QSAR - Chimica Farmaceutica PDF

Chimica Farmaceutica QSAR  Chimica Farmaceutica QSAR Correlazione tra attività biologica di una serie di composti e i loro parametri chimico-fisici in maniera quantitativa utilizzando formule matematiche Misure q...

Chimica Farmaceutica QSAR  Chimica Farmaceutica QSAR Correlazione tra attività biologica di una serie di composti e i loro parametri chimico-fisici in maniera quantitativa utilizzando formule matematiche Misure quantitative di proprietà fisico-chimiche e biologiche Proprietà fisico-chimiche Idrofobicità della molecola Idrofobicità di sostituenti Proprietà più Proprietà elettroniche dei sostituenti comunemente studiate Proprietà steriche di sostituenti QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Idrofobicità di una molecola P elevato [Farmaco]ottanolo Coefficente di partizione P = [Farmaco]acqua Elevata idrofobicità Attività di farmaci spesso legata a P (e.g. legame del farmaco all’albumina) Aumento del binding con l’aumento del log P Binding maggiore per farmaci idrofobici Log (1/C)...... ( C) = Log 1 0.75 log P + 2.30... Retta per un limitato intervallo di log P 0.78 3.82 Log P QSAR  Chimica Farmaceutica Idrofobicità di una molecola Attività anestetica generale di eteri (curva parabolica - più ampia gamma di valori di log P) Log (1/C) = -0.22 (log P)2 + 1.04 log P + 2.16 Log (1/C) Valore ottimale di log P per l’attività anestetica = log Po o Log P Log P Quando P è piccolo, il termine (Iog P)2 è molto piccolo e l'equazione è dominata dal termine log P. Questa rappresenta la prima parte del grafico in cui l'attività aumenta con l'aumentare P. Quando P è elevato, il termine (Iog P)2 è più significativo e “annulla” il termine log P. Ciò rappresenta l'ultima parte del grafico in cui l'attività scende all'aumentare P. QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Idrofobicità di una molecola Attività anestetica generale di eteri (curva parabolica - più ampia gamma di valori di log P) Log (1/C) = -0.22 (log P)2 + 1.04 log P + 2.16 Log (1/C) Valore ottimale di log P per l’attività anestetica = log PO o Log P Log P Equazioni QSAR: applicabili solo a composti della stessa classe strutturale (i.e. eteri). Log PO: simile per anestetici di diverse classi strutturali (circa 2.3) Strutture con logP ca. 2.3: capacità di accedere al sistema nervoso centrale facilmente (i.e. barbiturici potenti logP di circa 2.0) Modifiche del valore di logP di farmaci per evitare gli effetti collaterali a carico del sistema nervoso centrale (logP molto diverso da 2.0) QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Idrofobicità dei sostituenti CONSTANTE d’IDROFOBICITÀ dei SOSTITUENTI (p) Misura dell’idrofobicità relativa di un sostituente rispetto all'idrogeno Valori tabulati per sostituenti alifatici e aromatici Misurato sperimentalmente con confronto dei valori di logP con il logP della struttura parente πX = log PX – log PH Cl CONH2 Benzene Chlorobenzene Benzamide (Log P = 2.13) (Log P = 2.84) (Log P = 0.64) pCl = 0.71 pCONH2= -1.49 Valori positivi: sostituenti più idrofobici di H Valori negativi: sostituenti meno idrofobici di H QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Idrofobicità dei sostituenti CONSTANTE d’IDROFOBICITÀ dei SOSTITUENTI (p) CH3 tBu OH OCH3 CF3 Cl Br F π alif 0.50 1.68 -1.16 0.47 1.07 0.39 0.60 -0.17 π arom 0.52 1.68 -0.67 -0.02 1.16 0.71 0.86 0.14 Il valore di π è valido per strutture simili (‘parenti’) È possibile calcolare il logP usando i valori di π Cl Log P(theory) = log P(benzene) + pCl + pCONH2 = 2.13 + 0.71 - 1.49 = 1.35 CONH2 Log P (observed) = 1.51 meta-Chlorobenzamide Equazione QSAR: può includere sia P che π P è relativo all'importanza dell’idrofobicità complessiva della molecola (rilevante per assorbimento, legame, ecc) π identifica specifiche