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Chimica Farmaceutica Design di Farmaci  Chimica Farmaceutica Design e sviluppo di un farmaco 1. Identificare la malattia bersaglio 2. Identificare il bersaglio farmacologico 3. Stabilire le procedure per t...

Chimica Farmaceutica Design di Farmaci  Chimica Farmaceutica Design e sviluppo di un farmaco 1. Identificare la malattia bersaglio 2. Identificare il bersaglio farmacologico 3. Stabilire le procedure per testare i composti 4. Trovare il lead compound 5. Relazioni struttura-attività (SAR) 6. Identificare il farmacoforo 7. Drug design – ottimizzazione delle interazioni farmacodinamiche 8. Drug design – ottimizzazione delle proprietà farmacocinetiche 9. Test tossicologici e di safety 10. Sviluppo chimico e produzione 11. Brevettazione e “regulatory affairs” 12. Trials clinici Targets From Patrick  Chimica Farmaceutica Malattia da curare Priorità dell’industria farmaceutica L’eventuale profitto dalla commercializzazione di un nuovo farmaco coprirà i costi del suo sviluppo e studio? Domande da farsi Malattia diffusa? (i.e. malattie cardiovascolari, ulcera, malaria) Malattia di interesse del “primo” mondo? (vi.e. malattie cardiovascolari, ulcera) Farmaci già presenti sul mercato? Se sì, vantaggi e svantaggi degli stessi? (i.e. effetti collaterali) Ci sono vantaggi a livello di mercato nel proporre una nuova terapia? SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Target del farmaco Selettività Tra speci Antibatterico, antimicotico e antivirale Identificare i target che sono unicità del patogeno invasore Identificare i target che sono condivisi, ma che sono significativamente differenti nella struttura All’interno dell’organismo Selettività tra enzimi diversi, recettori etc. Selettività tra i tipi e sottotipi recettoriali Selettività tra isoenzimi Selettività d’organo e tissutale SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Target del farmaco Test del farmaco Test necessari per trovare lead compounds e per l'ottimizzazione del farmaco Prove in vivo o in vitro Combinazione di test In vitro Test non effettuati su animali / umani Molecole bersaglio (ad esempio enzimi isolati o recettori) Cellule (cellule clonate) Tessuti (tessuto muscolare) Organi Microrganismi (per gli agenti antibatterici) SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Test In vitro Più adatto per i test di routine Utilizzato nell’high throughput screening Misura dell'interazione di un farmaco con il target, ma non la capacità del farmaco per raggiungere il target Risultati facili da razionalizzare - meno fattori coinvolti Nessuna dimostrazione di un effetto fisiologico o clinico Nessun riscontro di possibili effetti collaterali Nessuna possibilità di identificare profarmaci efficaci SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Test Test di inibizione enzimatica Identificazione di inibizione competitiva e non competitiva Capacità di inibizione misurata come IC50 IC50 = concentrazione di inibitore richiesta per ridurre l'attività enzimatica del 50% Test recettoriali Difficile isolare recettori di membrana Utilizzo di cellule intere, colture di tessuti o organi isolati Affinità - forza con cui composti si legano a un recettore Efficacia - misura di massimo effetto biochimico, derivante dal legame di un composto con il recettore Potenza - concentrazione di un agonista necessaria per produrre 50% del massimo effetto possibile. SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Test In vivo Effettuati su animali o esseri umani Misura dell’effetto fisiologico osservato Misura della capacità di un farmaco di interagire con il suo obiettivo e la sua capacità di raggiungere questo obiettivo Identificazione di possibili effetti collaterali Razionalizzazione difficile a causa del numero di fattori coinvolti Animali transgenici - animali geneticamente modificati Potenza di un farmaco - concentrazione di farmaco necessaria per produrre 50% del massimo effetto possibile Indice terapeutico – rapporto tra la dose di farmaco necessaria per produrre un effetto desiderato nel 50% del campione di prova (ED50) rispetto alla dose letale per il 50% del campione (LD50) SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Lead Compound Composto con una proprietà probabilmente terapeuticamente utile Livello di attività e selettività verso il target non sono cruciali Utilizzato come punto di partenza per la progettazione e lo sviluppo di farmaci Design (modellistica molecolare o NMR) o mediante screening composti (naturali o di sintesi) Necessità di identificare un test adeguato per trovare un composto capostipite Principio attivo - un composto che è isolato da un estratto naturale e che è principalmente responsabile per l'attività farmacologica dell’estratto. Spesso utilizzato come lead compound SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Lead Compound MeO CH 3 N HO CH 3 O H Tubocurarine (from curare) H O H3 C N OH H3 C OMe