Syntetická léčiva Moderní přístupy k vývoji nových léčiv

Příprava předmětu byla podpořena projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253

Přírodní léčiva

Empirie, sledování zvířat, pokus-omyl, nashromážděno obrovské množství poznatků o účincích různých přírodních látek na lidský organismus. Výhradní používání přírodních léčiv do konce 15. století. V současné době Farmakognozie.

• Vrbová kůra – Hippokrates, středověk, .., salicin, salicylová kys. aspirin

• Chinin – chinovníková kůra, antimalarikum, snižuje horečku, hořký, abortivum

• Opium – uschlá šťáva obsahující morfin, kodein, thebain, papaverin (spasmolytikum)

Období iatrochemie (z řeckého iatros = lékař) Paracelsus Iatrochemici předpokládali, že příčinou špatné funkce organismu jsou změny v jeho (chemickém) složení. Úkolem lékařů proto je vhodnými (chemickými) prostředky tento stav napravovat – využití poznatků alchymie.

Paracelsovi se připisuje myšlenka, že jed od léku odlišuje pouze podávané množství.

19. století Prudký rozvoj chemie v závěru století ke vzniku specializovaných farmaceutických výrob. Při hledání nových léčiv se nicméně stále pracuje metodou pokus-omyl. Př. Fenacetin

Ve 2. pol. století P. Ehrlich zpozoroval u řady léčiv chemickou specificitu jejich účinku (magic bullet). Jeho pozorování později vedla k formulaci receptorové teorie účinku léčiv.

OEt

HN

O

Me

OH

O

OH

OH

O

O

Me O

fenacetin salicylovákyselina

acetylsalicylovákyselina

20. století Rozvoj biochemie, vzniká farmakologie. Zjištění, že biologická aktivita sloučenin je vázána na esenciální fragment jejich struktury – metoda strukturních variací jako první racionální přístup k vyhledávání nových biologicky aktivních látek.

60. léta 20. století První pokusy o formulování korelací mezi strukturou a biologickou aktivitou látek – QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationships): C.Hansch, S. M. Free a J. W. Wilson).

70. léta 20. století Rozhodovací algoritmy pro volbu syntetizovaných sloučenin ve vyhledávací fázi farmaceutického výzkumu (Toplissovo operační schéma).

Od 2. poloviny 80. let 20. století Rozvoj výpočetní techniky umožňuje stále dokonalejší 3D studium interakcí sloučenin s receptory – vznik 3D-QSAR Kombinatoriální chemie - syntéza chemických knihoven + high throughput screening

Medicinální chemie, farmaceutická chemie, farmakochemie

Vznikla s rozvojem farmaceutického průmyslu v průběhu 20. století

vývoj nových léčiv na základě vyhledávání nových biologicky aktivních látek (interdisciplinární obor integrující organickou chemii, biochemii a farmakologii ...)

vývoj generik

Současná situace: soustředění základního farmaceutického výzkumu zaměřeného na vývoj

nových typů léčiv pouze do několika ekonomicky nejsilnějších farmaceutických firem

snaha o maximální racionalizaci všech aktivit spojených s vývoje nového léčiva s cílem zkrátit dobu potřebnou k uvedení na trh a snížit náklady na vývoj

stále větší zapojení originátorských firem do oblasti generických léčiv

„Náhodný“ objev (Serendipitous discovery)

Identifikace účinné látky z tradiční medicíny/přírodních zdrojů Lekce 13,14 JH

Selective Optimization of Side Activities (SOSA) Lekce 2

Drug Repurposing Lekce 2

Využití výsledků metabolických studií Lekce 2

Chiral switch

Combichem + High-Throughput Screening (HTS)

Racionální návrh léčiv (Rational Drug design)

DRUG DISCOVERY

DD&D - PIPELINE CONCEPT

DRUG DISCOVERY DRUG DEVELOPMENT DRUG MARKETINGDRUG EXPANSIONS

Idea

Synthesistesting

:hit

Hit to leadchemistry

leadoptimization

"candidate"

ClinicalStudies

Phase I, II, III

Postmarketing

surveillance

Newclinical

indications

New forms

Marketingsupport

Preclinicaltesting strategy

Clinical StudiesApproval

NDA

Launch

Phase IV

Preclinicaltesting

NCE 1981-2010

B – biologická léčiva N – přírodní léčiva ND – semisyntetická léčiva; S – syntetická bez předlohy s novým farmakoforem S* – syntetická bez předlohy s farmakoforem přítomným v přírodních látkách S/NM – odvozená od přírodních V - vakciny

“Using structural information about drug targets or their

natural ligands as a basis for the design of effective drugs.”

