Drug Discovery by design Nuove strategie di drug design

Drug Discovery by design

Drug Discovery by design

Drug Discovery by design

Drug Discovery by design

Drug Discovery by design Strategie attuali di supporto al chimico farmaceutico nella selezione del lead compound e dei suoi analoghi: SAR QSAR Analisi di Hansch Molecular modelling Chimica combinatoriale e parallela

Drug Design - SAR E’ ormai assodato che la “forma” (shape) di una molecola è il fattore più importante che influenza l’attività biologica. I gruppi strutturalmente rigidi sono i gruppi insaturi (esteri, ammidi, sistemi alifatici coniugati e anelli aromatici ed eteroaromatici). Il binding al sito “target” di gruppi rigidi dà informazioni su: Forma del sito; Natura delle interazioni; Conformazione del complesso ligando-sito. Esempi di strutture rigide: Procaina (anestetico locale) Selegiline (inibitore MAO)

Drug Design Conformazione: la flessibilità delle strutture di ligando e recettore permette l’interazione del ligando con i vari sottotipi recettoriali (Schueler, 1950s). Un ligando assume diverse conformazioni quando si lega a diversi sottotipi recettoriali (Archer, 1960s) Analoghi rigidi permettono il binding selettivo e quindi la generazione di farmaci molto attivi con ridotti effetti collaterali syn-acetilcolina anti-acetilcolina Attività nicotinica Attività muscarinica

Drug Design Restrizioni conformazionali: Possono essere introdotte sulle molecole mediante: sostituenti ingombrati piccoli sistemi ciclici La scelta della struttura deve essere attentamente valutata per non far perdere alla nuova molecola l’attività biologica (impossibilità di interazione con il sito target). I dati biologici ottenuti da analoghi con restrizioni conformazionali servono a determinare la conformazione più bioattiva del ligando. La chimica computazionale è un ottimo supporto nella scelta delle strutture.

Drug Design Esempi : 2 1 Restrizione conformazionale con un anello Dopamina Istamina Ingombro sterico tra atomi di H

Secondo stereoisomero Drug Design Configurazione: I centri configurazionali impongono rigidità alla parte di molecola sulla quale sono posizionati. Generano isomeri ottici e geometrici. Stereoisomeri biologicamente attivi hanno attività differenti in termini di potenza e/o selettività. Primo stereoisomero Secondo stereoisomero Esempio Attivo Stesse potenza e attività Isomeri R e S della clorochina Stessa attività Minore potenza E-Dietilstilbestrolo: estrogeno Z-Dietilstilbestrolo : 7% attività di E Diversa attività S-Ketamina: anestetico R-Ketamina: psicotico Nessuna attività S-a-Metildopa: ipertensivo R-a-Metildopa: inattivo Attivo ma con diversi effetti collaterali S-Talidomide: sedativo, teratogeno (s.e.) R-Talidomide: sedativo, non teratogeno (s.e.)

Drug Design e ancora…..

RELAZIONI STRUTTURA-ATTIVITA’ (SAR) Drug Design (SAR) RELAZIONI STRUTTURA-ATTIVITA’ (SAR) Molti farmaci agiscono su un sito specifico (enzima o recettore). Composti con strutture simili spesso tendono ad avere attività farmacologica simile. Tuttavia, essi possono differire in potenza e in effetti collaterali e, talvolta, anche in attività. Queste differenze correlate alla struttura sono comunemente note come relazioni struttura-attività (SAR). Lo studio SAR di un lead compound e dei suoi analoghi serve a determinare le parti della struttura responsabili dell’attività biologica, cioè il “FARMACOFORO”.

Drug Design (SAR) DEFINIZIONE “A pharmacophore is defined as the ensemble of steric and electronic requirements, in a class of biologically active compounds, necessary to ensure the biological activity; in general, pharmacophore can be considered the ensemble of steric and electronic requirements necessary to ensure positive interactions between a biologically active molecule and its target. The assumption, in a pharmacophore study, is that all compounds in a training set share the same mechanism and interact with the same biological target.”