MeO OMe O O CH 3 H N C C N MeO O (CH 2)5 O OMe Atracurium OMe MeO (Neuromuscular blocker) OMe OMe SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Design e sviluppo di un farmaco 1. Identificare la malattia bersaglio 2. Identificare il bersaglio farmacologico 3. Stabilire le procedure per testare i composti 4. Trovare il lead compound 5. Relazioni struttura-attività (SAR) 6. Identificare il farmacoforo 7. Drug design – ottimizzazione delle interazioni farmacodinamiche 8. Drug design – ottimizzazione delle proprietà farmacocinetiche 9. Test tossicologici e di safety 10. Sviluppo chimico e produzione 11. Brevettazione e “regulatory affairs” 12. Trials clinici Targets From Patrick  Chimica Farmaceutica SAR: Relaziono Struttura - Attività Identificare quali gruppi funzionali sono importanti per il legame e / o attività Alterare, rimuovere o nascondere un gruppo funzionale Testare l'attività dell’analogo ottenuto Conclusioni dipendono dal metodo di studio in vitro - test per le interazioni di legame con bersaglio in vivo - test per le interazioni di binding e / o la farmacocinetica vincolanti Se l'attività in vitro diminuisce, implica gruppo è importante per il legame Se l'attività in vivo rimane inalterata, il gruppo non è importante SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica SAR Identificare quali gruppi funzionali sono importanti per il legame e / o attività Cosa può essere fatto Le modifiche possono comprometter il legame con il target per effetti elettronici / sterici Analoghi più semplici ottenibili a partire dal lead compound Eventuali modifiche potrebbero dipendere da altri gruppi presenti Alcuni analoghi possono essere ottenuti con sintesi completa (ad esempio la sostituzione di un anello aromatico con un anello cicloesano nello scheletro della molecola) Permette l'identificazione di gruppi importanti coinvolti nel legame Permette l'identificazione del farmacoforo SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica SAR HO O MORFINA NMe HO SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica SAR H3CO O CODEINA NMe HO DIMINUZIONE DELL’ATTIVITA’ SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica SAR HO O 6-OXYMORPHINE NMe O ACTIVITY UNAFFECTED SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica SAR HO O MORFINA NMe HO Gruppi essenziali per l’attività SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Farmacoforo Definisce i gruppi importanti coinvolti nel legame Definisce le posizioni relative dei gruppi che si legano Necessità di conoscere la conformazione attiva Importante per progettare i farmaci Importante per la scoperta di nuovi farmaci Definisce lo scheletro minimo che lega i gruppi di binding importanti HO O MORFINA N-Me HO Farmacoforo From Patrick  Chimica Farmaceutica Farmacoforo GRUPPI IMPORTANTI PER L’ATTIVITÀ ANALGESICA HO HO H3C NMe O CH3 NMe HO Metazocina HO NMe Levorfanolo Farmacoforo From Patrick  Chimica Farmaceutica Farmacoforo GRUPPI IMPORTANTI PER L’ATTIVITÀ ANALGESICA HO HO HO H3C NMe NMe O CH3 NMe HO HO Metazocina HO HO NMe NMe Levorfanolo NMe Farmacoforo From Patrick  Chimica Farmaceutica Farmacoforo 3D Definisce le posizioni spaziali relative dei gruppi di binding HO N x β x HO α N HO O NMe HO Farmacoforo From Patrick  Chimica Farmaceutica Farmacoforo Farmacoforo From Patrick  Chimica Farmaceutica Farmacoforo O Ar N Farmacoforo From Patrick  Chimica Farmaceutica Farmacoforo O 2.798 A 18.5o 150o Ar 4.534 A 7.098 A 11.3o N Farmacoforo From Patrick  Chimica Farmaceutica Farmacoforo HBA O 2.798 A vdW 18.5o 150o Ar 4.534 A 7.098 A Ionic 11.3o N Farmacoforo From Patrick  Chimica Farmaceutica Farmacofori ottenuti dai siti di legame del target SER SER Binding H-bond Binding ASP O basic or donor or ASP O site H site H positive acceptor CO2 center CO2 H-bond H-bond basic or donor or basic or donor or positive acceptor positive acceptor center center aromatic aromatic center center aromatic center Farmacoforo PHE PHE Farmacoforo Triangolo farmacoforico della dopamina Basic NH2 NH2 NH2 HBD/HBA HO HO HO Ar Ar HO HO HO HBD/HBA Farmacoforo From Patrick  Chimica Farmaceutica SAR  Chimica Farmaceutica SAR Identificare quali gruppi funzionali sono importanti per il legame e / o attività Cosa può essere fatto Le modifiche possono comprometter il legame con il target per effetti elettronici / sterici Analoghi più semplici ottenibili a partire dal lead compound Eventuali modifiche potrebbero dipendere da altri gruppi presenti Alcuni analoghi possono essere ottenuti con sintesi completa (ad esempio la sostituzione di un anello aromatico con un anello cicloesano nello scheletro della molecola) Permette l'identificazione di gruppi importanti coinvolti nel legame Permette l'identificazione del farmacoforo SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica SAR: alcooli Possibili interazioni di legame Drug HBD Drug HBA H O O H X X H X= N or O Binding site Binding site Possibili analoghi CH3I R OH R OMe Ether