DESIGN di FARMACI: RELAZIONI STRUTTURA-ATTIVITÀ

SAR

DESIGN di FARMACI:

RELAZIONI STRUTTURA-ATTIVITÀ

From Patrick

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 –

8. Drug design –

9. Test tossicologici e di safety 10. Sviluppo chimico e produzione

11. Brevettazione e “regulatory affairs”

12. Trials clinici

Targets From Patrick

Design e sviluppo di un farmaco

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?

Malattia di interesse del “primo” mondo?

Farmaci già presenti sul mercato?

Se sì, vantaggi e svantaggi degli stessi?

Ci sono vantaggi a livello di mercato nel proporre una nuova terapia?

SAR From Patrick

Malattia target

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

Selettività

SAR From Patrick

Target del farmaco

SAR From Patrick

• Test necessari per trovare lead compounds e per l'ottimizzazione del farmaco

• Prove in vivo o in vitro

• Combinazione di test

Test del farmaco

• 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)

In vitro

Target del farmaco

SAR From Patrick

Tests

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

• 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

Test

• 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 di inibizione enzimatica

Test recettoriali

• 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

Test

In vivo

• 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

Lead Compound

SAR From Patrick

Lead Compound

N CH₃ MeO

HO

OH

CH₃

H₃C N

OMe O H₃C

O H

H

N C O

O

(CH₂)₅ O C MeO O

MeO

OMe

OMe

N

OMe

OMe

OMe MeO

CH₃ H

Atracurium

(Neuromuscular blocker) Tubocurarine

(from curare)

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 –

8. Drug design –

9. Test tossicologici e di safety 10. Sviluppo chimico e produzione

11. Brevettazione e “regulatory affairs”

12. Trials clinici

Targets From Patrick

Design e sviluppo di un farmaco

• 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

Identificare quali gruppi funzionali sono importanti per il legame e / o attività

From Patrick

SAR: Relazioni Struttura - Attività

SAR

From Patrick

SAR

• 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

Cosa può essere fatto

SAR

Identificare quali gruppi funzionali sono importanti per il legame e / o attività

