La Chimica Farmaceutica nel processo della scoperta di un farmaco

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1 La Chimica Farmaceutica nel processo della scoperta di un farmaco
La chimica farmaceutica èuna disciplina basata sulla chimica, che riguarda anche aspetti delle scienze biologiche, mediche e farmacologiche. Si occupa dell’invenzione, scoperta, progettazione, identificazione e preparazione di composti biologicamente attivi. Si interessa inoltre dello studio del loro metabolismo, dell’interpretazione del loro meccanismo di azione a livello molecolare e di stabilire le relazioni struttura-attività Stage-by-stage quality assessment to reduce costly late-stage attrition.   Typical important milestones are VALIDATED HIT SERIES (VHS), LEAD SERIES IDENTIFIED (LSI) and clinical candidate selection (CCS), which ensure that only drug candidates with an appropriately high-potential profile are advanced to the next phase. dall’hit al lead ottimizzazione del lead 1

2 Hits Identification Identificare hits per un nuovo bersaglio comporta la progettazione di una vasta gamma di piccole molecole strutturalmente diverse che vengono sottomessa ad un test in vitro. Alternativamente, le piccole molecole possono essere esaminati per il loro potenziale per modulare un processo biologico considerati critici nella malattia o in cui il bersaglio è pensato di svolgere un ruolo importante. Grazie alla miniaturizzazione e la robotica, il numero di composti che possono essere proiettati è notevolmente aumentato e diversi mille di composti possono essere sintetizzati in 1 giorno.

3 Current strategies used by different biotech or pharma to identify new hits
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4 SINTESI: Tre approcci Le strategie impiegate di solito nel settore della chimica di sintesi possono essere classificati in tre approcci che si distinguono per la cronologia, la filosofia, e la copertura dello spazio chimico (un concetto astratto che considera l'insieme di tutte le possibili molecole sintetiche come uno spazio tridimensionale). Questi possono essere più facilmente compreso e rappresentato visivamente, come dimostrato L'approccio più semplice è noto come sintesi target-oriented (TOS), ed è proprio classico chimica di sintesi in cui viene identificato un singolo composto di interesse e di sintesi. E 'la più antica e consolidata metodo, e ha il vantaggio di un algoritmo di planning potenti conosciuti come analisi retrosintetica [1]. E 'anche la meno varia e meno scalabile metodo, per definizione, che copre un solo punto (molecola) nello spazio chimico per ogni schema sintetico impiegato. TOS è ancora una parte essenziale del repertorio del chimico quando il composto è noto, ma il suo tempo e la natura alta intensità di lavoro lo rende poco adatto per la scoperta di nuovi composti.

5 L'approccio più semplice è noto come sintesi target-oriented (TOS), ed è proprio classico chimica di sintesi in cui viene identificato un singolo composto di interesse e di sintesi. E 'la più antica e consolidata metodo, e ha il vantaggio di un algoritmo di planning potenti conosciuti come analisi retrosintetica [1]. E 'anche la meno varia e meno scalabile metodo, per definizione, che copre un solo punto (molecola) nello spazio chimico per ogni schema sintetico impiegato. TOS è ancora una parte essenziale del repertorio del chimico quando il composto è noto, ma il suo tempo e la natura alta intensità di lavoro lo rende poco adatto per la scoperta di nuovi composti. All'interno di questi ultimi decenni, i chimici hanno tentato di superare questi limiti attraverso lo sviluppo di un approccio noto come la chimica combinatoria. Il segno distintivo della chimica combinatoriale è la sintesi di librerie di grandi dimensioni - a volte con decine di migliaia di membri - di composti che possono poi essere sottoposti a screening per l'attività biologica. chimica combinatoria è stata facilitata dallo sviluppo di tecnologie avanzate di sintesi su microscala e high-throughput / tecniche di analisi, e ha promesso di rivoluzionare l'industria farmaceutica attraverso un notevole aumento della quantità di spazio chimico interrogato da un unico regime. Tali affermazioni si sono rivelate in gran parte inesatte, come librerie combinatoriali normalmente incentrate sul cambiando solo la stereochimica o "appendice" architettura di una determinata parte, e quindi non raggiungere true diversity strutturale; rather, ma solo di TOS espandersi oltre la space chemical immediatamente che circonda l' sottostante scheletro di sintesi [2]. Il più recente (e attualmente più promettente) tentativo di migliorare le carenze della chimica combinatoria è un approccio noto come sintesi di diversità-oriented (DOS), che mira a correggere il difetto fondamentale nella chimica combinatoriale producendo variazioni di grandi dimensioni (che è, alto diversità) in scheletri di elementi sintetici. DOS è meglio compreso come iterativo chimica combinatoriale: una libreria di molecole con scheletri simili è sintetizzata come nel tradizionale chimica combinatoriale, e Questi composti sono quindi utilizzati come substrati per la generazione successiva di nuove libraries. In questo modo, un unico sistema DOS può comprendere in modo esponenziale lo spazio più chimico che sia TOS o chimica combinatoria [3 *]. Una varietà di metodi sono stati adottati per il conseguimento di tale diversità, e di maggior successo sono venuti da l'interfaccia di chimica e biologia. Spazio chimico: spazio virtuale dove le dimensione sono “descrittori” di caratteristiche strutturali o chimico-fisiche (formula bruta, tavola di connessione molecolare, polarità (logP), volume molare, numeri di legami liberi di ruotare..) Lo spazio chimico da una idea della diversità molecolare

