T.3- El disseny molecular com a eina en la indústria farmacèutica per al descobriment de nous fàrmacs (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad de Barcelona (UB)
Grado Ciencias Biomédicas - 4º curso
Asignatura Estratègies terapèutiques
Año del apunte 2016
Páginas 15
Fecha de subida 02/10/2017
Descargas 0
Subido por

Vista previa del texto

Estratègies terapèutiques TEMA 3. EL DISSENY MOLECULAR COM A EINA EN LA INDÚSTRIA FARMACÈUTICA PER AL DESCOBRIMENT DE NOUS FÀRMACS Objectiu terapèutic: sobre que volem treballar. Primer es defineix l'objectiu.
Estratègies en la proposta de nous fàrmacs Hem de definir l’objectiu terapèutic que volem assolir i hem de tenir clar on volem arribar, en aquest cas a la proposta de fàrmac candidat a desenvolupament. Dins d’aquesta línia hi ha tres grans departaments que intervenen, primer de tot la farmacologia que son els que es dedicaran a definir els assaigs biològics que puguin mesurar aquest objectiu terapèutic. El departament de disseny i molecular comença a estudiar unitats estructurals que pugin encaixar en aquests receptors que el departament de farmacologia ha posat apunt.
Un cop tenim les propostes fetes passem al departament de química farmacèutica i síntesis, i la testarem en farmacologia. En funció dels resultats tornaran al disseny molecular per tan d’avaluar els vanis i tornarem a sintetitzar i fer l’assaig. Es a dir que es un cicle continu, que es el cicle de descobriment de nous fàrmacs.
Etapes en la proposta de nous fàrmacs El departament de química computacional intervé a totes les etapes. Primer s'ha de fer la identificació de nous caps de sèrie (leads), després la expansió i finalment l'optimització.
Cap de sèrie: compost amb activitat biològica preliminar destacable, i que aporta originalitat en la seva estructura química, que sigui patentable.
15 Estratègies terapèutiques Identificació de nous caps de sèrie Per poder trobar nous compostos, utilitzem tècniques HTS (high thoughtput screening). Si tenim una diana terapèutica que capigui a un pouet i sobre cada pouet passem una molècula i mirem l'activitat a veure si es bona o dolenta. El que tingui millor activitat es pel que començarem a treballar. Per fer això hem de testar milions de molècules.
Abans de fer el HTS es fa el virtual HTS, amb ordinador. Primer es fa l'screening i les molècules que funcionin les provarem després amb HTS.
Si tenim un cristall fem el V.hTS sobre les característiques del centre actiu. SI no tenim cristall, extraiem els lligands que son actius sobre la diana , extraiem el farmacofor. Sobre aquest farmacofor traurem aquest HTS.
Automatització: síntesi Química combinatòria: tècniques semi-automàtiques que sintetitzen compostos que podem utilitzar després pel v-HTS.
Work-up: purificació i extracció del producte que es fan un cop tenim la molècula identificada. La màquina chemspeed ja ho permetia fer.
16 Estratègies terapèutiques Sistemes manuals per a síntesi en paral·lel: - Flexchem: robbins scientific - Diversomer: diversomer technologies Sistemes semi-automàtics per a síntesi en paral·lel: - PLS4x6: advanced chemtech - Quest210 : argonaut technologies Sistemes automàtics per a síntesi en paral·lel: - Chemspeed: atmosfera inerta, reactors de vidre, reflux, temperaturas entre -70 fins 150ºC, reactors de vidre, volums de 5 a 100 ml, fins 112 reactors en paral·lel, evaporació en paral·lel.
HTC: exemple de síntesi en dissolució Per reduir el nombre em quedo amb el 10% però el nombre de compostos que hauríem de fer es de 19 milions es massa. Com podem reduir el nombre de reactius per fer molècules representatives dels 19 milions.
Per fer això necessitem un filtre que està basat en la diversitat en la selecció.
17 Estratègies terapèutiques Càlcul de la diversitat molecular basat en descriptors moleculars Quan hem calculat tots les descriptors, fem un anàlisi de CLUSTER.
