal primo membro della serie. Un'ultima possibilità risiede nella inversione della attività farmacologica che accompagna l'aumento del numero di atomi di carbonio

continuo dell’attività Curve con incremento continuo dell’attività Curve con pico d’attività massima Attività antiagregante d’analoghi strutturali di PAFacetere

A G O N I S M O Il SALMETEROLO è un broncodilatatore ed agonista adrenergico. Il mantenimento dell'azione agonista e la lunga durata di azione vengono spiegati con l'ancoraggio del prodotto ad un sito accessorio lipofilo (exosite) che è sufficientemente lontano per permettere la normale formazione e rottura del complesso farmaco recettore e talmente forte da mantenere il farmaco nell'intorno del sito attivo Un esempio delle conseguenze di questo approccio è quello mostrato di seguito. In questo caso, si possono ottenere preziose informazioni sulla topografia del sito attivo L’esempio più recente e anche più significativo di questo tipo di approccio è costituito dal SALMETEROLO, farmaco broncodilatatore per effetto della lunga e lipofila catena presente sull’azoto, è un agonista adrenergico di lunga durata. Il mantenimento dell'azione agonista (usualmente trasformata in azione antagonista da una voluminosa sostituzione sull'azoto) e la lunga durata di azione vengono spiegati con l'ancoraggio del prodotto ad un sito accessorio lipofilo (exosite) che è sufficientemente lontano per permettere la normale formazione e rottura del complesso farmaco recettore e talmente forte da mantenere il farmaco nell'intorno del sito attivo. In altre parole la molecola è libera di associarsi e dissociarsi dal recettore per dare corso all'azione agonista ma non è libera di diffondere lontano dal recettore.

Il caso particolare di composti bis-amonium polimetilenici Differenti modi d’interazioni di molecole bi-funzionali Affinità d’antagonisti GABA A for il loro recettore

Curve zig-zag. Alternata (seghettate) variazioni di attività Attività inibitoria sui neutrofili umani in una serie di derivati idrossiacetofenonici Attività antimalarica di una serie di bifunzionali quinoline

Inversione di attività Nel derivati ​​N-alchilati di norepinefrina questa anomalia si spiega con il fatto che norepinefrine può interagire con due sottoclassi di recettori (recettori a- e b-adrenergici). I derivati ​​meno ingombranti sono in grado di legarsi a tutti due recettori mentre quelli più ingombranti ai soli b-recettori. Una simile inversione d’attività si osserva quando l'agonista colinergico carbacolo viene modificato alla funzione carbammato con l’introduzione di due gruppi tert-butilici e lo scambio di uno dei suoi gruppi metilici per un gruppo etilico. l'analogico, dibutoline, è un potente colinolitico (antagonista). Inversione di attività Questo fenomeno è particolarmente osservata quando l'ingombro delle teste cationic iaumenta progressivamente. Nel derivati ​​N-alchilati di norepinefrina, progressivo alchilazione riduce l'attività ipertensiva secondo la sequenza: NH2, NHMe, NHEt, NHNPro. Infine, le molecole diventano ipotensivo dei valori: NHIsoPro, NHnBu e NHIsoBu. Carbacolo Dibutoline

OMOLOGAZIONE ARILICA Un caso particolare di omologazione è quello dell’introduzione nella molecola di gruppi aromatici (e, per trasformazione isosterica, eteroaromatici) usualmente lipofili, che il più delle volte servono per aumentare la affinità attraverso interazioni lipofile ed elettrostatiche Questi gruppi possono essere sia condensati a cicli preesistenti che usati come sostituenti. Nel caso di ligandi recettoriali si è visto che l'introduzione di tali gruppi trasforma spesso gli agonisti in antagonisti

Il legame idrofobico dei gruppi fenilici aggiunti ad ACETILCOLINA con siti accessori del sito attivo determina un notevole aumento della affinità e la comparsa di antagonismo di tipo competitivo nel composto risultante ADIFENINA La sostituzione degli ossidrili catecolici con un anello benzenico condensato trasforma l'azione agonista del ISOPROTERENOLO nell'azione antagonista del PRONETALOLO Naturalmente il risultato finale dipende dalla topologia del sito attivo e dalla capacità, sua o di siti accessori contigui, di accogliere gruppi lipofili e voluminosi come quello fenilico