6 Sintesi target orientata
Sintesi Aprepitant (antagonista dei recettori neurochinina-1: NK1, antidepresivo e antiemetico) A B

7 Sintesi del frammento A

8 Sintesi frammento B e A-B
Accoppiamento A-B Frammento B

9 Sintesi finale

10 CHIMICA COMBINATORIALE
Chimica combinatoriale Metodica atta alla preparazione, rapida e spesso automatizzata, di un insieme di molti composti più o meno correlati, al fine di verificare se essi possiedano determinate proprietà farmacologiche (catalitiche, ottiche ecc.). Lo scopo è quello di effettuare uno screening più completo possibile di strutture molecolari o di altro tipo, in modo da individuarne alcune meritevoli di un ulteriore e più mirato studio, e di ottenere informazioni utili riguardo la relazione tra la struttura e le proprietà dei composti. I larghi insiemi di composti vengono designati comunemente con il termine inglese library. ha avuto origine nel campo dei peptidi Anche se essa è usata per preparare molecole di tutti tipi, può essere utile utilizzare gli oligopeptide come esempio per comprendere le strategia e le tecniche della chimica combinatoria in fase solida La SPOS consiste in attaccare un substrato ad un supporto solido (beads o resine) rendendo la reazione eterogenea e favorendo il work-up e la purificazione dei prodotti finali 10

11 Sintesi Combinatoria: Alcuni concetti
Una libreria combinatoriale è una singola entità composta da diversi individui preparate in diversi formati attraverso l’uso di differenti tecniche Un libreria primaria ( ) è basata nella diversità e la sua costruzione ha come scopo la identificazione di hits di target da cui c’è poca o nessuna informazione strutturale Una libreria focalizzata ( ) è un set di composti simili creata allo scopo d’individuare e ottimizzare un lead d’un target per il quale esiste informazione strutturale

12 STRUCTURAL MOTIFS Uno scaffold è l’elemento comune contenuto in tutti gli individui della libreria può essere un legame chimico ripetuto (librerie oligomeriche o peptides), può essere un gruppo funzionale (librerie de gunidine substituite), può essere un frammento ciclico, (librerie di derivati benzodiazepinici) Un building block è un reagente usato durante la sintesi di una libreria Una struttura privilegiata (privileged structures) è un frammento strutturale capace di provvedere ligandi per una varietà di targets molecolare non relazionati fra di loro Un punto di randomization è una posizione dove un monomero può essere inserito in una libreria durante la costruzione dello scaffold o dove può essere accoppiato ad un preesistente scaffold per produrre componenti della librerie contenendo tutte le possibile combinazione d’un monomero selezionato