- Basat en descriptors moleculars: aplicació en optimització de leads. Biblioteques dirigides - Basat en el farmacòfor: aplicació en el descobriment de leads. Biblioteques exploratòries (prospective libraries) Descriptors: - Informació estructural (connectivitat, etc.) - Nombre d’heteroàtoms - Nombre de grups que actuen com a acceptors o donadors de ponts d’hidrogen - Lipofília: logP, logD7.4 - Pes molecular - Volum de Van der Waals - Moment dipolar - Volum de potencial electrostàtic molecular - Etc.
La reducció del nombre de molècules es realitza mitjançant anàlisi de CLUSTER.
Ànalisi de CLUSTER Un cop tenim les molècules en un mapa, l’ordinador selecciona les molècules que tenen una semblança més elevades en quan a descriptors. Els compostos es troben distribuïts en un espai multidimensional en funció dels descriptors.
Un cop identifiquem les famílies, considerem l'element central de cada família com element representatiu de cada grup.
Fins aquí és la manera de preparar una biblioteca de molècules diverses per poder testar-les.
Els compostos s’agrupen en clústers en funció de la similaritat respecte als descriptors moleculars. S’identifica el compost central del clúster i es seleccionen aquests compostos.
18 Estratègies terapèutiques Diversitat basada en el farmacofor A cada pouet es posa un receptor diferent i es testen moltes molècules sobre molts receptors. Si en un receptor s'identifica una molècula que te activitat s'estan identificant dues coses, un cap de sèrie i una molècula diana. Per fer aquesta estratègia, la llibreria de compostos que hem de seleccionar no es pot basar en la diversitat de propietats fisicoquímiques i estructurals com hem dit anteriorment. S'ha de fer una llibreria basada en al diversitat farmacoforica.
Un farmacòfor és un conjunt de propietats que van lligades a una acció farmacològica determinada.
El farmacofor es present als punt mínims d'interacció amb una molècula per tal d'assolir una activitat farmacologica correcta.
Una molècula sola pot tenir diversos farmacofors. L'ordinador extreu el màxim nombre de farmacofors que pugui tenir una molècula, per exemple 3 (A, B, C) i quan els tenim identificats mirem dins de la caixa si existeixen o no. Com que la caixa està buida no existiran i per tant la molècula la posem a la caixa.
La següent molècula te els farmacofors (A, B i D) com que té un farmacofor diferents que no esta a la caixa, la molècula ens interessa i la posem dins.
Arribarà un moment en que la molècula que vingui ja tindrem tots els farmacofors dins de la caixa i per tant aquella molècula ja no l’agafarem.
19 Estratègies terapèutiques Estem aconseguint seleccionar molècules en les quals cadascuna té una activitat terapèutica nova. Llavors traslladem la llibreria de les molècules als pouets.
La finalitat es trobar un compost amb una activitat micromolar amb una estructura química no patentada i que pugui servir com a punt de partida.
En explorar un nou objectiu biològic (amb requeriments desconeguts) interessarà estudiar el major nombre possible de farmacòfors. La diversitat farmacofòrics es fonamenta en generar col·leccions que amb el menor nombre de compostos proporcionin el màxim nombre de farmacòfors.
S’utilitzen les denominades claus farmacofòriques que guarden tots els farmacòfors presents en una llibreria de compostos.
Creació de les claus farmacofòriques Una clau farmacofòrica consistirà en una sèrie de blocs de dades (sèries de 32 bits) un per a cada farmacòfor, tenint en compte els tipus de centres involucrats, així com les distàncies entre els centres que defineixen el farmacòfor.
Selecció de les molècules en funció de la diversitat farmacològica Les molècules s’inclouran en la selecció si proporcionen nous farmacòfors als ja continguts en la clau farmacofòrica.
Expansió de caps de sèrie Obtenim una molècula amb baixa activitat i per això l’hem de millorar químicament. Hem de passar de milimolar a nanomolar.
Si tenim el receptor cristal·litzat farem una modelització directa i si tenim un receptor serà modelització molecular indirecta on només utilitzen lligands.
20 Estratègies terapèutiques Inhibidors de PDE4 (fosfodiesterasa) La fosfodiesterasa obre l'AMP i el transforma en 5-AMP. L'AMP es molt important perquè té un efecte antiinflamatori i de broncodilatació. SI podem bloquejar la fosfodiesterasa, aconseguirem que AMP augmenti i que augmenti l’efecte antiinflamatori. Un inhibidor de PDF4 serà un antiinflamatori i un broncodilatador.