CH3COCl R O CH3 Ester O CH3SO2Cl Alkane O CH3 LiAlH4 R S R H OO Ether analogue Ether analogue steric shield CH3 CH3 O O H X X X= N or O No interaction as HBD Binding site Binding site No interaction as HBA SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica SAR: ammine Possibili interazioni di binding di gruppi ammonici Ionic Drug H-Bonding Drug HBD NH2R + H + N R2 X CO2- X= N or O Binding site Binding site + R3NH acts as a strong HBD Possibili interazioni di binding di ammine (free base) H-Bonding Drug HBD Drug HBA H N N H R H X X R X= N or O Binding site Binding site Non terziaria, ovviamente SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica SAR: ammine Possibili analoghi CH3COCl H N CH3 R NH2 R O Effetti sul legame Analogo O ammidico N CH3 R CO2- Binding site No interaction Ammine primarie e secondarie vengono convertite rispettivamente ad ammidi secondarie e terziarie Ammidi: non possono ionizzare, legame ionico inibito N ammidico: scarso HBA, nessun interazione come HBA Effetto sterico dell’acile sull’NH quale HBD (ammide secondaria) SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica SAR: esteri Gli esteri sono generalmente idrolizzati dalle esterasi a livello ematico Gli esteri possono essere importanti nella farmacocinetica (cioè in qualità di profarmaci) Fatty Prodrug Barrier Drug Esterase O O OH C R C R C O O O Prodrug O O Esterase Drug C C O R O R OH L’estere maschera un gruppo polare Permette il passaggio attraverso la membrana cellulare SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica SAR: ammidi Possibili interazioni di legame Drug O Drug H N HBD O HBA N R R H H X X Binding site (X= N or O) Binding site (X= N or O) L'azoto di un’ammide non è un HBA - doppietto interagisce con il C=O Amidi terziarie: no H, quindi non HBD H R N NaOH R OH C R' C + H2N R' Possibili analoghi O O Carboxylic acid Amine LiAlH4 R NH2 C H2 1o Amine NaH / MeI CH3 R N C R' O o 3 Amide SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica SAR: ammidi L'idrolisi scinde la molecola e può portare alla perdita di attività dovuta alla perdita di altri gruppi funzionali - adatto solo per amidi semplici. L'idrolisi porta a un notevole aumento della polarità che può influenzare la capacità di raggiungere il target se si utilizzano test in vivo La riduzione ad ammina rimuove il gruppo carbonilico e può stabilire importanza l'ossigeno carbonilico, ma la reazione può essere difficile da fare se sono presenti altri gruppi labili Possibili analoghi O Analogue Analogue O N R N R steric shield CH3 CH3 H X X binding site No binding as HBD Binding of O as HBA hindered L’N-metilazione impedisce l'interazione come HBD e può introdurre un effetto sterico che blocchi un’interazione come HBA SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica SAR: acidi carbossilici Possibili interazioni di legame Drug Drug Drug O O C O C HBA C H O O H HBA O H H H HBD X X X Binding site (X= N or O) Binding site (X= N or O) Binding site (X= N or O) Possibili interazioni di legame come carbossilato Drug Drug O O C C - - Ionic bonding O O H HBA X + NHR2 Binding site (X= N or O) Binding site (X= N or O) Nel carbossilato gli ossigeni sono forti HBA Il gruppo può instaurare legame ionico e legami idrogeno contemporaneamente SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica SAR: anelli aromatici e alcheni Possibili interazioni di legame Drug Drug R R vdw vdw binding site binding site hydrophobic hydrophobic region Drug Drug pocket H2 / RaNi Possibili analoghi R H R H H2 / Pd/C Analogue H H Analogue H R' H R' ‘Buffers’ R R H H H H No binding site binding site fit SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica SAR: gruppi alchilici Possibili interazioni di legame Drug Drug van der Waals interactions binding site binding site H3C CHCH3 3 hydrophobic ‘pocket’ hydrophobic slot CH3 Possibili analoghi VOC-Cl R'X N CH3 N H N R' Drug Analogue Variazioni di gruppi alchilici CH3 HBr H R'X R' facili se sostituenti di Drug O O Analogue O eteroatomi Hydrolysis OH OR' Variazione della lunghezza e OCH3 R'OH Drug C C Analogue C dell’ingombro del gruppo O O H O alchilico per definire lo spazio disponibile SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Gruppi funzionali e farmaci Cloruri degli acidi: troppo reattivi per essere utilizzati Anidridi: troppo reattive Alogenuri alchilici: presenti in farmaci antitumorali (reazioni con nucleofili, anche a livello di DNA) Alogenuri arilici: comunemente presenti. Di solito non coinvolti direttamente nel legame Gruppi nitro: a volte presenti ma spesso tossici Alchini: a volte presenti, ma di solito non importanti nelle interazioni di legame Tioli: presenti in alcuni farmaci come importante gruppo di legame per metalli di transizione (ad esempio Zn in metalloproteinasi) Nitrili: presenti in alcuni farmaci, ma raramente coinvolti nel legame Gruppi funzionali: possono essere importanti per ragioni elettroniche (nitro, ciano, alogenuri