13 CRITERI PER SCEGLIERE I MEMBRI DI UNA LIBRERIA
Progettazione razionale Costo e disponibilità commerciale dei reagenti Compatibilità dei reagenti con la chimica usata per la sintesi Grado di diversità dei vari membri della libreria (occupazione dello spazio chimico) Difficoltà di brevettazione Drug likeness (le molecole che godono di un’alta probabilità di sopravvivenza sono dette “DRUG-LIKE” )

14 TIPI DE LIBRERIA Librerie generiche: vengono preparate senza avere in
mente uno specifico target biologico su cui testarle Librerie dirette ad una famiglia di target biologici (ad es. chinasi, proteasi seriniche, etc.) Librerie dirette ad uno specifico target biologico Librerie preparate per ottimizzare un hit Librerie preparate per ottimizzare un lead

15 Anche se l Sintesi Combinatoriale è usata per preparare molecole di tutti tipi, può essere utile utilizzare gli oligopeptide come esempio per comprendere le strategia e le tecniche della chimica combinatoria in fase solida La SPOS consiste in attaccare un substrato ad un supporto solido (beads o resine) rendendo la reazione eterogenea e favorendo il work-up e la purificazione dei prodotti finali

16 Sintesi combinatoriale: POOL SYNTHESIS
Supponiamo di voler preparare tutti i possibili esapeptidi, allo scopo di trovare quelli che meglio si legano ad un target (anticorpo, enzima, recettore, etc.). Il numero totale di prodotti è 206 = 64 milioni. Una soluzione per diminuire il numero di sequenze è quello di preparare i composti non separatamente, ma in "pools" più o meno grandi, eseguendo poi il test non su uno specifico composto, ma su un intero "pool" La quantità relativa dei vari componenti un dato pool potrebbe non essere uguale L'analisi di binding in miscela può essere utile solo quando le differenze di binding tra peptidi "buoni" e peptidi "cattivi" sono molto elevate. Altrimenti un pool con 10 peptidi che danno binding moderato può dare la stessa risposta di un pool con un solo composto che dà forte binding Se si trova un "hit" è necessario ripetere la sintesi di pool più piccoli (deconvoluzione) per poter conoscere la struttura dell'"hit"

17 Metodo “split/couple/mix”
Rimescolando tutte le palline e staccando il dimero dalla resina, otterrò una miscela perfettamente equimolare di tutti e 9 i composti. La situazione sopra mostrata è "idealizzata". Nella realtà c'è un problema: Le palline sono piccole (diam. tipico = 500 μm) e non sono riconoscibili. Inoltre normalmente n (numero di differenti building blocks o "diversomeri") è molto più grande di 3 ed il numero di frammenti (m) maggiore di 2. Quindi nella fase di split (D): a) è difficile prendere esattamente n palline; b) è impossibile prendere n palline diverse. Statisticamente (distribuzione di Poisson), se uso un numero di palline (x) = n, avrò: 37% di palline mancanti 37% di palline prese 1 volta 20% di palline prese 2 volte 6% di palline prese 3 volte La soluzione è usare x >> n. Se x = 10n, praticamente ho uno split perfetto. In realtà, per motivi di costo, si usano spesso valori più bassi (x = 2-5 volte n) anche se così si può perdere il 2-5% di possibili prodotti. Il metodo split/couple/mix è eccezionalmente utile per la sintesi combinatoriale in fase solida. Anch'esso presenta però alcuni difetti: A) Se si vuole condurre un test su singoli composti, si può sfruttare il concetto "one bead, one compound", ma ogni bead contiene una quantità piccola (dell'ordine dei microgrammi) di prodotto. B) Per essere sicuri di ottenere tutti i possibili prodotti bisognerebbe usare un numero di beads molto superiore allo stechiometrico (10 volte) C) Per essere sicuri di testare tutti i prodotti bisognerebbe testare tutte le palline ottenendo quindi una ridondanza di risultati positivi D) Per poter riconoscere i composti bisogna adottare tecniche di tagging a livello molecolare aggiungendo così ulteriori stadi sintetici nella sintesi. E) Il riconoscimento del tag non è immediato ma richiede ulteriori lavorazioni Alcuni di questi problemi possono essere risolti (però con un maggior costo) con due tecniche generali che possono essere accomunate dal termine "directed sorting": 1) Uso di supporti macroscopici ("Lanterns" etc. 2) Uso di contenitori macroscopici porosi ("Tea-bags", "Micro-Kans" etc.)