Drug Design (SAR) Le SAR sono di solito determinate apportando minimi cambiamenti alla struttura del lead e valutando l’effetto del cambiamento sull’attività biologica. Necessità di sintetizzare un gran numero di analoghi. Cambiamenti strutturali tipici: Modifica di dimensione e forma dello scheletro di atomi di C. Modifica della natura e del grado dei gruppi sostituenti. Stereochimica del lead.

Drug Design (SAR) Modifica di dimensione e forma dello scheletro di atomi di C: modifica del numero di gruppi metilenici nelle catene e negli anelli; aumento o diminuzione del grado di insaturazione; introduzione o rimozione di un sistema d’anello Modifica del numero di gruppi metilenici nelle catene e negli anelli L’aumento del numero di gruppi –CH2 in una catena o in un anello aumenta la lipofilicità del composto e può essere causa di aumento dell’attività (migliore penetrazione della membrana cellulare) o di diminuzione (scarsa solubilità in ambiente acquoso). L’inserimento di catene ramificate, di anelli di diverse dimensioni e la sostituzione di catene per anelli può influenzare la potenza e il tipo di attività biologica degli analoghi.

Drug Design (SAR) a) Chiusura/apertura di cicli Oxeladin >>> Carbetapentano Antitosse Clorpromazina (antipsicotico) Clomipramina (antidepressivo)

Drug Design (SAR) Aumento o diminuzione del grado di insaturazione La rimozione di un doppio legame aumenta il grado di flessibilità di una molecola. L’introduzione di un doppio legame, invece, aumenta la rigidità della struttura. Gli isomeri geometrici E e Z , inoltre, possono avere diverse attività biologiche. Il legame C=C determina maggiore reattività e maggiore sensibilità della molecola all’ossidazione metabolica. In generale: Modifica della stereochimica / modifica delle proprietà chimico-fisiche

Drug Design (SAR) Diversa attività biologica: Diversa potenza: Fenotiazine (antipsicotici) Dibenzoazepina (antidepressivo) Diversa potenza: Cortisolo 30 volte meno attivo di Prednisolone

Drug Design (SAR) Vinilomologia (o vinilogia) (Claisen 1926) Le proprietà biologiche non cambiano quando si introduce come spaziatore un sistema coniugato (gruppi imminici, vinilici, aromatici ed eteroaromatici) tra due sostituenti X e Y. Anestetici (analoghi della procainammide) I cicloviniloghi della procainammide sono più stabili al metabolismo. Inoltre è stato possibile dissociare (vinilogo meta) l’azione anestetica locale da quella antiaritmica

3-(3,4-Dimetossifenil)butirro Drug Design (SAR) Introduzione o rimozione di un sistema d’anello L’introduzione di un sistema ciclico cambia la forma e aumenta le dimensioni dell’analogo. Non si può predire l’effetto del cambiamento sull’attività biologica. Migliore interazione con il sito target: 10 volte + attivo di Rolipram (antidepressivo) 3-(3,4-Dimetossifenil)butirro lattame

Drug Design (SAR) Migliore stabilità metabolica: >>>> + stabile Transciclopromina (antidepressivo) 1-Amino-2-feniletene L’inserimento di un anello aromatico introduce rigidità all’intera molecola. Il sistema di elettroni p può aumentare o diminuire il legame al sito target. I sistemi aromatici eterociclici e cicloalchilici introducono nuovi gruppi funzionali nella molecola e ne possono influenzare attività e potenza.

Drug Design (SAR) L’incorporazione di sistemi d’anello può essere usata come metodo per creare analoghi resistenti agli attacchi enzimatici a causa del maggior ingombro sterico. Benzilpenicillina (non b-lattamasi resistente) 2-Fenilbenzilpenicillina (non b-lattamasi resistente) Il secondo anello aromatico impedisce l’attacco dell’enzima al sistema b-lattamico, ma solo se posto a distanza opportuna. Difenicillina (b-lattamasi resistente)

Drug Design (SAR) Agonisti >>>>> Antagonisti Introduzione, rimozione o sostituzione di un gruppo ingombrante Di solito la modifica trasforma agonisti in antagonisti, e viceversa Agonisti >>>>> Antagonisti Colinergici Acetilcolina Profantalina a-adrenergici Norepinefrina Moxisylite