arilici) Gruppi funzionali: possono essere importanti per ragioni steriche (alchini) SAR From Patrick  Chimica Farmaceutica Isosteria e Bioisosteria  Chimica Farmaceutica Variazioni dei gruppi funzionali: Isosteria isostero e bioisostero analogo composto provvisto di una somiglianza strutturale e/o funzionale rispetto alla molecola di riferimento (a) semplice analogia di tipo chimico (b) analogia sia di tipo strutturale sia di attività farmacologica (c) una differenza di struttura chimica con il mantenimento di proprietà farmacologiche paragonabili Isosteria: primi del ‘900 J. Moir 1919 da I. Langmuir Correlazione di analogie strutturali esistenti tra molecole diverse con la condivisione di alcune proprietà̀ chimico-fisiche. Isosteria e bioisosteria Gasco  Chimica Farmaceutica Variazioni dei gruppi funzionali: Isosteria Sostituzione, in una molecola attiva, di un atomo o un gruppo di atomi con un altro con disposizione elettronica e sterica paragonabile. Isosteri: composti chimici o i gruppi di atomi con lo stesso numero di atomi e la stessa distribuzione elettronica. Possiedono possiedono spesso proprietà chimico-fisiche simili, tra queste la densità, la costante dielettrica, l’indice di rifrazione e la solubilità, ma anche proprietà biologiche confrontabili Estensione del concetto di isosteria: legge dello “spostamento dell’idruro” (H. G. Grimm, 1925) riferita a gruppi con un numero diverso di atomi ma provvisti del medesimo numero di elettroni di valenza Isosteria e bioisosteria Gasco  Chimica Farmaceutica Isosteria Aggiunta di un atomo di idrogeno a un elemento pseudoatomo, con proprietà simili all’atomo con il numero atomico successivo più elevato. CH è isosterico con N, CH2 e NH sono isosterici con O… Elettroni 4 5 6 7 8 di valenza C N O F Ne CH S Cl Ar NH OH FH CH2 SH OH2 NH2 NH3 CH3 CH4 Isosteria e bioisosteria Gasco  Chimica Farmaceutica Isosteria 1932 Erlenmeyer Isosteri: elementi, ioni, gruppi funzionali oppure molecole, i cui strati elettronici periferici possono essere considerati identici Proprietà aggiuntive: gli elementi del medesimo gruppo nella tavola periodica sono tra loro isosteri (ad es. il silicio e il carbonio, l’ossigeno e lo zolfo) si devono considerare gli pseudoatomi nella classificazione di gruppi in apparenza diversi ma in realtà con analoghe proprietà fisiche opportune equivalenze d’anello consentono un confronto tra nuclei diversi (ad es. il benzene e il tiofene, dove H–C=C–H equivale a – S–, sono considerati isosteri). Isosteria e bioisosteria Gasco  Chimica Farmaceutica Bioisosteria Erlenmeyer: ha dimostrato che gli anticorpi non sono in grado di discriminare tra fenile e tiofene o tra O, NH, and CH2 negli antigeni artificiali. Isosteria e bioisosteria  Chimica Farmaceutica Bioisosteria Bioisosteria gruppi dotati ancora di analogie nelle proprietà elettroniche ma simili nella disposizione spaziale, o con una o più proprietà chimico-fisiche rilevanti ai fini della loro attività biologica. Friedman anni ’50 composti in grado di esercitare un effetto biologico simile, precisando che derivati isosterici di una serie omogenea possono anche non essere bioisosterici. Isosteria e bioisosteria Gasco  Chimica Farmaceutica Bioisosteria Thornber Burger classificazione dei bioisosteri classici definizione di bioisostero svincolata dall’analogia delle proprietà chimico-fisiche, comprendendo funzioni che possono differire anche in modo significativo nelle proprietà elettroniche, steriche e topologiche (bioisosteri non classici) rispetto al gruppo del quale mimano l’effetto biologico. Isosteria e bioisosteria Gasco  Chimica Farmaceutica Bioisosteria La progettazione di bioisosteri introduce cambiamenti strutturali che possono essere utili o deleteri, a seconda del contesto. Questi cambiamenti possono essere di: dimensione, forma, distribuzione elettronica, polarizzabilità, polarità, lipofilia, pKa, preferenze conformazionali Variazioni che cooperano nel processo di riconoscimento molecolare e nel determinare l’analogia del profilo biologico Bioisosteria: approccio fondamentale per affrontare una serie di aspetti legati a progettazione e sviluppo di farmaci. Nella pratica contemporanea della chimica farmaceutica su usa per migliorare potenza, selettività, variare le proprietà fisiche, ridurre o riorientare il metabolismo, eliminare o modificare il tossicoforo, poter brevettare. Isosteria e bioisosteria Gasco  Chimica Farmaceutica Bioisosteria Proprietà che si vuole modificare mediante una funzione bioisosterica: interazioni con recettori/enzimi; sostituzione bioisosterica considerando principalmente parametri quali le dimensioni, la forma, le proprietà elettroniche, i valori di pKa, la reattività chimica, la capacità di formare legami idrogeno sostituzione di frammenti molecolari “strutturali”, responsabili ad esempio del mantenimento di conformazioni preferenziali (quindi importanti sono le dimensioni molecolari e gli angoli di legame, cruciali