18 Identificazione dei composti biologicamente attivi: il processo deconvolutivo
Dopo la sintesi il test ha evidenziato che il composto attivo si trova nella seconda sublibreria, ovvero quella in cui tutte le sostanze hanno come ultimo sostituente Y A questo punto si ripete la sintesi dei nove dimeri, che vengono tutti accoppiati con Y In questo caso il test delle tre sub-sub-librerie evidenzia che il composto attivo si trova nella prima, quindi in penultima posizione conterrà il monomero X A questo punto si prendono i tre monomeri X Y e Z attaccati alla resina e si accoppiano prima con X e poi con Y

19 I supporti solidi macroscopici
Vantaggi rispetto alle resine: loading elevato (nell’ordine delle micromoli) e costante al termine della sintesi ogni supporto contiene un solo composto facili da maneggiare non è necessaria vetreria particolare possibilità di introdurre un tagging a radiofrequenza Svantaggi rispetto alle resine: elevato costo maggiore fragilità reazioni solitamente più lente compatibilità con solvente relativamente limitata

20 Identificazione dei composti biologicamente attivi: il TAGGING
La possibilità di attaccare ad ogni perlina di resina (Merrifield, TentaGel..) o ad ogni supporto solido (Lantern, Crown...) una targhetta su cui scrivere le strutture dei vari building-blocks utilizzati per preparare il prodotto finale………. Al termine della sintesi basterebbe leggere cosa c’è scritto sulla targhetta per conoscere la struttura del prodotto ottenuto Il TAGGING è proprio l’equivalente microscopico di una targhettatura Il caso più semplice è quello dei supporti solidi, dove è possibile applicare un vero e proprio codice colorato o a radiofrequenza Nel caso delle resine, invece, è necessario procedere per via chimica Sintesi codificata (tag synthesis). Lo schema di sintesi descritto precedentemente può essere utilizzato come tale solo con

21 il TAGGING Chimico

22 photholitographic method
Identificazione dei composti biologicamente attivi: approccio toposintetico (spatially adressable libraries) tea bag synthesis multipin synthesis photholitographic method I primi esempi di questa tecnica usavano dei sacchetti tipo “teabags”. In seguito si sono usati recipienti più solidi di polipropilene o teflon che lasciano passare solventi e reagenti e che possono essere agevolmente manipolati con robot, in maniera che l’intera procedura possa essere automatizzata. L’esempio più noto sono i MicroKansAccoppiano il vantaggio dei supporti macroscopici con il vantaggio dell’economicità e dell’elevato loading dei beads. I beads sono contenuti in un recipiente poroso che li trattiene. Il tag è fissato sul recipiente (solitamente è un codice a barre o un chip a radiofrequenza). Alla fine ogni recipiente conterrà 1 solo prodotto. L’operatore può liberamente scegliere il numero di beads per recipiente. Metodo fotolitografico. Questo metodo, nel quale vengono combinate la tecnica fotolitografica e quella fotochimica, è particolarmente adatto per la sintesi di polipeptidi, oligonucleotidi e prodotti analoghi. Si possono utilizzare vetrini da microscopio di vetro borosilicato sui quali vengono ancorati i monomeri protetti con un proteggente che si può eliminare per fotolisi. L'uso di maschere protettive permette la attivazione e quindi la successiva reazione di zone ben definite del supporto. Il numero dei prodotti che si possono sintetizzare è limitato solo dalla risoluzione, che deve permettere di identificare chiaramente due siti contigui. Al termine ilvetrino è esposto alla interazione con il recettore usualmente accoppiato ad un prodotto fluorescente. Dopo accurato lavaggio, la scansione con un microscopio a fluorescenza permette di identificare il prodotto attivo la cui struttura è definita dalla sua posizione sulla lastrina. Il metodo è stato miniaturizzato: in questo caso è essenziale raggiungere una buona risoluzione tra siti di sintesi contigui; si possono avere siti di sintesi distinguibili in uno spazio di un centimetro quadro. Questa tecnica sviluppata dalla Affimax è anche nota sotto il nome di VLSIPS (very large scale immobilized polimer synthesis).