Lo stesso effetto spiega l'acidità di acido ascorbico. B.2 VINILOGIA Il principio di vinilogia fu formulata da Claisen nel 1926, che osservò per la formilacetone di proprietà acide simile a quella di acido acetico. Il gruppo vinilico svolge il ruolo di canale conduzione elettronico tra il carbonile e il gruppo idrossile. Lo stesso effetto spiega l'acidità di acido ascorbico. Nei casi in cui l'effetto elettronico è importante nell'azione di una molecola, l'interposizione di un gruppo vinilico o di un gruppo aromatico tra i due gruppi responsabili di tale effetto può condurre a prodotti che mantengono l'attività, purché ciò non interferisca con altre caratteristiche essenziali per l'interazione, come la forma e il volume della molecola

Viniloghi e benzologhi Oggi questo principio si spiega con l'effetto mesomerico e si applica a tutti i sistemi coniugati: gruppi imminici e etinilici, anelli fenilici, e eterocicli aromatici.

Derivati cinnamici come vinilogo di benzaldeide Ossotremorina è un etinologo del farmacoforo dell’acetilcolina

L'effetto anestetico locale della PROCAINA sembra dipendere fortemente dalla polarizzazione del gruppo carbonilico ad opera dell'anello benzenico 4-ammino-sostituito; infatti la interposizione di un gruppo vinilico, che è in grado di trasmettere questo effetto, mantiene l'attività anestetica locale mentre l'interposizione di un metilene la fa scomparire.

Il vinilogo della NICETAMIDE mostra lo stesso tipo di azione La capacità dell’anello benzenico di trasmettere effetti mesomeri è dimostrata con il DAPSONE, il quale mantiene la stessa attività antimicrobica della SOLFANILAMMIDE

Cicloviniloghi della Procainamide Il clofibrato è un farmaco appartenente alla classe dei fibrati che riduce i livelli plasmatici elevati di trigliceridi e, in minor misura, le concentrazioni elevate di colesterolo. Scoperto nel 1962[1] è stato successivamente ritirato dal commercio in vari Stati a causa degli effetti collaterali. Arenologo del clofibrate

Considerazioni A causa di importanti cambiamenti nella geometria, i viniloghi spesso hanno attività imprevedibili. Per questo motivo, essi giocano un ruolo minore in chimica farmaceutica. Inoltre, la loro vulnerabilità metabolica o loro maggiore tossicità possono rappresentare uno svantaggio significativo. Tuttavia, il principio della viniogia a volte è applicata alla progettazione di bioisosteri. Così, il gruppo guanidinico de l fenbendazolo (benzimidazolo) può essere paragonato al suo vinilogo nel corrispondente imidazo [1,2-a] piridina derivato. Entrambi i composti sono antielmintici di potenza simile.

B.3 Ciclizzazione In corrispondenza con la semplificazione molecolare ottenuta tramite la apertura di cicli, la metodologia inversa, che consiste nell'introdurre nuovi cicli o nel ciclizzare catene laterali già presenti è largamente utilizzata. Si riferisce alla introduzione di anelli aromatici e non che servono a ridurre la flessibilità molecolare del lead e quindi ad individuare possibili conformazioni più attive e selettive Irrigidimento della catena laterale benzilica: Ipotetici template usati nella fase di ridefinamento del D2 farmacoforo

Riduzione della flessibilità molecolare de amino acidi Introduzione di strutture cicliche b-turn mimetici Introduzione di strutture cicliche a-elica

Ciclizzazione attraverso catena laterale VANCOMYCINE mimics PETT anti-HIV-1 forma conformazionalm. ristretta dei PETT CC

ciclici dei recettori D3 Un disegno: analogui ciclici dei recettori D3

TAXOLO NAMFIS-derived T-conformations for 13b (76% red, 7% green) superimposed on the tubulin-bound T-Taxol form (blue). T-Taxol (blue) bound to β-tubulin. The ortho-bridged T-form of 13b (red, both ligand and protein binding site subjected to MD relaxation similar to T-Taxol) superimposed on Taxol avoids the steric contact with Phe-270 at the bottom of the hydrophobic taxoid pocket experienced by the meta-bridged analog

B. 4 RADDOPPIAMENTO MOLECOLARE La metodica consiste nella duplicazione di un farmacoforo Farmaci contenenti due gruppi farmacoforici covalentemente delimitate sono chiamati farmaci singoli.