• 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

Pharmacophore From Patrick

Definisce lo scheletro minimo che lega i gruppi di binding importanti

O

N-Me HO

HO

Morfina

Farmacoforo

O

NMe HO

HO

From Patrick

SAR

SAR

Morfina

O

NMe H

CO

HO

Codeina

DIMINUZIONE DELL’ATTIVITÀ

From Patrick

SAR

SAR

O

NMe HO

O

6-ossimorfina

ATTIVITÀ INALTERATA

From Patrick

SAR

SAR

O

NMe HO

HO

Morfina

GRUPPI IMPORTANTI PER L’ATTIVITÀ

From Patrick

SAR

SAR

O

NMe HO

HO

GRUPPI IMPORTANTI PER L’ATTIVITÀ ANALGESICA

From Patrick Pharmacophore

O

NMe HO

HO

NMe HO

Farmacoforo

O

NMe HO

HO

NMe HO

Levorfanolo

NMe HO

Metazocina CH

H

C

From Patrick Pharmacophore

NMe HO

Farmacoforo

O

NMe HO

HO

NMe HO

Levorfanolo

NMe HO

Metazocina CH

H

C

From Patrick Pharmacophore

NMe HO

NMe HO

NMe HO

Farmacoforo

Definisce le posizioni spaziali relative dei gruppi di binding

N HO

HO

N

x α

x

β

From Patrick Pharmacophore

3D

O

NMe HO

HO

Farmacoforo

From Patrick Pharmacophore

Farmacoforo

From Patrick

Farmacoforo

Pharmacophore

O

N

Ar

From Patrick Pharmacophore

O

N

Ar

7.098 A 2.798 A

4.534 A

11.3^o 150^o

18.5^o

Farmacoforo

From Patrick Pharmacophore

O

N

Ar

7.098 A 2.798 A

4.534 A

11.3^o 150^o

18.5^o

HBA

Ionic

vdW

Farmacoforo

H-bond donor or acceptor aromatic

center basic or

positive center

H O CO2

ASP

SER

PHE Binding

site

Pharmacophore

H-bond donor or acceptor aromatic

center basic or

positive center

H O CO2

ASP

SER

PHE Binding

site

Pharmacophore From Patrick

Farmacofori ottenuti dai siti di binding del target

H-bond donor or acceptor

aromatic center basic or

positive center

Pharmacophore

HO

NH₂

HO

HO

NH₂

HO

HO

NH₂

HO

Ar Ar

Basic HBD/HBA

HBD/HBA

Triangolo farmacoforico della dopamina

From Patrick

SAR

• 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

Cosa può essere fatto

SAR

Identificare quali gruppi funzionali sono importanti per il legame e / o attività

HBD

Possibili interazioni di legame

Possibili analoghi

X

Binding site

X= N or O O H

Drug

O H Drug

X

Binding site H HBA

R OH R OMe

CH₃I

CH₃COCl

R O O

CH₃

CH₃SO₂Cl

R O S O

CH₃ O

LiAlH₄

R H

Alkane

From Patrick

SAR: alcooli

SAR

X

Binding site

X= N or O

X

Binding site H

No interaction as HBD No interaction as HBA

steric shield

O CH₃ Ether analogue

O CH₃ Ether analogue

Ether Ester

Possibili interazioni di binding di gruppi ammonici

Ionic H-Bonding

HBD

X

Binding site

X= N or O CO2-

Binding site NH₂R Drug

+ ^{N H}

Drug

R2

+

R₃+NH acts as a strong HBD

From Patrick

SAR: ammine

SAR

Possibili interazioni di binding di ammine (free base)

HBD

X

Binding site

X= N or O

X

Binding site H HBA N H

Drug

R N

R Drug

H

H-Bonding

Not if tertiary, obviously

Effect on binding

CO2-

Binding site No interaction

N CH₃ O

R Amide

analogue

• 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)

R NH₂

CH₃COCl

R HN

O

CH₃

From Patrick SAR

Possibili analoghi

SAR: ammine

Ammine e ammidi

CO2-

Binding site Ionic bonding

NR3

Drug

+

NR3

Drug

+

Induced dipole interactions

Binding site d-d+

SAR From Patrick

SAR: sali ammonici

Possibili interazioni di legame

Possibili analoghi

Dipole-dipole interaction

Binding site (X= N or O) X

H

H-Bonding HBA

O Drug

Binding site O Drug

R R'

O ^{NaBHLiAlH44 or}

R R' HO H

Ketone Planar sp² carbon centre

2^o Alcohol Tetrahedral sp³

carbon centre

SAR From Patrick

SAR: aldeidi e chetoni

Possibile analoghi

Effetti sul binding

Binding site (X= N or O) X

H H

OH Alcohol analogue

Variazione della stereochimica (planare a tetraedrica)

Diverso posizionamento dell'ossigeno Se ancora attivo, ulteriori reazioni possono essere eseguite sull’alcool per stabilire l’importanza dell'ossigeno

Possibili interazioni di legame

• L’idrolisi scinde la molecola e può portare a perdita di attività a causa di perdita di gruppi funzionali - adatto solo per gli esteri 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 alcol rimuove gruppo carbonile e può permettere di stabilire l'importanza dell'ossigeno carbonilico, ma la reazione può essere difficile da fare se sono presenti altri gruppi funzionali labili

R C

O

O

CH₃

LiAlH₄

NaOH ^R _C ^OH

O

CH₃ HO

R CH₂

OH

+

Carboxylic acid Alcohol

1^o Alcohol

SAR From Patrick

SAR: esteri

H-bond come HBA di entrambi gli ossigeni

Possibili interazioni di legame

Possibili analoghi

• Gli esteri sono generalmente idrolizzati dalle esterasi a livello ematico

• Gli esteri possono essere importanti nella farmacocinetica (cioè in qualità di profarmaci)