Rational Drug Design využívá:

3D struktury receptorů (enzymů), de novo návrh ligandů 3D struktury jejich přirozených ligandů k mapování (agonisté, antagonisté, enzymové inhibitory, …)

3D struktury komplexů enzym-inhibitor nebo ligand-receptor

RACIONÁLNÍ NÁVRH LÉČIV

Metoda strukturních variací Předpoklad: biologická aktivita je dána pouze určitou substrukturou. Postup: obměnou se zjistí, které části původní molekuly jsou:

nepostradatelné, avšak zaměnitelné bez ztráty účinnosti jsou postradatelné, nemají podstatný vliv na biologickou aktivitu nepostradatelné pro zachování biologické aktivity a nezaměnitelné za jiný

strukturní element. Soubor nepostradatených fragmentů (nosných, esenciálních): farmakofor.

Metodiky obměny struktury

N

FO

COOH

R3N

R1

R28

31

46

7NN

OCOOH

C2H5

H3C

31

45

7

kyselina nalidixová antibakteriální chemoterapeutika 3. generace

Bioisosterie - pracovní hypotéza využívaná v metodě strukturních variací. Předpoklad: u strukturně podobných fragmentů s podobným rozložením hustoty elektronů lze očekávat podobný vliv na biologickou aktivitu látky.

O

OR1 NO

N

NH2

NH

O

OH

NNN

N

H

O

R1

Bioisostery esterové funkce

Bioisostery amidinů

N O

N

Bioisoster karboxylové funkce

nebo

NH

NH

O

Bioisostery amidů

O

R

Bioisostery thiomočoviny

NH nebo NH nebo NH

RNH

S

NH2

N

NH2

CNN

NH2

NO2N

NH2

SO2NH2

Metodiky obměny struktury

Bioisosterie COOH - tetrazol

NO O

H

NN

NNN H

sartany

N

O

OH

OF

NN R

N

OF

NN R

NN

NN

HN

OF

NN R

SNH

O

aktivní inaktivní aktivní

NN

ON H

O

Metodiky obměny struktury

Bioisosterie – H2 antihistaminika

N

HN

HN

N-guanylhistamin

N

HN

S

Me

HN N N

HNMe

cimetidin

OS

HN

NO2HN

Meranitidin

NMe

Me

S

NS N

famotidin

NH2N

NH2

NH2SO2NH2

N

HN NH2

histamin

NH

NH2

N

HN

burimamidneúèinný in vivo

HN

HN

MeS

N

HN S

metiamidúèinný, vedl. úèinky

HN

HN

MeS

Me

Metodiky obměny struktury

Vliv prostorového uspořádání funkčních skupin v molekule na biologickou aktivitu

Vliv konstituce COOH

OH

COOH

HO

kyselina salicylová kyselina 4-hydroxybenzoováantipyretikum ( jako Ac - derivát)protizánì tlivé úèinky (jako Ac -derivát)antiagregaèní úèinky (jako Ac derivát)keratolytikum

dezinficiens (estery)

H COOH

HOOC H

H COOH

H COOH

kyselina (E)-butendiova (fumarová)dezinficiensvehiculum pro Fe2+

kyselina (Z)-butendiova (maleinová)iritant

NH2Ph

tranylcyprominantidepresivum

COOHH2N

tranexamová kyselinaantifibrinolytikum

klopamiddiuretikum

Cl

H2NSO2O

NH N

Me

Me

Pøíklady látek, jejichž aktivita je vázána na urèitou relativní konfiguraci na cyklu:

Vliv konfigurace

Vliv konfigurace – chiralita Enantiomery se obvykle liší biologickou aktivitou (proč asi???) účinek,

účinnost, toxicita. Eutomer - stereoisomer s vyšší biologickou aktivitou Distomer („isomerní balast“) - stereoisomer s nižší biologickou aktivitou. Eudismický poměr – poměr biologické aktivity eutomeru a distomeru.