regioni della molecola che potrebbero interagire con regioni idrofobiche nel sito di legame QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Effetti elettronici COSTANTE DI HAMMET (s) La costante (s) è una misura dell’influenza elettron-attrattrice/donatrice dei sostituenti Misurata sperimentalmente e tabulata (es s per sostituenti aromatici è misurata comparando le costanti di dissociazione di acidi benzoici sostituiti con quella dell’acido benzoico) X X CO2H CO2 + H [PhCO 2- ] X=H KH = Costante di dissociazione = [PhCO2H] QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Effetti elettronici COSTANTE DI HAMMET (s) Gruppi elettronattrattori (e.g. NO2) X = electron withdrawing X X group CO2H CO2 + H Carica stabilizzata da X Equilibrio spostato verso destra KX > KH Valore positivo KX sX = log = log KX - log KH KH QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Effetti elettronici COSTANTE DI HAMMET (s) Gruppi elettrondonatori (e.g. CH3) X = electron withdrawing X X group CO2H CO2 + H Carica destabilizzata Equilibrio spostato verso sinistra KX < KH Valore negativo s KX X = log = logK X - logK H KH s dipende dagli effetti induttivo e di risonanza s dipende dalla posizione del sostituente (meta o para) Valori dei sostituenti in orto non sono significativi (influenza dei fattori sterici) QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Effetti elettronici COSTANTE DI HAMMET (s) e-attrattori meta para O O O O O O O O O N N N N N O DRUG DRUG DRUG DRUG DRUG Solo effetto induttivo Effetto induttivo e di risonanza sm (NO2) = 0.71 sp (NO2) = 0.78 QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Effetti elettronici COSTANTE DI HAMMET (s) meta para OH OH OH OH OH DRUG DRUG DRUG DRUG DRUG e-attrattore e-donatore: effetto di risonanza più (Solo effetto induttivo) importante di quello induttivo sm (OH) = 0.12 sp (OH) = -0.37 QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Effetti R & F R – Quantifica gli effetti di risonanza di un sostituente F – Quantifica gli effetti induttivi di un sostituente Sostituenti alifatici Definiti da sI Effetto puramente induttivo Ottenuti sperimentalmente misurando la velocità d’idrolisi degli esteri alifatici Velocità d’idrolisi misurata in condizioni acide e basiche O O Hydrolysis C C + HOMe X CH2 OMe X CH2 OH X= Elettron donatore Velocità sI = -ve X= Elettron attrattore Velocità sI = +ve Condizioni basiche: Velocità influenzata da fattori sterici ed elettronici Valore di sI dopo la correlazione con gli effetti sterici Condizioni acide: Velocità influenzata solo da fattori sterici (Es) QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Effetti sterici Fattore sterico di Taft (Es) Determinato mediante confronto della velocità d’idrolisi di esteri alifatici sostituiti con quella di un estere standard, in condizioni acide Es = log kx - log ko kx: velocità di idrolisi di un estere sostituito ko: velocità di idrolisi dell’estere non sostituito Limitato ai sostituenti che stericamente interagiscono con lo stato di transizione della reazione Non può essere usato per sostituenti che interagiscono con lo stato di transizione mediante risonanza o legami idrogeno Possibile sottostima dell'effetto sterico dei gruppi in un processo intermolecolare (legame farmaco/recettore) Me 0 n-Bu -0.39 H 1.24 i-Pr -0.47 F 0.78 i-Bu -0.93 Et -0.07 Cyclopentyl -0.51 n-Pr -0.36 QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Effetti sterici Refrattività molare (MR) Misura del volume dei sostituenti (n2 - 1) mol. wt. MR = x (n2 - 2) density Fattore di correzione per Definisce il volume la polarizzazione (n=indice di rifrazione) Parametro sterico di Verloop calcolato mediante software (STERIMOL) dà le dimensioni di un sostituente può essere utilizzato per qualsiasi sostituente B4 B3 O B3 C B2 H O C O