ai fini del riconoscimento della proteina bersaglio) aspetti farmacocinetici: ottimizzazione di assorbimento, trasporto ed escrezione. Parametri rilevanti: lipofilia, idrofilia, legami idrogeno, pKa aspetti metabolici: porzione molecolare maggiormente coinvolta nel favorire o sfavorire un dato processo metabolico - introduzione di un adatto bioisostero per modulare la reattività chimica del gruppo originario. Isosteria e bioisosteria Gasco  Chimica Farmaceutica Bioisosteri Isosteria e bioisosteria Gasco  Chimica Farmaceutica Bioisosteri Sostituzione di atomi e gruppi monovalenti Alogeni (soprattutto il Cl) Altri gruppi elettron-attrattori (-CF3, -CN) Interscambio di atomi e gruppi bivalenti: -O-, -S-, -NH-, -CH2- Interscambio di atomi e gruppi trivalenti: -CH= à –N= (Sostituzione classica in anelli aromatici) EQUIVALENTI D’ANELLO –CH= à –N= ; –CH=CH- à –S– Monovalenti Bivalenti Trivalenti Tetravalenti Equivalenti d’anello -CH3, -NH2, -CH2-, -NH-, -CH=, –N= >CSi< -CH=CH-, -S- -OH, -F, -Cl -O-, -S-, -Se- -PH2, -SH -COCH2-, -CONH-, -P=, –As= =C=, =N+= -CH=, –N= COO-, -COS- =P+= -Br, -i-Pr -O-, -S-, -CH2-, -NH- -I, -t-Bu Isosteria e bioisosteria  Chimica Farmaceutica Isosteria e bioisosteria ! ! Protoni con la stessa acidità Isosteria e bioisosteria  Chimica Farmaceutica Bioisosteri non classici bioisosteri del carbossile in genere impiegati per migliorare le proprietà farmacocinetiche del farmaco progenitore, riducendone la polarità, aumentandone la lipofilia e favorendo quindi la permeabilità di membrana. Isosteria e bioisosteria Gasco  Chimica Farmaceutica Bioisosteri non classici Fluoro: quasi del tutto assente nei prodotti di origine naturale numerosi derivati sintetici contenenti fluoro dotati di interessanti profili di attività biologica Diversi composti fluorurati impiegati per lo studio degli aspetti conformazionali di molecole biologicamente attive, sfruttando in particolare il legame C–F Stabilità metabolica Blocco di siti metabolicamente poco stabili introducendo un atomo di fluoro, purché la variazione di dimensioni (per quanto sia un atomo piccolo) non impedisca il binding con il target. Isosteria e bioisosteria Gasco  Chimica Farmaceutica Bioisosteri non classici Fluoro Effetto sul pKa Quale atomo elettronegativo, il fluoro ha un forte effetto su acidità e basicità dei gruppi funzionali adiacenti. Isosteria e bioisosteria Gasco  Chimica Farmaceutica Bioisosteri non classici Fluoro Effetto sulla lipofilia Studio su 293 coppie di molecole che differiscono solo per lo scambio Hà F: aumento medio della lipofilia. In alcuni casi avviene invece l’inverso (quando i composti presentano almeno un conformero a bassa energia con una distanza tra O e F minore di 3.1 Å) Isosteria e bioisosteria  Chimica Farmaceutica Bioisosteri non classici Scambio dell’OSSIGENO ETEREO e del GRUPPO METILENICO Struttura tetraedrica analoga. Risultati spesso sono anomali, in genere l’eliminazione dell’ossigeno porta a risultati migliori della sostituzione con il CH2. Probabilmente questo è dovuto a una diminuita variazione di lipofilia nel primo caso rispetto al secondo. Bioisosteria CARBONIO-SILICIO Silicio meno elettronegativo del Carbonio Legami Si—-C sp3 20% più lunghi dei C—C Composti con il silicio più suscettibili all’idrolisi e all’attacco nucleofilo. Presente solo al centro di strutture quaternarie, nonostante questo facilmente attaccabile à composti con durata d’azione più breve. Bioisosteria CARBONIO-BORO Composti bororganici: sensibili alla degradazione. Composti usati: Acido borico e acidi boronici. Vero utilizzo in terapia dei tumori: boron neutron capture Isosteria e bioisosteria  Chimica Farmaceutica Scaffold hopping variazione dello scheletro portante 1999 Schneider strategia chemo-informatica per identificare strutture molecolari isofunzionali caratterizzate da differenze di scaffold. procedura efficiente per identificare nuovi termini di impatto chimico- farmaceutico innovativo. conoscenza della struttura tridimensionale dei composti biologicamente attivi identificare nuove porzioni molecolari frammento centrale dell’impalcatura del composto progenitore. Elementi strutturali, essenziali ai fini del profilo biologico ricercato, con caratteristiche non adatte allo sviluppo, problemi di requisiti chimico- fisici, di stabilità metabolica, di tossicità, di proprietà intellettuale. Isosteria e bioisosteria Gasco  Chimica Farmaceutica Scaffold hopping variazione dello scheletro portante Applicazione di metodi della computazionali all’ottimizzazione strutturale nel processo di drug discovery. Nuovi chemotipi (porzioni molecolari) all’interno dello scheletro della molecola parente per generare composti biologicamente attivi equipotenti di nuova concezione Sviluppo di molecole innovative per una specifica applicazione terapeutica In contrasto con il principio della somiglianza strutturale (analogia di comportamento biologico associata a gruppi/ frammenti simili dal punto di