Příklady: a) rozdílná míra účinku

MeO

COOH

Me

(S)-naproxen28x úèinnì jší

MeO

COOH

Me

(R)-naproxen

Me3+N

O Me

Me O

Cl-

(R)-methacholin

Me3+N

O Me

Me O

Cl-

(S)-methacholin 250x úèinnì jší

N

F

N

COOH

OMe

O

NMe

ofloxacin

N

F

N

COOH

O

O

NMe

levofloxacin(S)-ofloxacin

Me

Vliv prostorového uspořádání funkčních skupin v molekule na biologickou aktivitu

Privilegovaná struktura Termín byl původně navržen koncem 80. let pro struktury, které

reagují s určitým typem receptorů/receptorů nebo se skupinami

receptorů.

Funkcí takové struktury je nést funkční skupiny interagující s

danými receptory ve vhodném prostorovém uspořádání

(molecular scaffold).

Ukazuje se, že řada privilegovaných struktur interaguje s větším

počtem „molecular targets“.

Vhodné privilegované struktury vnáší do molekuly také

„druglikeness“.

Koncept se využívá již ve stadiu navrhování (kombichem – HTS).

Koncept privilegované struktury

Privilegovaná struktura - bifenyl

Koncept privilegované struktury

Privilegovaná struktura – benzodiazepinový skelet

Koncept privilegované struktury

Privilegovaná struktura – dihydropyridinový kruh

Koncept privilegované struktury

Je-li nové léčivo uváděné na trh chirální, registrační autority budou požadovat,

aby byl registrován stereoisomer s lepším terapeutickým efektem.

U již dříve zaregistrovaných racemátů chirálních léčiv budou postupně uváděny na trh enantiomery s lepším terapeutickým efektem (tzv. chiral switch nebo racemate-to-single-enantiomer-switch).

Příklady:

NBu

HN

Me

MeO

bupivakain

NBu

Me

Me

(S)-bupivakain

HN

O

OH

OH

HOHN

t-Busalbutamol

OH

OH

HN

t-Bu(R)-salbutamollevarbuterol

HO

N

MeMeOMe

SNH

N OMeO

omeprazol

N

MeMeOMe

SNH

N OMeO

(S)-omeprazolesomeprazol

Současné trendy ve vývoji chirálních léčiv

Předpoklady:

biologická aktivita látky závisí na jejím transportu k místu účinku (site of action) a na schopnosti látky vázat se k tomuto místu

transport látky k místu účinku závisí na její lipofilitě (→ vlivy farmakokinetické)

schopnost látky vázat se k místu účinku ovlivňují především elektronové a sterické vlastnosti

Obecná formulace vztahu mezi strukturou a biologickou aktivitou látky

Φ = f(X) Φ biologická aktivita X parametry struktury účinné látky Hansch:

log (1/C) = k1 π + k2 π2 + k3 σ + k4 ES + k5 σ Hammettova substituentová konstanta (u substituce aromat. jádra) π substituentový parametr lipofility; πX = log (PX / PH) P - rozdělovací koeficient v soustavě oktan-1-ol - voda ES sterická konstanta

Kvantitativní vztahy mezi strukturou a biologickou aktivitou (Quantitative Structure-Activity Relationships – QSAR)

Jak to funguje?

1. V sérii strukturně příbuzných látek se pro všechny z nich stanoví biologická aktivita.

2. Do matematického modelu se dosadí příslušné známé hodnoty charakteristik jednotlivých členů série (σ, π, ES).

3. Provede se regresní analýza; jejím výsledkem jsou konstanty k1 až k5 modelu.

4. U nově navržené potenciální biologicky aktivní látky můžeme predikovat její biologickou aktivitu. Pravděpodobnost, že skutečné vlastnosti budou odpovídat predikovaným, závisí na kvalitě modelu.