23 SINTESI IN PARALLELO La sintesi in parallelo è una tecnica largamente utilizzata dai ricercatori per accelerare la scoperta di nuovi prodotti e per monitorare le condizioni del processo. Nel settore farmaceutico, la sintesi in parallelo rende più rapida la scoperta e lo sviluppo di potenziali farmaci. la sintesi parallela implica la esecuzione di esperimenti multipli in parallelo attraverso una maggiore comprensione delle fasi di sintesi e delle condizioni di processo (temperatura, concentrazione, reagenti, tempi di reazione e catalizzatori).

24 Sintesi parallela in soluzione
Quando si concepisce e si sviluppa una sintesi parallela in soluzione bisogna pensare in un’ottica che favorisca al massimo l’automazione nella rimozione dei reagenti in eccesso e dei prodotti collaterali della reazione STRATEGIE Uso di scavenger supportati Uso di reagenti supportati Sopportazione transiente degli intermedi (catch and release) Uso di reagenti eliminabili per semplice evaporazione Sintesi su fase solida il prodotto desiderato è ancorato alla resina Sintesi in soluzione : il prodotto rimane in soluzione, mentre l’eccesso dei reagenti ed i prodotti collaterali vengono ancorati alla resina “scavenger”

25 Sintesi di acidi idrosamici in soluzione

26 Metodo “split/couple/mix”: Una libreria di diidropiridine

27 Sintesi libreria di peptoide
Ki (α1-adrenergic receptor) = 5 nM Ki (μ-specific opiate receptor) = 6 nM

28 Sintesi di aril-piperazine

29 (split/couple/mix o paralella)
E’ necessario effettuare dei passaggi addizionali per la supportazione ed il cleavage finale Il gruppo funzionale e/o il linker limitano le condizioni di reazione applicabili Non tutte le reazioni funzionano su fase solida altrettanto bene che in soluzione (reazioni eterogenee) L’ottimizzazione del metodo è più difficile in se le tecniche analitiche (TLC, GC, HPLC, NMR) sono applicate solo in soluzione Il costo delle resine può essere gravoso, specie se si lavora su scala non piccolissima Impiegando il metodo split/couple/mix è possibile ridurre il numero di step sintetici La purificazione dei prodotti intermedi è semplice e automatizzabile (bastano dei lavaggi) E’ possibile usare un eccesso di reagenti senza problemi di purificazione Le condizioni sono di pseudo-alta diluizione FASE SOLIDA Sintesi in FASE SOLIDA (split/couple/mix o paralella) Sintesi in SOLUZIONE (Parallela) Sulla base di queste considerazioni la sintesi parallela in soluzione può risultare vantaggiosa in molti casi Quindi la sintesi su fase solida è ideale per sintesi di grosse librerie di composti in piccola quantità, comportanti diversi passaggi sintetici, ma basate su una chimica ben assodata (ad es. sintesi di peptidi). La sintesi in soluzione può però divenire competitiva per librerie più piccole su più larga scala, la cui sintesi richiede una chimica più originale: lo svantaggio di eseguire più reazioni discrete è compensato da minori tempi di ottimizzazione e da un minore costo totale. Un notevole grado di automazione è però indispensabile anche per le sintesi parallele in soluzione! Sono da evitare le separazioni cromatografiche degli intermedi e, possibilmente, anche le estrazioni liquido-liquido

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31 Il gruppo dimetossitritile blocca l'OH 5' del primo nucleoside mentre esso è legato al supporto solido, attraverso l'OH 3' Rimozione del gruppo tritile con acido Cl3CCOOH Nella fase di allungamento le basi vengono aggiunte come fosforoamiditi I gruppi OH 5' non reagiti vengono "incapucciati" con anidride acetica L'estere fosfitico viene ossidato al più stabile fosfodiestere (fosfato)