Drug Design (SAR) Agonisti >>>>> Antagonisti H1-istaminergici Istamina Difenilidramina b-adrenergici Isoproterenolo Propanololo

Drug Design (SAR) Introduzione di centri chirali Cambiamenti nella stereochimica di un farmaco possono alterare in maniera drastica l’attività farmacologica. Es. NSAIDs (+)-Ketoprofen (-)-Ketoprofen (+)-Ketoprofen (analgesico e antiinfiammatorio) (analgesico) (antiinfiammatorio)

Drug Design (SAR) L’enantiomero (-) della norepinefrina e ancora….. L’enantiomero (-) della norepinefrina è 70 volte più attivo di quello (+) come broncodilatatore Norepinefrina (Noradrenalina) L’enantiomero (+) della muscarina è 700 volte più attivo di quello (-) come agonista muscarinico Muscarina

Drug Design (SAR) 2) Introduzione di nuovi sostituenti Può causare cambiamenti drastici nelle proprietà della molecola (lipofilicità, restrizioni conformazionali, etc…); Può inoltre introdurre un nuovo pathway metabolico nell’analogo e quindi influenzarne la farmacodinamica. PRINCIPALI SOSTITUENTI : Gruppi metilici (-CH3): aumento della lipofilicità e dell’assorbimento; imposizione di restrizioni conformazionali; aumento del metabolismo per ossidazione o demetilazione. 2) Gruppi alogeni: aumento della lipofilicità ma maggiore accumulo nei tessuti. Gruppi ossidrili (-OH): aumento della solubilità in acqua; possibilità di formazione legami H; influenza sull’interazione con il sito target.

Drug Design (SAR) 4) Gruppi basici (-NH2): presenti in ammine (non aromatiche), ammidine e guanidine; formazione di sali nei fluidi biologici; minore lipofilicità e aumento della solubilità in acqua; possibilità di formazione legami H; influenza sull’interazione con il sito target. 5) Gruppi acidi carbossilici e solfonici (-COOH e –SO3H): aumento della solubilità in acqua; formazione di sali “in vivo”; maggiore facilità nell’eliminazione (-SO3H). 6) Tioli, solfuri e altri gruppi contenenti zolfo: scarsamente usati negli studi SAR a causa dell’elevata reattività metabolica; facile ossidazione; capacità di chelazione dei metalli.

Drug Design (SAR) 3) Modifica dei sostituenti presenti nella struttura di un lead Analoghi vengono sintetizzati sostituendo uno dei gruppi con un altro gruppo funzionale scelto in base all’obiettivo da raggiungere (maggiore potenza, selettività, diversa PK, solubilità, etc… ) Definizione di ISOSTERI: Isosteri classici: Atomi, ioni o molecole nei quali gli strati periferici degli elettroni possono essere considerati identici (Erlenmeyer). Bioisosteri (o isosteri non classici): Composti che sono in accordo con la più ampia definizione di isosteri, e hanno lo stesso tipo di attività biologica (Friedman). In generale si possono definire come “gruppi o molecole che hanno similitudini chimiche e/o fisiche che danno luogo a simili proprietà biologiche”

Drug Design (SAR) N.B. Gli isosteri dello stesso gruppo Isosteri classici -CH3, -NH2, -OH, -F, -Cl -Cl, -SH, -PH2 -Br, CH(CH3)2 -CH2-, -NH-, -O-, -S- -COCH2R, -CONHR, -COOR, -COSR -HC=, -N= Negli anelli: -CH=CH-, -S- -O-, -S-, -CH2-, -NH- -CH=-, -N- N.B. Gli isosteri dello stesso gruppo sono raggruppati per linee orizzontali

Drug Design (SAR) Bioisosteri

Drug Design (SAR) Molti farmaci sono stati scoperti mediante scambi di isosteri e bioisosteri 5-Fluorouracile (antitumorale) Uracile 6-Mercaptopurina (antitumorale) Ipoxantina A volte la sostituzione porta a nuovi composti con diversa attività biologica Fenotiazine (neurolettici) Dibenzoazepine (antidepressivi)