Modely lze různě modifikovat, např.:

použitím Taftových konstant pro popis strukturních obměn v alifatické části molekuly

použití tzv. indikátorové proměnné I (logická proměnná vyznačující přítomnost či absenci) nějakého strukturního fenoménu v molekule (I = 1, fenomén existuje, I = 0, fenomén neexistuje)

Kvantitativní vztahy mezi strukturou a biologickou aktivitou (Quantitative Structure-Activity Relationships – QSAR)

Algoritmizovaná rozhodovací pravidla odvozená na základě Hanschových předpokladů. Nevyžadují vytvoření matematického modelu vztahu mezi strukturou a biologickou aktivitou. Při jejich aplikaci lze rychle nalézt nejúčinnější derivát v sérii strukturně podobných látek.

Příklad (pro derivatizaci aromatického jádra):

4-Cl(s)4-Cl(n) 4-Cl(v)

4-Me(n) 4-Me(s) 4-Me(v)

3-Cl(s) 3-Cl(v)3-Cl(n) 4-t-Bu

4-OMe(n) 4-OMe(s) 4-OMe(v)

3-Cl

3,4-Cl2(n) 3,4-Cl2(s) 3,4-Cl2(v)

4-CF3 3-CF3, 4-Cl

3-CF33-NMe2 3-Me 2,4-Cl2

4-NMe2(s) 4-NMe2(v)4-NMe2(n)

4-NH2, 4-OH

3,5-Cl2 4-NO2 3-CF3, 4-NO2

H

(v) znamená vyšší, (s) stejnou a (n) nižší biologickou účinnost ve srovnání s původní látkou

Toplissovo operační schéma (Toplissův strom)

„Klasické“ QSAR metody (Hansch, Free a Wilson)

Vliv sterických, hydrofobních a elektrostatických interakcí mezi látkou a receptorem na biologickou odezvu formou „černé skříňky“.

Nemohou tedy postihnout vliv vzájemného prostorového uspořádání těch fragmentů látky, které jsou odpovědné za uvedené typy interakcí.

CADD Computer-Assisted Drug Design

CAMD Computer-Assisted Molecular Design (synonymum)

Počátky těchto metod zhruba v 80. letech 20. století (rozvoj výpočetní techniky).

Metody CADD (CAMD) dovolují studovat interakce (prostorové) mezi receptorem a potenciálním léčivem

Princip: komplementarita struktur receptoru a aktivní látky

CADD = CAMD

Molecular docking Je-li známá struktura receptoru (nebývá pravidlem), lze pomocí vhodných výpočetních programů zjistit, zda a jak je navržená látka schopná vázat se k danému receptoru (docking).

Dva základní přístupy: Komplementarita tvarů – srovnávají se tvary receptoru a energeticky

optimalizovaného ligandu Simulace – energeticky se optimalizuje komplex receptor-ligand

CADD = CAMD

„Drug - likeness“

Koncept je založen na tom, že používaná léčiva mají řadu fyzikálně-chemických vlastností v poměrně úzkém rozmezí.

Klíčové vlastnosti: molekulová hmotnost, lipofilita, pKa, …

Jsou používány různá pravidla, nejznámější je Lipinskiho pravidlo 5

(Lipinski rule of 5) pro orální biodostupnost (max. 1 porušení):

Maximálně 5 donorů vodíkových vazeb (NH, OH) Maxaximálně 10 (2 X 5) akceptorů vodíkových vazeb (N, O) MW < 500 Rozdělovací koeficient oktanol-voda - log P < 5 (většinou se neměří,

clog P)

Kvantitativní odhad „drug-likeness“ (QED) v rozmezí 0 až 1 je počítán Speciální softwarem.

a) Modifikace lipofility léčiv např.:

Obě látky (β2-adrenergika) mají stejný farmakofor a uvolňují hladké svalstvo ovládající dýchací cesty.