vista molecolare) Composti con diversità strutturale, anche pronunciata, possono riconoscere il medesimo target biologico condividendo alcuni elementi/parametri strutturali globali (i.e. forma, superficie elettropotenziale) Somiglianza strutturale: connotazione macroscopica, anche senza gruppi che obbediscono ai principi generali della bioisosteria Isosteria e bioisosteria Gasco  Chimica Farmaceutica Scaffold hopping Isosteria e bioisosteria Gasco  Chimica Farmaceutica Variazioni volte all’ottimizzazione strutturale semplificazione della struttura di un lead, noto come approccio disgiuntivo: usato per derivati naturali dissezione molecolare con riduzione del numero di funzioni e di sostituenti e/o eliminazione o apertura di anelli. identificazione del nucleo farmacoforico di una sostanza naturale processo di ottimizzazione del profilo farmacologico eliminazione di eventuali effetti indesiderati o tossici associati alla molecola più complessa Isosteria e bioisosteria Gasco  Chimica Farmaceutica Variazioni volte all’ottimizzazione strutturale Isosteria e bioisosteria Gasco  Chimica Farmaceutica Variazioni volte all’ottimizzazione strutturale Composti non attivabili in vivo: pseudocicli. Sistemi che mimano cicli chiusi (dimostrabile via cristallografia). Distanza comparabile tra i due ossidrili Isosteria e bioisosteria  Chimica Farmaceutica Variazioni volte all’ottimizzazione strutturale Composti non attivabili in vivo: pseudocicli. Sistemi che mimano cicli chiusi OH (dimostrabile via cristallografia). H HO Distanza OH OH comparabile tra i H H due ossidrili HO HO Isosteria e bioisosteria  Chimica Farmaceutica Variazioni volte all’ottimizzazione strutturale Semplificazione molecolare HOOC OH OH Ph Drug NHMe Ph Drug NHMe Cl OMe Mantenimento del farmacoforo HO HO O NMe NMe HO Rimozione dei centri di asimmetria X H X Y X C C N Y Y Y Chiral Achiral Achiral drug drug drug Isosteria e bioisosteria From Patrick  Chimica Farmaceutica Variazioni volte all’ottimizzazione strutturale complicazione molecolare, o approccio congiuntivo inserimento mirato di sub-strutture aggiuntive tra cui raddoppiamento delle dimensioni del composto originario (farmaci cosiddetti gemelli) Strategia frequentemente impiegata in fase di ottimizzazione di molecole promettenti che derivano dalla progettazione razionale, dall’approccio della chimica combinatoriale e dallo screening sistematico. Decorazione mirata della struttura originaria si vuole incrementare la potenza del composto e/o la sua affinità/selettività d’azione, oppure cambiare il modo di interazione di un ligando con il bersaglio biologico, migliorare la stabilità metabolica di una molecola, ad esempio mediante protezione sterica di funzioni degradabili. Isosteria e bioisosteria Gasco  Chimica Farmaceutica Variazioni volte all’ottimizzazione strutturale Mantenimento della drug-likeness dei nuovi composti generati (requisiti farmacocinetici e tossicologici) Complicazione molecolare: omologazione, modulazione conformazionale, raddoppiamento della struttura (in particolare i ligandi omo- ed eterobivalenti) ibridazione della struttura (ligandi progettati per l’interazione con più di un bersaglio biologico). Isosteria e bioisosteria Gasco  Chimica Farmaceutica Omologazione inserimento di uno o più atomi di carbonio o gruppi all’interno o all’estremità di una catena lineare (omologazione alchilica o arilica) oppure di un sistema ciclico (omologazione ciclica) incremento progressivo della lunghezza possibili variazioni della geometria molecolare variazioni del modo d’azione dei ligandi. agonista i recettori nicotinici muscolari N=4 antagonista bloccante dei recettori nicotinici gangliari bloccante dei recettori nicotinici della placca motrice Isosteria e bioisosteria Gasco  Chimica Farmaceutica Espansione/contrazione Utile se una catena lega di due gruppi di binding Variare la lunghezza della catena per ottimizzare le interazioni Weak Strong interaction Chain interaction A B extension A B Binding regions RECEPTOR A&B Binding groups RECEPTOR HO O N (CH2)n H HO Binding Binding Optimum chain length = 2 group group Interaction optimization From Patrick  Chimica Farmaceutica Variazioni volte all’ottimizzazione strutturale Weak Variazione dei sostituenti e/o della loro posizione H-Bond Strong.. H-Bond NH2 H O (increased H activity) Binding Region O (H-Bond) Binding Binding Region O Binding site site (for Y) N Y Y O para Substitution meta Substitution Meta substitution: Inductive electron withdrawing effect.. NH2 NH2 Forza di binding dell’NH2 come HBD influenzata dalla posizione relativa di N N O NO2 O O O Forte quando NO2 è in posizione para Para substitution: Electron withdrawing effect due to resonance + inductive effects leading to a weaker base Interaction optimization From Patrick  Chimica Farmaceutica Ottimizzazione delle interazioni di legame Gruppo alchilico con interazione nella regione idrofobica in sito di legame Variazione della lunghezza