Per cada molècula es van identificar les interaccions que es pot fer sobre els àtoms o podem identificar-les a través del camp d'interacció molecular. Això es fa amb un programa que es diu grid (nitraquazona) que és una sonda que passem al voltant de la molècula. SI volem identificar acceptors posem una sonda donadora.
Superposem totes les molècules i tots els mapes i localitzem les posicions comunes. Amb tot això construïm el farmacòfor, amb les regions més preparades.
El farmacofor busca sobre una base de dades i trobarà les molècules que compleixin el farmacofor i per tant seran molècules que tinguin activitat PDF4.
Dins de la cerca es va trobar el losartan que es una molècula diürètica (inhibidor de la Angiotensina 1) però resulta que te com efecte secundari, una activitat sobre la PDF4.
Tenim el compost i el modificarem perquè el seu efecte secundari sigui el primari. Si el losartan era de 26 nanomolar, el rolipram era de 0.3 nonamoloar. Es va optimitzant. Volem tenir una molècula selectiva per PDE4 i no per PDE3 perquè es troba al cor i podria produir citotoxicitat.
Ara canviem també la part superior, hem aconseguit 2.9 nanomolar. Es van fer moltes mes molècules i al final es va arribar a un pDE4= 0.9 nanomolar i respecte la PDE3 hi ha un marge que ens dona molta mes seguretat.
El mecanisme d’acció és la degradació dels nivells de cAMP. Ens permet determinar farmacòfors i buscar en bases de dades tridimensionals (obtenció d’un lead compound i modificacions químiques).
21 Estratègies terapèutiques Mapa de grid (sonda N1) nitraquazona Cerca del farmacòfor en bases de dades tridimensionals Concepte: - Coordenades de les estructures en 3D - Preparades per a la recerca de farmacòfors (parametrització. Descripció de centres actius): dadors de ponts d’hidrogen, acceptors de ponts d’hidrogen, centre aromàtics, centres lipòfils, centres àcids i centres bàsics.
Objectius: - Identificar molècules que encaixen amb la hipòtesi dels requeriments estructurals necessaris per a l’activitat (farmacòfor).
- Quan es realitzi la recerca en bases de compostos corporatius i d’estàndards, permetrà trobar antics compostos amb noves bioactivitats (nou lead).
Bases: - Bases 3D estàndards - Bases 3D corporatives Inhibició PDE’s derivats del losartan 22 Estratègies terapèutiques Inhibidors COX-2 selectius - Mecanisme d’acció: metabolisme de l’àcid araquidònic.
- Obtenció del lead compound - Estudis de modelització molecular: modelització indirecta, directa.
Efectes fisiològics de les prostaglandines.
Totes les prostaglandines provenen del metabolisme de l'àcid araquidònic. Tenim les vasodialatodores, les que disminueixen la secreció gàstrica i citoprotectores de l’estómac.
L'àcid araquidònic es transforma seguint la via de la COX-1, de la lipooxigenasa i de la COX-2. El nostre organisme sempre té una concentració determinada de la COX-1 i de la lipooxigenasa mentre que el COX-2 es un enzim induït perquè normalment no esta al nostre organisme a no ser que es produeixi una lesió.
Quan l’àcid araquidònic es metabolitzat per COX1 forma prostaglandines i tromboxans. Amb la lipooxigenasa obtenim els leucotriens.
Quan bloquegem la COX-1 obtenim ela AINES Si bloquegem la COX2 obtindrem antiinflamatòries selectius sense efectes secundaris gàstrics perquè no alteren el HCL gàstric.
Metabolisme de l’àcid araquidònic 23 Estratègies terapèutiques Obtenció del “lead compound” Modelització molecular directa - Publicació de l’enzim COX-2 en el PDB - Comparació dels centres actius COX-1 i COX-2 - Inhibidors COX-2: SC-558 (cristal·logràfic) - Inhibidors COX-2: compost 1 Virtual screening with exclusion spheres pharmacophore workflow LFA-1 antagonists: validation of the docking tool - Seleccionar el farmacòfor - Aplicar les esferes d’exclusió que són els punts de l’espai on la molècula no pot tocar perquè estan representant els àtoms d’interacció. La molècula que trobem ha d’estar dins però sense tocar cap d’aquestes esferes.