Salbutamol učinkuje okamžitě po podání (např. při akutních astmatických záchvatech)

Salmeterol (depot v lipofilních tkáních) se používá jako prevence proti tzv. perzistentnímu nočnímu astmatu.

OH

OH

HOHN

t-Bu

salbutamol

OH

OH

HOHN

salmeterol

O

Modifikace farmakokinetických vlastností léčiv

I. Výzkumná fáze – testování

In vitro

testování na tkáňových kulturách

testování na isolovaných orgánech

vazebné studie na isolovaných nebo biotechnologicky připravených receptorech

testování antimikrobiálních (antivirových) látek

high-throughput screening - knihovny

In vivo

vyjímečně jako primární screening

ověření aktivity na omezeném počtu zvířat (myš)

stanovení akutní toxicity

II. Preklinický vývoj

Širší biologické hodnocení

ověření aktivity in vivo na více druzích

farmakokinetika (osud léčiva v organismu, biodostupnost)

farmakodynamika (vliv na KVS, CNS, GIS, UGS) Toxikologické studie

speciální toxikologie (mutagenita, genotoxicita,

teratogenita, kancerogenita, …)

subchronická a chronická toxicita

Optimalizace syntézy, vývoj analytických metod

Vývoj lékové formy

II. Preklinický vývoj

Širší biologické hodnocení

ověření aktivity in vivo na více druzích

farmakokinetika (osud léčiva v organismu, biodostupnost)

farmakodynamika (vliv na KVS, CNS, GIS, UGS) Toxikologické studie

speciální toxikologie (mutagenita, genotoxicita,

teratogenita, kancerogenita, …)

subchronická a chronická toxicita

Optimalizace syntézy, vývoj analytických metod

Vývoj lékové formy

III. Klinický vývoj

Fáze 0: microdosing – nepovinná fáze

Fáze I: metabolická studie a farmakokinetika u zdravých

dobrovolníků

Fáze II: jednotlivé a opakované podání pacientům,

v různých dávkách (ověření účinku, vedlejší účinky,

biochemické parametry, hladiny léčiva a metabolitů)

Fáze III: opakované podání – srovnávací studie se známými

standardy (multicentrická studie)

(Fáze IV: Postmarketingové monitorování)

GENERICKÁ LÉČIVA

Existence schváleného srovnávacího originálního léčiva v dané zemi

Identická API (Active Pharmaceutical Ingredient), excipienty se mohou lišit

Identická síla, léková forma a cesta podání (x supergenerika)

Identická indikace

Musí být bioekvivalentní s originálním léčivem

Musí mít identickou nebo velmi podobnou specifikaci jako originální léčivo

(stejný profil nečistot)

Musí být vyrábět pod SVP = GMP (Good Manufacturing Practice)

Generická léčiva – terapeutické ekvivalenty originálních léčiv zaváděná po uplynutí patentové ochrany a ochrany registračních dat v dané zemi EU – Essential similarity

Bioekvivalence Bioequivalence Termín z oblasti farmakokinetiky. Dva různé přípravky obsahující stejnou účinnou látku se považují za bioekvivalentní, jestliže při stejném způsobu podání a stejném dávkování vykazují v rozsahu regulační autoritou povolené odchylky stejnou závislost koncentrace účinné látky na čase v systémové cirkulaci. Při uvádění generických přípravků na trh je nezbytné prokázat jejich bioekvivalenci s originálem. Je třeba mít na paměti, že definice bioekvivalence se může u jednotlivých autorit odpovědných za registraci léčiv (FDA, EMEA a další) v detailech lišit. Kuchař M. (Editor): Farmaceutický encyklopedický slovník (nakladatelství VŠCHT Praha, 2013???)

Thank you for your kind attention

37

Bioekvivalenční studie

Srovnání originálu z trhu s potenciálním generikem

Provádí se zkřížená studie na dobrovolnících

Vzorky sera/plasmy jsou analyzovány v pravidelných intervalech na API

(popř. účinný metabolit)

Klíčové farmakokinetické parametry (AUC, Cmax, Tmax ) jsou statisticky

vyhodnocovány

90 % konfidenční interval v limitech 80 (90) % to 125 (110) %