• L’estere maschera un gruppo polare

• Permette il passaggio attraverso la membrana cellulare

C O O

R

Prodrug

O C R O

Prodrug

Fatty Barrier

C O O

R

O C R O

C OH O

Esterase Drug

OH

Esterase

Drug

SAR From Patrick

SAR: esteri

• L'azoto di un’ammide non è un HBA - doppietto interagisce con il C=O

• Amidi terziarie: no H, quindi non HBD

Binding site (X= N or O) X

H

Binding site (X= N or O) X

HBA HBD

N

Drug H

O R

N Drug

H O

R

SAR From Patrick

SAR: ammidi

R C HN

O

R'

LiAlH₄

NaOH R

C OH O

R' H₂N

R C H₂

NH₂ +

NaH / MeI

R C

CH₃ N O

R'

Carboxylic acid Amine

1^o Amine

3^o Amide

Possibili interazioni di legame

Possibili analoghi

• 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

SAR From Patrick

SAR: ammidi

• L’N-metilazione impedisce l'interazione come HBD e può introdurre un effetto sterico che blocchi un’interazione come HBA

Possibili analoghi

No binding as HBD X

N CH₃

O

R Analogue

binding site

Binding of O as HBA hindered X

H N

CH₃ R O

steric shield Analogue

Binding site (X= N or O) X

HBA H

Binding site (X= N or O) X

H C HBA H O

Drug

O C

O H Drug

O

Binding site (X= N or O) X

C H O Drug

O

HBD

SAR From Patrick

SAR: acidi carbossilici

Binding site (X= N or O)

X HBA H

Binding site (X= N or O) NHR₂

+

Ionic bonding O

C O Drug

-

O C O Drug

-

• Nel carbossilato gli ossigeni sono forti HBA

• Il gruppo può instaurare legame ionico e legami idrogeno contemporaneamente

Possibili interazioni di legame

Possibili interazioni di legame come carbossilato

• La riduzione rimuove l’ossigeno carbonilico (HBA) e impedisce la ionizzazione

• L’esterificazione previene la ionizzazione, le interazioni HBD e può ostacolare HBA per effetto sterico

No ionic bonding possible NHR₂

binding site C O

O Analogue

CH3

+

H-Bonding hindered X

H steric shield

C O

O Analogue

CH3

R C OH O

LiAlH₄

H⁺ / R'OH R

C OR' O

R C H₂

OH

Ester

1^o Alcohol

SAR From Patrick

SAR: acidi carbossilici

Possibili analoghi

binding site binding site

Drug Drug

R R

hydrophobic region

vdw

vdw

hydrophobic pocket

H₂ / Pd/C H₂ / RaNi

Drug Drug

H R' H

R H

R' H

R

H H

SAR From Patrick

SAR: anelli aromatici e alcheni

Possibili analoghi

binding site binding site

Analogue

H H

No fit

Analogue

R R

H H

‘Buffers’

Possibili interazioni di legame

hydrophobic slot binding site

Drug

CH₃

van der Waals interactions

binding site

hydrophobic ‘pocket’

Drug

CH₃ CH₃ H₃C

SAR From Patrick

SAR: gruppi alchilici

N CH₃

VOC-Cl

N H

R'X

N R'

HBr R'X

O CH₃

O H

O R'

Hydrolysis R'OH

C

OCH₃

C OH

O O H

C OR' O Drug

Drug

Drug

Analogue

Analogue

Analogue

• Variazioni di gruppi alchilici facili se sostituenti di

eteroatomi

• Variazione della lunghezza e dell’ingombro del gruppo

alchilico per definire lo spazio disponibile

Possibili interazioni di legame

Possibili analoghi

• 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

Gruppi funzionali e farmaci