- El CDOCKER està representant el centre actiu, és molt més selectiu.
Ara ja tenim un fàrmac efectiu però volem que sigui actiu. Un fàrmac actiu és aquell que quan te’l prens té 24 Estratègies terapèutiques un bon ADME.
Primer hem de mirar com podem modificar l’estructura sense perdre l’activitat que ja tenim per a que tingui un millor perfil farmacològic.
ADMET: afegim l’anàlisi de toxicitat.
Optimització de caps de sèrie 25 Estratègies terapèutiques Primer mirarem la potència (eficàcia) i la selectivitat del COX-2 i després analitzarem el ADME.
A vegades enlloc de sintetitzar moltes molècules per mirar quina es la millor, fem un estudi virtual per veure quins components de l’estructura serien els millors. Això és l’anàlisi de QSAR: quantitative structure activity relationship.
S’analitzem paràmetres de volum per exemple i es va fer una correlació amb l’activitat. El millor compost amb relació amb l’activitat eren els 0.3731 L – 0.8521 SIGMA + 3.3198 L= fa referència al tamany SIGMA= efecte electrònic El que ens diu aquesta equació és que el compost amb més activitat ha de ser el compost que tingui un volum petit i que tingui una activitat sigma a través d’electrons, que tregui molts electrons (això ho sabem pel signe -). Si treu electrons té un valor negatiu i per tant si volem que el predicted (activitat) sigui el més gran possible necessitem que el sigma sigui negatiu.
ADME Dins de l’optimització la part més important és aquesta. Els principals motius de fracassos en la creació de nous fàrmacs és la farmacocinètica i la manca d’eficàcia.
L’absorció depèn de la permeabilitat de la membrana i de la solubilitat del compost. Si donem un fàrmac insoluble amb aigua, tampoc es solubilitzarà amb la sang, precipitarà i farà un trombo.
Però també ha de tenir una bona distribució en l’organisme, hi ha teixit hidròfils, lipòfils... perquè pugui arribar ve el fàrmac a l’òrgan diana.
L’absorció i la distribució depèn de: - Tamany molecular: una molècula molt gran li costarà més atravessar la membrana - Lipofilia: la membrana cèl·lula es una doble bicapa lipídica, al mig hi ha una capa de lípids. Si la molècula es massa lipòfila no podrà passar.
- pKa: no és el mateix tenir un compost que en pH fisiològic estigui hidrolitzada amb una carrega elèctrica, protonada o una molècula no ionitzada. Una molècula carregada té un comportament electrònic en la membrana diferent que una no carregada.
- Capacitat de formació de ponts d’hidrogen. La molècula està envoltada de molècules d’aigua però quan entra amb el receptor s’han de separar perquè les interaccions canviïn.
26 Estratègies terapèutiques Es transforma l’entorn hidrofòbic de la partícula de greix a hidrofílic. Això es perquè hi ha molècules que fan ponts d’hidrogen amb l’aigua i així la molècula surt.
Optimització de l’ADME Programa GRID La sonda es d’aigua i mesura quines son les regions de solvatació.
En la interacció sonda-molècula s’aplica una força sobre la molècula.
27 Estratègies terapèutiques Les consideracions són: - Càlculs estàtics - Molècules en solució - Superfície d’interacció dinàmiques (moviments conformacionals) Estratègia grid-dinàmica molecular 28 Estratègies terapèutiques Predicció del pas de barreres biològiques Com ho podem predir sense fer l’assaig? Obtenim una equació En un 85% d’encert podríem classificar les molècules que podrien passar la barrera i les que no, això ho veiem en la r.
En l’absorció apliquem el mateix principi, en aquest cas volem saber la qualitat d’absorció de betabloquejants.
Caco: tipus de cèl·lules.
Conclusions - Els estudis de modelització molecular han mostrat una gran utilitat en les diferents etapes en la proposta de nous fàrmacs candidats a desenvolupament - En el procés de descobriment i optimització de nous compostos, es fonamental la interacció i col·laboració entre els diferents departaments: Química Mèdica, Farmacologia i Disseny Molecular.
29 ...

Comprar Previsualizar