O B1 B4 H L QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Equazione di Hansch Equazione QSAR che correla varie proprietà chimico-fisiche con l'attività biologica di una serie di composti Di solito include logP, fattori elettronici e sterici Inizia con semplici equazioni che vengono maggiormente elaborate con i dati ottenuti da un numero sempre maggiore di composti sintetizzati Equazione tipica per una vasta gamma di logP: parabolica Log (1/C) = -k1 (log P)2 + k2 log P + k3 π + k4 σ + k5 ES + k6 Y X Attività antiadrenergica di b- alo-b-arilammine CH CH2 NRR' Log (1/C) = 1.22 π – 1.59 σ + 7.89 Aumento di attività se p positivo (i.e. sostituenti idrofobici) Aumento di attività se s negativo (i.e. sostituenti e-donatori) QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Equazione di Hansch Attività antimalarica di amminocarbinoli fenantrenici CH2NHR'R" (HO)HC X Y Log (1/C) = -0.015 (log P)2 + 0.14 log P + 0.27 ΣπX + 0.40 ΣπY + 0.65 ΣσX + 0.88 ΣσY + 2.34 Attività lievemente maggiore con l’aumento del logP (idrofobicità) aumenta (la costante è soltanto 0.14!) Equazione parabolica: valore ottimale di logP per l'attività (Po) Attività aumentata con sostituenti idrofobici (Anello Y) Attività aumentata con sostituenti e-attrattori (esp. Anello di Y) QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Equazione di Hansch Sostituenti adatti I sostituenti devono essere scelti in modo tale da soddisfare i seguenti criteri: Intervallo di valori per ogni proprietà chimico-fisica studiata Valori non correlati per le diverse proprietà (ortogonali) Almeno 5 strutture per ciascun parametro studiato Sostituente H Me Et n-Pr n-Bu p 0.00 0.56 1.02 1.50 2.13 Valori correlati MR 0.10 0.56 1.03 1.55 1.96 Differenze dovute a p o MR? Sostituente H Me OMe NHCONH2 I CN Valori non correlati p 0.00 0.56 -0.02 -1.30 1.12 -0.57 Valido per analizzare gli MR 0.10 0.56 0.79 1.37 1.39 0.63 effetti di p e MR QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Plot di Craig Mostra i valori di 2 diverse proprietà chimicofisiche per molti sostituenti +s - p.. + 1.0 +s +p.. CF 3SO 2......75 NO2 Permette una facile CN SF5 identificazione dei sostituenti. SO 2NH2 CH3SO2.50 CF 3 adatti per un'analisi QSAR.... CH3CO CONH2.25 OCF3 che comprenda entrambe le.... CO2H Cl Br I proprietà -2.0 -1.6 -1.2 -.8 -.4.4.8 1.2 1.6 2.0 F -p.. CH3CONH +p Scelta di un sostituente da. OCH3 -.25 Me Et t-Butyl ogni quadrante per garantire ortogonalità. OH. NH2 -.50 NMe2 -.75 Scelta di sostituenti con un intervallo di valori per ogni proprietà -1.0 -s -p - - s +p QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Plot di Craig Mostra i valori di 2 diverse proprietà chimicofisiche per molti sostituenti +s - p.. + 1.0 +s +p.. CF 3SO 2......75 NO2 Permette una facile CN SF5 identificazione dei sostituenti. SO 2NH2 CH3SO2.50 CF 3 adatti per un'analisi QSAR.... CH3CO CONH2.25 OCF3 che comprenda entrambe le.... CO2H Cl Br I proprietà -2.0 -1.6 -1.2 -.8 -.4.4.8 1.2 1.6 2.0 F -p.. CH3CONH +p Scelta di un sostituente da. OCH3 -.25 Me Et t-Butyl ogni quadrante per garantire ortogonalità. OH. NH2 -.50 NMe2 -.75 Scelta di sostituenti con un intervallo di valori per ogni proprietà -1.0 -s -p - - s +p QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Schema di Topliss Utilizzato per decidere quali sostituenti usare per ottimizzare il lead compound step by step (sintesi complesse e lente) Sostituenti aromatici H 4-Cl L E M 4-OMe 4-CH3 3,4-Cl2 L E M L E M L E M 4-But 3-CF3-4-Cl 3-Cl 3-Cl 4-CF3 3-CF3-4-NO2 L E M 2,4-Cl2 See Central 3-NMe2 3-CH3 3-CF3 Branch 4-NO2 2-Cl 3,5-Cl2 4-NMe2 M 4-NO2 3-NO2 L E 3-Me-4-NMe2 4-F L: minore attività 4-NH2 E: uguale attività M: maggiore attività QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Schema di Topliss Sostituzione di H con para-Cl (+p e +s) Razionale Att. Att. Piccola variazione +p e/o +s +p e/o +s svantaggiosi p favorevole favorevoli s sfavorevole Sostituzione con OMe Introduzione di un secondo Cl per (-p e -s) Sostituzione con Me aumentare ulteriormente p e s (+p e -s) Ulteriori cambiamenti suggeriti sulla base di p, s e dell’ingombro sterico QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Schema di Topliss H 4-Cl L E M 4-OMe 4-CH3 3,4-Cl2 L E M L E M L E M 4-But 3-CF3-4-Cl 3-Cl 3-Cl 4-CF3 3-CF3-4-NO2 L E M 2,4-Cl2 See Central 3-NMe2 3-CH3 3-CF3 Branch 4-NO2 2-Cl 3,5-Cl2 4-NMe2 M 4-NO2 3-NO2 L E 3-Me-4-NMe2 4-F 4-NH2 Order of R Biological High Synthesis Activity Potency SO2NH2 1 H - R 2 4-Cl M 3 3,4-Cl2 L 4 4-Br E 5 4-NO2 M * M= More Activity L= Less Activity E = Equal Activity QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Schema di Topliss H 4-Cl L E M 4-OMe 4-CH3 3,4-Cl2 L E M L E M L E M 4-But 3-CF3-4-Cl 3-Cl 3-Cl 4-CF3 3-CF3-4-NO2 L E M 2,4-Cl2 See Central 3-NMe2 3-CH3 3-CF3 Branch 4-NO2 2-Cl 3,5-Cl2 4-NMe2 M 4-NO2 3-NO2 L E 3-Me-4-NMe2 4-F 4-NH2 Order of R Biological High... + 1.0 N N CF 3SO 2 Synthesis Activity Potency......75. CN NO2 SF5 R N N 1 H -.....50 SO 2NH2 CH3SO2 CF 3 2 4-Cl L. CH3CO CONH2.25 OCF3 CH2CH2CO2H 3 4-MeO L.... CO2H Cl Br I 4 3-Cl M * -.8 -.4.4.8 2.0 -2.0 -1.6 -1.2 F 1.2 1.6 5 3-CF3 L -p.. CH3CONH +p 6 3-Br M *. OCH3 -.25 Me Et t-Butyl 7 3-I L M *. OH 8. NH2 -.50 NMe2 -.75 3,5-Cl2 -1.0 Attività antiinfiammatoria M= More Activity - L= Less Activity E = Equal Activity QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Sostituenti isosterici/bioisosterici NC CN O C O O O O Substituent C C S S CH3 S NHCH3 C NMe2 CH3 CH3 CH3 O O p -0.55 0.40 -1.58 -1.63 -1.82 -1.51 sp 0.50 0.84 0.49 0.72 0.57 0.36 sm 0.38 0.66 0.52 0.60 0.46 0.35 MR 11.2 21.5 13.7 13.5 16.9 19.2 Scelta di sostituenti con simili proprietà fisico-chimiche (i.e. CN, NO2 e COMe potrebbero essere bio-isosteri) Scelta di bio-isosteri sulla base delle proprietà chimico-fisiche più importante (i.e. COMe e SOMe simili per sp; COMe e SO2Me presentano simile valore di π) QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Schema di Topliss Sostituenti alifatici CH3 i-Pr L E M H; CH2OCH3 ; CH2SO2CH3 Et Cyclopentyl L E M L E M END Cyclohexyl CHCl2 ; CF3 ; CH2CF3 ; CH2SCH3 Cyclobutyl; cyclopropyl CH2Ph Ph ; CH2Ph t-Bu CH2CH2Ph QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica 3D- QSAR Proprietà fisiche misurate per la molecola nel suo complesso OH Proprietà calcolate utilizzando software computazionali HO NHCH3 NO costanti o misure sperimentali Proprietà identificate come 'campi’ HO Campo sterico – definisce dimensione e forma della molecola Campo elettrostatico - definisce regioni elettrone-ricche / povere della Modello 3D molecola Proprietà idrofobe relativamente poco importanti Nessun affidamento su valori sperimentali Applicabile a molecole con sostituenti inusuali Non limitato alle molecole della stessa classe strutturale Capacità predittiva Conformazione attiva Analisi comparativa dei campi molecolari Comparative molecular field analysis (CoMFA) – Tripos “Costruzione” della molecola in silico Identificazione della conformazione attiva di ogni molecola Identificazione del farmacoforo Definizione del farmacoforo QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica 3D- QSAR Posizionamento della molecola in modo che combaci con il farmacoforo Punti della griglia Ciascun punto della griglia definisce un punto dello spazio QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica 3D- QSAR Posizionamento della molecola in modo che combaci con il farmacoforo..... Punti della griglia Ciascun punto della griglia definisce un punto dello spazio QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica 3D- QSAR Un atomo sonda è viene spostato su ciascun punto