Modelli di combinazioni per “twin” farmaci omo- e eterodimeri Combinazione di farmacofori identici o non identici possono essere classificati in base alle modalità di connessione utilizzate tra le due entità. La combinazione può essere raggiunto dai mezzi un linker o meno (legame semplice) o secondo una modalità di sovrapposizione. Il gruppo linker può essere una catena polimerica (di solito una catena metilenico), un aromatico o un anello eteroaromatico e in alcuni casi un ciclo non aromatico. Farmacofori possono essere sovrapposte quando un motivo strutturale comune (cioè un anello o una funzione chimica) viene identificato nei due diversi farmaci. Duplicazione di aspirina ha portato alla diaspirin farmaco gemello identico in cui la modalità di connessione è una modalità non-linker. Tacrine, l'acetilcolinesterasi (AChE) inibitori, è stato dimerizzate dalla media di un linker (catena polymethylenic) che porta ai derivati ​​bis-tacrina. L'acido salicilico e struttura paracetamolo possono essere unite (modalità di sovrapposizione) per dare al non-identico acetaminosalol gemello.

Composti naturali che presentano un asse di simmetria C2 L'associazione di due entità farmacoforiche identiche genererà un "farmaco gemello identico", che equivale a un derivato omodimero. Questa prima strategia di progettazione è equivalente ad un processo di duplicazione/dimerizzazione di un composto attivo o lead Composti naturali che presentano un asse di simmetria C2

Duplicazione di ligandi per i recettori delle monoamine e b-adrenegici 'oxprenololo è una molecola appartenente alla categoria dei beta-bloccanti, non selettiva e dotata di attività simpaticomimetica intrinseca. Viene utilizzata nel trattamento dell'angina pectoris,] dell'ipertensione arteriosa e delle aritmie, in particolare di quelle associate ad ischemia del miocardio.

Ligandi per il recettore dell’acetilcolina

Farmaci gemelli per i recettori opioidi

Ligandi PPARs

Ligandi DNA

Eterodimeri Farmaci , in cui sono delimitate due diverse entità farmacologiche, sono chiamati "farmaci gemello non identici” , eterodimeri, farmaci ad azione doppia o ibridi a causa delle differenti risposte farmacologiche mirate da parte delle due porzioni farmacoforic La progettazione può essere realizzata attraverso una strategia che consiste in l’associazione di due farmacofori differenti. In questo caso, il nuovo composto possiederà due attività farmacologiche iniziali. Questo approccio potrebbe essere un vantaggio quando i duei target sono coinvolti nella stessa malattia o disturbo. Il farmaco eterodimero produrrà un effetto sinergico modulando contemporaneamente i due bersagli biologici. Lo scopo di questo approccio è la produzione di un farmaco più potente e/o più selettivo rispetto alla singola entità.

La somministrazione di questo tipo di farmaci gemelli può essere favorevole rispetto ai due farmaci separati. La nuova struttura avrà una propria identità farmacocinetica (assorbimento, distribuzione e metabolismo) e farmacodinamica. Questo aspetto rappresenta il vantaggio principale della progettazione di farmaci ad azione doppia in quanto in tal modo si evitano i problemi delle due diverse farmacocinetiche dei farmaci originali, oltre al benefico della combinazione terapeutica dei due principi attivi Naturalmente perché questo tipo di ibridazione abbia senso è necessario che i dosaggi dei due farmaci siano compatibili con il rapporto stechiometrico presente nel farmaco ibrido

Farmaci con attività duale dopaminergica e serotoninergica

Legando ibrido sostanza P adenosina

Inibitori duali COX/5-LO

Altre considerazioni sulla ibridazione molecolare Se il legame tra le due molecole può essere facilmente degradato a livello metabolico ognuno dei due farmaci produrrà il suo effetto tramite il suo meccanismo di azione Si parla di ibridazione molecolare quando: La SULTAMICILLINA creata dalla ibridazione di AMPICILLINA, un noto antibiotico b-lattamico, e SULBACTAM, un inibitore delle b-lattamasi, viene facilmente scissa nei due prodotti originali ad opera degli enzimi plasmatici

Se invece il legame non è degradato a livello metabolico, la molecola sarà in tutto e per tutto una nuova entità molecolare che può essere attiva con entrambi i meccanismi delle due molecole originali, può essere attiva con uno solo dei meccanismi o essere del tutto inattiva La FENETILLINA proviene dalla ibridazione di CAFFEINA, che aumenta l'AMP ciclico inibendo le fosfodiesterasi, e METANFETAMINA, un simpaticomimetico, entrambi utilizzati come psicostimolanti E chiaro che il risultato finale è difficilmente prevedibile e dipende dalla compatibilità di una delle due metà della molecola con il sito di azione dell'altra