32 Aptameri sono brevi sequenze di DNA, RNA, o peptidi che si legano a un target specifico
Essi rivalizano con gli anticorpi in specificità e sensibilità nel binding, ma offrono molti altri vantaggi come la facilità di sintesi, ampiezza di potenziali obiettivi, il miglioramento di stoccaggio, e la mancanza di immunogenicità Aptameri sono in genere scoperti eseguendo varie tornate di arricchimento su un pool eterogeneo di sequenze per trovare quella molecola che si lega più forte al bersaglio Today, we are able to select DNA and RNA molecules able to bind any small molecule. Because one obtaines not a single molecules but a variety of binding molecules, by comparing their binding motifs one get a deep insight into the prerequisites for efficient binding. If we look at the citrulline binding aptmer and we compare this aptamer with others that bind citrulline one can determine the conserved nucleobases, which are indicated in the picture with capital letters. Variable positions are labeled with small letters. Additional mutation studies can help us to decipher which residues are primarily important for the binding event. Particularly one can find out which residues change the binding selectivity from arginine to citrulline. These critical selectivity determining residues are indicated with circles. These RNA aptamers behave consequently similar to proteins. Another smilarity is that most aptamers use an induced fit mechanism for binding. One can also learn that the aptamers can be rather small molecules. This and the ability for high selectivity has triggered interest to use aptamers for diagnostic applications.

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34 SELEX

35 ……e parlando della specificità dei anticorpo
…. una nueva idea “DNA-encoded library”

36 DNA-encoded library displaying chemical compounds
DNA-encoded library displaying chemical compounds Schematic representation of DNA-encoded library displaying chemical compounds directly attached to oligonucleotides. a) Library generated by “stepwise combinatorial” assembling presenting a single oligonucleotide covalently linked to a putative binding molecule. b) Library construct in “combinatorial self-assembling” fashion (Encoded Self-Assembling Chemical library). Multiple pairing oligonucleotides display a covalently linked binding molecule Multiple pairing oligonucleotides display a covalently linked binding molecule A single oligonucleotide covalently linked to a putative binding molecule

37 La rapida identificazione di ligandi ad un numero sempre crescente di target biologici è una grande sfida tecnologica nelle scienze della vita. Esistono due limiti fondamentali nei high-throughput metodi di screening mirate (i) il requisito che ogni target deve successivamente essere analizzati con le librerie di potenziali ligandi (limiti di dosaggio di throughput), e (ii) la dipendenza generale sugli target immobilizzati o l’aggiunta di ligandi immobilizzati , lavaggio, e / o fasi di eluizione è una fonte di artefatti. Un metodo in soluzione per rivelare simultaneamente tutte le coppie di legame ligando target da una singola soluzione contenente librerie di leganti e librerie di target potrebbe superare entrambi i limiti e aumentare significativamente l'efficienza e l'efficacia di screening. IDPCR si basa sulla differenza di temperatura di fusione tra il DNA duplex intramolecolare e quello intermolecolari. Il legame di un target per il suo ligando aumenterebbe l'effettiva molarità di oligonucleotidi a singolo filamento di DNA legati al bersaglio e ligando, promuovendo la formazione di duplex tra le regioni complementari su ogni strand di DNA che sono altrimenti troppo breve per ibridare. Il harpin risultante serve quindi come un punto di partenza per la primer extension. Fondamentalmente, solo il harpin appena esteso contiene in un unico filamento di DNA due primer (o primer-binding) sequenze che consentono la successiva amplificazione PCR. IDPCR quindi determina l'amplificazione selettiva di quelle sequenze di DNA precedentemente collegati , e quindi codificanti, alle coppie ligando-target.

38 MULTIDIVERSITY GENERATING REACTIONS
In una sintesi tradizionale (o “lineare”) gli elementi di diversità sono aggiunti sequenzialmente Gli stadi sintetici che aumentano la diversità possono essere chiamati “diversity generating reactions”: in questo caso essi prevedono l’unione di non più di 2 input di diversità E’ possibile però concepire e realizzare una sintesi in cui più di 2 fattori di diversità si uniscano in un solo stadio sintetico vantaggio di una MDGR è abbastanza ovvio: riduce il numero globale di stadi sintetici. Il rovescio della medaglia è che, se la sintesi è in fase solida, non può sfruttare il vantaggio del metodo split/couple/mix. Pertanto le MDGR sono particolarmente utili per sintesi in soluzione. Questo particolare stadio può essere definito una “multi diversity generating reaction” (MDGR)