della griglia..... Probe atom Atomo sonda = un protone o un carbocatione ibridizzato sp3 QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica 3D- QSAR Un atomo sonda è viene spostato su ciascun punto della griglia..... Probe atom Misura dell'interazione sterica o elettrostatica dell'atomo sonda con la molecola in ciascun punto della griglia QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica 3D- QSAR Quanto più l'atomo sonda è vicino alla molecola, tanto maggiore è l'energia sterica Definizione della forma della molecola, individuando punti della griglia con uguale energia sterica (linee di contorno) Interazioni elettrostatiche favorevoli evidenziate con la sonda di carica positiva: regioni molecolari che presentano negativa Interazioni elettrostatiche sfavorevoli evidenziate con la sonda di carica positiva: regioni molecolari con carica positiva Definizione di campi elettrostatici, individuando punti di griglia di uguale energia (linea di contorno) Procedura ripetuta per ogni molecola da analizzare Confronto dei campi ottenuti per ciascuna molecola con l’attività biologica Identificazione dei campi sterici ed elettrostatici che sono favorevoli o sfavorevoli per l'attività QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica 3D- QSAR..... Tabulate fields for each compound at each grid point Compound Biological Steric fields (S) Electrostatic fields (E) activity at grid points (001-998) at grid points (001-098) S001 S002 S003 S004 S005 etc E001 E002 E003 E004 E005 etc Definizione dei 1 5.1 campi usando 2 6.8 mappe colorate 3 5.3 intorno a una 4 6.4 molecola 5 6.1 rappresentativa Partial least squares analysis (PLS) QSAR equation Activity = aS001 + bS002 +……..mS998 + nE001 +…….+yE998 + z CROSS VALIDATION à Cross validated correlation coefficient q2 (>0.3) QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica 3D- QSAR NH2 Tacrina Inibitore dell’acetelcolinesterasi usato nel trattamento del morbo d’Alzheimer N Studi QSAR convenzionali 12 analoghi la cui attività è stata correlata alle proprietà idrofobiche, steriche ed elettroniche dei sostituenti in 6 e 7 NH2 R1 9 7 Substituenti: CH3, Cl, NO2, OCH3, NH2, F (Valori ‘dispersi’ senza correlazione) R2 6 N 1 Log æè Cöø = p IC50 = - 3.09 MR(R1) +1.43 F(R1, R2)+ 7.00 F – Quantifica l’effetto induttivo dei sostituenti Gruppi ingombranti in posizione 7: diminuzione dell’attività Gruppi elettron-attrattori in posizione 6 & 7 Non c’è effetto idrofobico QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica 3D- QSAR Studi CoMFA NH2 Analisi di inibitori anticolinesterasici tetraciclici (II) R1 8 R3 1 2 R2 7 N R4 Non è possibile includere queste strutture in un'analisi 3 QSAR convenzionale poiché appartengono a una classe II R5 strutturale diversa Molecole appartenenti a classi strutturali diverse devono essere allineate correttamente secondo un modello farmacoforico comune Possibili allineamenti Overlay Buona sovrapposizione ma si ASSUME che la modalità di binding sia la stessa QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica 3D- QSAR Overlay Complesso tacrina/enzima cristallizzato e analizzato Risultati che dimostrano il modo in cui si lega la tacrina Modellistica molecolare: utilizzata per modificare la tacrina nella struttura (II) quando legata al sito di legame (in silico) Studi computazionali sul struttura (II)/complesso (minimizzazione) Legame di (II) diverso da quello della tacrina QSAR From Patrick  Chimica Farmaceutica 3D- QSAR Possibile allineamento Analoghi di ogni tipo di struttura allineati secondo la struttura “parente” L'analisi mostra che il fattore sterico è il solo responsabile per l'attività 7 6 Aree blu – aumento dell’ingombro sterico con aumento di attività Aree rosse – aumento dell’ingombro sterico diminuisce l’attività QSAR From Patrick