e del volume del gruppo per ottimizzare l'interazione LEAD COMPOUND ANALOGUE CH3 C H3C CH3 CH3 van der Waals Hydrophobic interactions pocket Variazione della lunghezza e del volume del gruppo per ottimizzare la selettività Recettore 1 N No Fit N Recettore 2 CH3 Fit CH3 Steric N CH3 Fit Block Fit N CH3 Binding region for N Ottimizzazione delle interazioni From Patrick  Chimica Farmaceutica Estensione Unused Extra DRUG binding DRUG functional region group Drug Extension RECEPTOR RECEPTOR Binding regions Binding group Per esplorare il sito di legame del target in altre possibili regioni di legame, per ottenere ulteriori interazioni con il target Hydrophobic pocket Hydrophobic pocket ACE Vacant CH3 CH3 EXTENSION O N O N N N H H O O CO2 CO2 O O Binding Binding (I) site site Ottimizzazione delle interazioni From Patrick  Chimica Farmaceutica Estensione Antagonisti da agonisti OH H H CH3 HO N CH3 H O N CH3 H HO OH Adrenalina Propranololo (b-Bloccante) NH2 H3C CH3 HN H N N S HN N Cimetidina HN Istamina C (Anti-ulcera) N Ottimizzazione delle interazioni From Patrick  Chimica Farmaceutica Ottimizzazione delle interazioni di legame OH H H Adrenalina HO N CH3 HO Salbutamolo H OH H (Ventolin) HOCH2 N C CH3 (Anti-asmatico, b2 ago) CH3 CH3 HO CH3 Propranololo H (b-Bloccante) O N CH3 H OH Ottimizzazione delle interazioni From Patrick  Chimica Farmaceutica Recettore α-adrenergico H-Bonding region H-Bonding Ionic region bonding Van der Waals region bonding region H-Bonding region Ottimizzazione delle interazioni From Patrick  Chimica Farmaceutica Recettore α-adrenergico ADRENALINA Ottimizzazione delle interazioni From Patrick  Chimica Farmaceutica Recettore β-adrenergico ADRENALINA Ottimizzazione delle interazioni From Patrick  Chimica Farmaceutica Recettore β-adrenergico SALBUTAMOLO Ottimizzazione delle interazioni From Patrick  Chimica Farmaceutica Recettore α-adrenergico SALBUTAMOLO Ottimizzazione delle interazioni From Patrick  Chimica Farmaceutica Recettore α-adrenergico SALBUTAMOLO Ottimizzazione delle interazioni From Patrick  Chimica Farmaceutica Espansione/contrazione d’anello Ring Per migliorare la expansion sovrapposizione di gruppi di legame R R R R con le loro regioni di legame Better overlap with Hydrophobic regions hydrophobic interactions Vary n to vary ring size Binding site Binding site O2C (CH2)n N N O 2C N Ph N N H N N Ph N O2C H O CO2 O CO2 N I H O CO2 Ph Binding regions Two interactions: Three interactions carboxylate ion out of range Increased binding Ottimizzazione delle interazioni From Patrick  Chimica Farmaceutica Variazioni d’anello F SO2CH3 F SO2CH3 N X S N X Br CF3 DuP697 SC-58125 F SO2CH3 F SO2CH3 Core scaffold General structure for NSAIDS SC-57666 Sostituire / anelli eterociclici aromatici con altri sistemi ad anello Spesso fatto per motivi di brevetto Ottimizzazione delle interazioni From Patrick  Chimica Farmaceutica Modulazione conformazionale Rigidificazione Introduce X Y steric block X Y X Y Steric CH3 CH3 clash steric block Unfavourable conformation Flexible side chain Y Introduce Y Y steric block X X X H CH3 CH3 steric Coplanarity allowed clash Orthogonal rings preferred Conformers From Patrick  Chimica Farmaceutica Modulazione conformazionale Rigidificazione Variazione conformazionale esempio di complicazione della struttura inserimento di gruppi alchilici e arilici oppure di doppi o tripli legami nuovo analogo con conformazione preferenziale rispetto al composto originale CO H 2 NH2 O N HN N H N guanidine flexible chain O Ar (I) diazepine ring system CO2H NH2 NH2 CO2H O HN O HN N H N N N O CH3 N N O Ar II III Ar Isosteria e bioisosteria  Chimica Farmaceutica Isomeri conformazionali ! Conformers  Chimica Farmaceutica Conformazione attiva Conformazione adottata da un farmaco quando si legano al suo target Identificazione della conformazione attiva necessaria al fine di identificare il farmacoforo 3D Analisi conformazionale per individuare possibili conformazioni e le loro stabilità Analisi conformazionale difficile per molecole flessibili con un gran numero di conformazioni Più facile confrontare l’attività di analoghi rigidi Rotazione dei legami NH2 HO NH2 HO NH2 HO HO HO HO Dopamine Locked bonds Farmacoforo From Patrick  Chimica Farmaceutica Isomeri conformazionali Rigidificazione Strutture rigide per identificare la conformazione attiva NHMe Introducing rings Me H N X N X NHMe X CH3 X X X NHMe NMe OH OH OH Rigidification O Rotatable bonds HN HN CH3 CH3 Conformeri From Patrick  Chimica Farmaceutica Isomeri conformazionali CONFORMERI O N Acetilcolina 2 O 4 1 3 5 6 ! ! Conformeri  Chimica Farmaceutica Isomeri conformazionali O N 2 O 4 1 3 5 6 ! N(CH3)3 OCOCH3 ! ! Conformeri  Chimica Farmaceutica Isomeri conformazionali ! Conformeri  Chimica Farmaceutica Isomeri conformazionali ! Conformeri  Chimica Farmaceutica Introduzione di cicli (rigidificazione) Gasco  Chimica Farmaceutica Composti chirali Enantiomeri à stesse caratteristiche