39 REAZIONE MULTICOMPONENTE (MCR): una reazione in cui 3 o più componenti vengono mescolati per dare origine ad un prodotto che contiene parti essenziali di tutti i componenti usati Quasi tutte le reazioni multicomponente sono assimilabili a due casi generali (o ad una combinazione di essi) Questa non è una reazione multicomponente in senso stretto, ma è sicuramente una "multi diversity generating reaction" in quanto i tre reattivi possono essere modificati (si possono usare vari diversomeri)

40 REAZIONE MULTICOMPONENTE DE TIPO A
Appartengono a questo gruppo le reazioni multicomponente che procedono attraverso la condensazione di nucleofili azotati con composti carbonilici

41 REAZIONE MULTICOMPONENTE DE TIPO B
Gli isonitrili ed i carbeni sono dei particolari substrati bifunzionali che possono reagire con un elettrofilo e con un nucleofilo: substrati ideali per MCR di tipo B. I due nuovi legami si possono formare in uno stadio concertato oppure può avvenire prima la reazione con l'elettrofilo e poi quella con il nucleofilo La reazione multicomponente con isonitrili più antica è quella di Passerini (1921):

42 reazioni di Ugi e Passerini
La reazione di Ugi (1959) è una combinazione di una multicomponente di tipo A con una multicomponente di tipo B Tipologia reazioni di Ugi e Passerini La realizzazione di una reazione del genere è possibile solo quando il nucleofilo Nu1 e l'elettrofilo E1 non sono in grado di reagire indipendentemente. Infatti in tal caso il substrato sarebbe chiaramente instabile e reagirebbe con se stesso. Nella Ugi e nella Passerini la funzione elettrofila si "attiva" solo dopo la reazione della funzione nucleofila (Ugi) o contemporaneamente ad essa (Passerini)

43 Application of the Ugi Multicomponent Reaction
A library of therapeutically used local anesthetics

44 Identificazione d’hit e/o lead : ricorso a fonti naturali
DifferenzaDopo un periodo di declino, ( ), ripresa della ricerca basata sui prodotti naturali per diverse ragioni : Total natural-products patents are shown in gold. The data are for all worldwide grants for patents claiming composition-of-matter or use of small-molecule natural products as pharmaceuticals. A single natural product can give rise to several patents based on filings in multiple countries, or for multiple indications. Original natural-product patents are shown in orange. The data are for all first-time grants of patents claiming novel composition of small-molecule natural products as pharmaceuticals. These statistics were derived by systematic search of the Derwent World Patents Index. 44

45 Prodotti naturali Ampia varietà strutturale per ampia gamma
d’indicazioni terapeutiche Prodotti naturali Natural products have become effective drugs in a wide variety of therapeutic indications, as illustrated by the compounds shown, which modulate a diverse range of targets. HMG Co-A, 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A. 45

46 strutturale per una indicazione terapeutiche
Ampia varietà strutturale per una indicazione terapeutiche Microtubules, dynamic assemblies of the protein tubulin, are essential components of cells involved in mitosis. The natural products shown here inhibit cellular proliferation by disrupting tubulin polymerization and de-polymerization by different binding mechanisms. 46

47 Processi chimici per la scoperta di prodotti naturali biologicamente attivi
Chemical process for natural product discovery.   The natural product is extracted from the source, concentrated, fractionated and purified yielding essentially a single biologically active compound. Identification of known compounds, thereby avoiding replication of previous efforts, has been greatly aided by directly coupled HPLC-mass spectrometer (LC-MS) systems and natural-product databases57. De novo structure determination of compounds that are novel has been revolutionized by advances in spectroscopic techniques, particularly in high-resolution nuclear magnetic resonance technologies. Although the determination of complex structures is technically challenging, it is no longer a major impasse in the drug discovery process. In those cases in which the biological activity profile meets criteria for potency and selectivity, preliminary structure–activity relationship (SAR) studies are conducted and the purification process is scaled up. Once the feasibility of modulating biological response through synthetic modification is established, the hit is declared a lead and proceeds onward for additional optimization by traditional medicinal chemistry. 47