B.5 MODIFICAZIONI STERICHE Tra le complicazioni molecolari utilizzate su di un lead ci sono quelle a carico della stereoisomeria della molecola La stereoisomeria ha un ruolo essenziale nell'interazione con macromolecole di interesse biologico ed in particolare nella interazione con i recettori Questo tipo di variazioni possono essere introdotte attraverso: l'inserimento di doppi o tripli legami, La ciclizzazione di strutture lineari, l'inserimento di centri stereogenici Linserimento di legami multipli e la ciclizzazione sono metodi largamente usati nel disegno di analoghi rigidi per cui va subito sottolineato che questo approccio è quasi sempre accompagnato da variazioni a carico della stereoisomeria Tra le complicazioni molecolari che vengono introdotte più spesso su di un lead ci sono quelle a carico della stereoisomeria della molecola. Difatti è un concetto largamente acquisito quello che la stereoisomeria ha un ruolo essenziale nell'interazione con macromolecole di interesse biologico ed in particolare nella interazione con i recettori, come verrà più ampiamente discusso nella sezione 3.3 per ciò che riguarda l'isomeria ottica. Variazioni nella stereoisomeria di una molecola possono essere introdotte in vari modi: l'inserimento di doppi o tripli legami, la ciclizzazione di strutture lineari, l'inserimento di centri stereogenici. l'inserimento di legami multipli e la ciclizzazione sono metodi largamente usati nel disegno di analoghi rigidi per cui va subito sottolineato che questo approccio è quasi sempre accompagnato da variazioni a carico della stereoisomeria. In genere l'effetto farmacodinamico di modificazioni steriche è quello di variare la affinità della molecola originale per il suo partner biologico che come è noto ha, nella quasi totalità dei casi, una stereochimica ben definita. Come conseguenza si possono ottenere derivati con affinità selettiva verso recettori o sottogruppi recettoriali e acquisire preziose informazioni sulla stereochimica dei rispettivi siti di interazione; il tutto è estremamente utile per lo sviluppo di nuovi farmaci. C'è ovviamente anche una conseguenza farmacocinetica di queste trasformazioni steriche, soprattutto a livello metabolico. Ciò può complicare la situazione, ma può anche essere utilizzato ai fini di migliorare le caratteristiche farmacocinetiche di un farmaco. Naturalmente la complicazione sterica di un farmaco, se da un lato introduce elementi di selettività recettoriale, spesso provoca notevolicomplicazioni sintetiche e di separazione di isomeri. La valutazione dei vantaggi e degli svantaggi di questa operazione è, soprattutto a livello industriale, un'operazione molto importante.B.

VANTAGGI L’effetto farmacodinamico di modificazioni steriche è quello di variare la affinità della molecola originale per il suo partner biologico che come è noto ha una stereochimica ben definita Si possono ottenere derivati con affinità selettiva verso recettori o sottogruppi recettoriali E acquisire preziose informazioni sulla stereochimica dei rispettivi siti di interazione Migliorare le caratteristiche farmacocinetiche di un farmaco SVANTAGGI La complicazione sterica di un farmaco spesso provoca notevoli complicazioni sintetiche e di separazione di isomeri. Alterazione delle proprietà farmacocinetiche del prodotto originale

La introduzione di un centro stereogenico nella molecola achirale della ACETILCOLINA, oltre a rendere la molecola metabolicamente più stabile, conduce a due enantiomeri ( R(+) e S(-) METACOLINA) con affinità molto diversa per il ricettore muscarinico; inoltre l'enantiomero più potente è selettivo per questo recettore rispetto a quello nicotinico. La ciclizzazione della stessa molecola di acetilcolina a diossolano mantiene un'alta attività colinergica solo in uno dei quattro isomeri possibili: il (+)-cis-diossolano.

La introduzione di un doppio legame nell'anello A del CORTISONE per dare il PREDNISONE, mentre non influisce sulla capacità di interazione con il recettore, altera la struttura sterica di tale anello in modo tale da renderlo molto più resistente alla degradazione metabolica

La condensazione di anelli aromatici è anche usata per sondare lo spazio disponibile in zone particolari del sito di legame di un ligando o di una classe di ligandi Questo tipo di approccio è stato utilizzato nel disegno e sintesi di una serie di benzoanaloghi del flunitrazepam che sono serviti come sonde per determinare le disponibilità spaziali del sito di legame delle benzodiazepine intorno all'anello benzenico fuso con l'anello benzodiazepinico Si è visto che solo la fusione con l'anello B mantiene un'alta affinità per il recettore; ma si è anche osservato che i vari sottotipi recettoriali presentano caratteristiche steriche differenti in quella zona dello spazio