chimico-fisiche, diversa attività biologica Non solo diversa attività biologica, ma diverse interazioni anche con enzimi e proteine in genere, così il percorso metabolico, la distribuzione e la tossicità possono variare anche notevolmente. RACEMO: Non può essere considerato semplicemente una miscela dei due enantiomeri, uno dei quali esplica attività biologica. RICOGNIZIONE CHIRALE Ricognizione molecolare basata sulla complementarità di molecola e bersaglio biologico. Target chirale: disposizione spaziale importante (configurazione sterica)! Non solo caratteristiche chimico fisiche Chiralità  Chimica Farmaceutica Composti chirali IDEA DEL COMPLESSO Molecola chirale/target chirale quale DIASTEREOISOMERO, con velocità di reazione, controllo cinetico e termodinamico diversi. (±)A + (-)B = (+)A(-)B + (-)A(-)B S = substrato E = enzima (±)S + (-)E = (+)S(-)E + (-)S(-)E ! Chiralità  Chimica Farmaceutica Composti chirali Due farmaci isomerici A e A’ che interagiscono con il target biologico B con effetto E ! A e A’ con differenti caratteristiche chimico-fisiche (isomeri geometrici, strutturali, diastereoisomeri) à affinità diversa per il target espressa con la costante di dissociazione KDAB ¹ KDA’B Se A e A’ sono ENANTIOMERI: differenza unica rotazione luce polarizzata. Interazione diversa (e affinità diversa) con il target B SOLO SE QUEST’ULTIMO E’ CHIRALE (ma quali non lo sono?) Chiralità  Chimica Farmaceutica Composti chirali ENANTIOSELETTIVITA’ – differenza QUANTITATIVA nell’attività biologica di due enantiomeri Esiste la possibilità che due enantiomeri presentino la medesima attività biologica con uguale potenza, ma il caso è raro. EUTOMERO (Eu) enantiomero a maggiore attività DISTOMERO (Dis) enantiomero meno attivo Rapporto di potenza tra EUTOMERO e DISTOMERO: RAPPORTO EUDISMICO (ER) INDICE EUDISMICO (EI): Log ER relativamente a un DETERMINATO effetto biologico Valore elevato à indice di interazione altamente specifica Chiralità  Chimica Farmaceutica Composti chirali Enantiomeri con: Attività farmacologica uguale con potenza uguale o diversa Un enantiomero è farmacologicamente attivo, l’altro no Attività farmacologica diversa Necessità di sviluppo di un farmaco chirale se: EI elevato Basso indice terapeutico Distomero tossico (Assenza di inversione chirale in vivo) Racemo se Attività additiva e sinergica degli enantiomeri Elevato indice terapeutico Bassa tossicità del distomero Instabilità ottica o inversione chirale in vivo Chiralità  Chimica Farmaceutica Composti chirali Interaction optimization Gasco  Chimica Farmaceutica Variazioni strutturali Raddoppiamento molecolare Duplicazione farmacoforica: “diretta” (testa-testa, testa-coda) o con interposizione di un linker o spaziatore che distanzia le due unità Il processo metabolico rilascia due molecole dello stesso farmaco à profarmaco! A volte la molecola così ottenuta può presentare attività di per sé OH O O COOH Acido salicilsalicilico Structure variations  Chimica Farmaceutica Raddoppiamento molecolare ! ! Structure variations  Chimica Farmaceutica Ibridazione molecolare Structure variations Gasco  Chimica Farmaceutica Ibridazione molecolare I. Due molecole che presentano meccanismo diverso, ma lo stesso effetto farmacologico, legate da un legame covalente che porta a una nuova unità MOLECOLARE (farmaci gemelli non identici) Ampicillina/sulbactam à Inibizione della sintesi della cell-wall batterica Inibitore della beta-lattamasi Sultamicillin ! II. Farmacofori di due molecole che presentano lo stesso effetto farmacologico (con meccanismo che può essere diverso o lo stesso) uniti a dare una nuova entità molecolare, parzialmente corrispondente alle molecole parenti Structure variations  Chimica Farmaceutica Raddoppiamento molecolare Ligandi eterobifunzionali (legano sottotipi diversi di recettori oppioidi) composti anche 50 volte più potenti della morfina non causano gli effetti collaterali centrali tipici degli analgesici oppioidi frammento agonista dei recettori oppioidi μ (ossimorfone) e da uno antagonista dei recettori δ (naltrindolo). spaziatore di 21 atomi ligando bifunzionale: no tolleranza, no dipendenza spaziatori più corti: tolleranza (e dipendenza). Structure variations Gasco  Chimica Farmaceutica Templato universale (o passe-partout) Prof. MELCHIORRE (Bologna) Studi di derivati tetraamminici, con utilizzo di sistemi bifunzionali e sfruttamento dell’idea indirizzo/messaggio. ! BENEXTRAMINE: Antagonista adrenergico irreversibile su recettori a1 reversibile su recettori a2 Anche debole attività antimuscarinica Benextramine ! Variazioni strutturali  Chimica Farmaceutica Templato universale (o passe-partout) Benextramine ! ! Variazioni strutturali  Chimica Farmaceutica Templato universale (o passe-partout) Metoctramina: Alta affinità per i recettori muscarinici, in particolare sottotipo M2 Strumento farmacologico utilizzato per caratterizzare questi recettori Methoctramine Benextramine Variazioni strutturali