48 Frazionamento guidato da un biosaggio
Identificazione dei prodotti naturali attraverso un sistema basato nell’affinità a colonne cromatografiche ad alta performance A B Affinity-based identification system for natural products. Affinity selection is performed on the first column of this high-performance liquid chromatography-based system. Selected compounds are resolved into single components on the second column, which are then interrogated by a series of detectors. A combination of UV spectra and molecular mass leads to the identification of known compounds, whereas more extensive structural information is obtained for unknowns using tandem MS and NMR. MS, mass spectrometry; NMR, nuclear magnetic resonance; PDA, photodiode array; UV, ultraviolet Generic scheme for bioassay-guided fractionation.   Several cycles of fractionation are usually needed to obtain a pure compound. Multiple active components can illuminate structure–activity relationships. HP20, a solid-phase adsorber; HPLC, high-performance liquid chromatography; IR, infrared spectroscopy; LC/MS, liquid chromatography/mass spectrometry; NMR, nuclear magnetic resonance; UV, ultraviolet. Frazionamento guidato da un biosaggio 48

49 Alto numero de funzioni chimicamente sensibili
Discodermolide inibisce la proliferazione cellulare arrestando il ciclo cellulare nelle fase G2 e M: iperestabilizza il microtubuli durante la divisione cellulare originando arresto del ciclo e morte cellulare apoptotica IC50 = 3-80 nM in diverse linee cellulare umane di cancro 13 centri stereogenici Alto numero de funzioni chimicamente sensibili (+)-Discodermolide represents a daunting target for large-scale chemical synthesis, by virtue of its 13 stereogenic centres and high degree of chemically sensitive functionality. Following the initial report of its isolation, the compound quickly became a target for several academic groups, and several successful syntheses were reported. The first was achieved by Schreiber et al., who synthesized both enantiomers103. Schreiber's work enabled the assignment of the absolute stereochemistry and provided valuable structure–activity relationship (SAR) data. Later syntheses by Smith104, Paterson105 and others succeeded in improving efficiency, yield and economy. Finally, by blending the common precursor methodologies developed in the gram-scale synthesis reported by Smith104 with chemistry developed in syntheses of the Paterson105 and Marshall groups106, the team at Novartis succeeded in synthesizing 60 g of (+)-discodermolide107, 108, 109, 110, 111. The remarkable story of (+)-discodermolide — from the initial isolation of a novel, complex and rare natural product, to the successful production of a clinical drug substance — is testimony to the power of combining modern natural-product, synthetic and process chemistry to overcome supply problems Discodermolide è un esempio del potere che ripresenta la combinazione delle tecniche di isolamento, caratterizzazione e sintesi dei prodotti naturali con i processi chimici nella risoluzione dei problemi derivati dalla complessità strutturale dei prodotti naturale

50 Mimetici di prodotti naturali: un approccio alla semplificazione
Variazione sistematica dei residui amimoacidici Sepsipeptide ciclico un potente e selettivo inibitore della adesione cellulare Mimetici di prodotti naturali: un approccio alla semplificazione Agenti antitumoral Systematic variation of the individual amino-acid residues (side chains) allows the pinpointing of structural features essential for biological activity. An elegant application of a combination of such processes was used to probe the crucial features of HUN-7293, a naturally occurring cyclic depsipeptide that is a potent and selective inhibitor of cell-adhesion molecule expression. In an approach referred to as 'systematic chemical mutagenesis' (see figure), Boger and co-workers explored the effect on biological activity (both potency and selectivity) of simplifying each of the seven residues of HUN-7293, including removal of N-methyl groups93. These experiments provided a greater understanding of the structural requirements for maintaining specific biological activity.Synthetic mimetics Understanding the binding interactions of the natural product and the target can lead to a model for synthetic mimetics. An example of this approach to mimetics of the cryptophycin antitumour agents utilized an azepine scaffold to which residues were attached that resembled the overall geometry in the natural product94. A synthetic strategy was developed that allowed compounds such as the one shown in the figure to be prepared in reasonable overall yield. In this process, the stereochemical arrangement of the side chains and side-chain composition were studied to optimize the biological response.

51 Spazi chimici definiti per i diversi composti sintetici, naturali farmaci