STRATEGIE PER MODIFICARE UN LEAD
La ottimizzazione di un ’lead’ avviene attraverso la realizzazione di una serie di modificazione strutturali basati su:
§ Principio di Isosteria (approccio analogico)
§ Semplificazione e Complicazione Molecolare (approcci disgiuntivi e congiuntivi)
ü Principio di Omologia lineare e ciclica ü Ciclizzazione (Rigidificazione)
ü Blocco conformazionale ü Raddoppiamenti
ü Modificazioni steriche
OTTIMIZZAZIONE DEL LEAD/SAR SEMPLIFICAZIONE MOLECOLARE Semplificazione molecolare: Approccio disgiuntivo
§ Nei lead di origine naturale, spesso di natura molto
complessa, è frequentemente usato il metodo della dissezione della molecola in porzioni più piccole, sulla base della
considerazione che essa possa essere più complessa di quanto necessario per avere la stessa azione biologica. La
semplificazione può avvenire attraverso
• apertura o eliminazione dei cicli
• eliminazione o modificazione delle catene laterali
• semplificazione della stereoisomeria
Alcuni esempi di Semplificazioni
Molecolari
O N O
CH3 H3CO2C
O N O
CH3 O
O
N H2N
NH N
O
N H
N HN
CH3 H3C
H O
H N
N
NH O H3C O
H O
H CH3
H3C
CH3
O O
O HO
H3C
N
O CH3
H3C
O HO
F
Mevinolina
HR-780 Asparlacine Devazepide (MK 329)
Cocaina Eucaina Procaina
Mentre l'approccio iniziale preferito per modificare un lead di origine naturale è quello della semplificazione molecolare, successivamente ed in tutti gli altri casi, si passa a modificazioni che in linea generale tendono a complicare la struttura iniziale. Tali "complicazioni“ possono essere semplici, come nel caso della
omologazione o molto complesse, come nel caso della ibridazione molecolare. Le motivazioni di queste modifiche sono come sempre
§ Migliorare le proprietà farmacologiche (affinità, efficacia, specificità)
§ Ridurre la tossicità e gli effetti secondari.
§ Variare caratteristiche chimico-fisiche (solubilità e la stabilità chimica)
§ Ottimizzare caratteristiche farmacocinetiche (biodisponibilità, stabilità metabolica, distribuzione corporea, durata di azione)
OTTIMIZZAZIONE DEL LEAD/SAR COMPLICAZIONE MOLECOLARE
(APPROCCIO CONGIUNTIVO)
OTTIMIZZAZIONE DEL LEAD/SAR OMOLOGAZIONE
Il concetto di una serie omologa è stato introdotto nella chimica organica da Gerhardt. Nella chimica farmaceutica il termine ha lo stesso significato
Serie omologa = insieme di composti che differiscono per una o più unità metileniche (-CH
2-) ed hanno differenze qualitative e/o quantitative di
attività farmacologica
§ Derivati monoalchilati
R-X, R-CH
2-X, R- (CH
2)
2-X, ….R-(CH
2)
n-X
Come esempio possiamo ritornare alle modificazione alchiliche viste in
precedenza.
§ Derivati bi-funzionali
X-(CH2)n-Y, X-(CH2)n+1-Y….
L’omologazione alchilica permette anche l’allungamento(accorciamento) de catene. La modifica è adatta se il farmaco possiede due gruppi funzionali
importanti per l’interazione con il bersaglio distanziati tra di loro da una catena.
L’allungamento(accorciamento) progressivo della catene alifatiche può alterare la geometria della molecola, determinando variazioni nei meccanismi di azione.
N N
N N
Decamethonium
Hexamethonium
N N HN
OH H3C N N
HN
OH H3C
N N
Ethyl side chain Propyl side chain
La mutagenicità presente nel parziale agonista M1 etilenico viene abolita nel omologo superiore propilico
Il Decametonio (bloccante del recettore nicotinico di placca) rispetto all'Esametonio (bloccante dello stesso recettore a livello gangliare)
OTTIMIZZAZIONE DEL LEAD/SAR OMOLOGAZIONE CICLICA
Espansione/contrazione di cicli
§ L'ampliamento di cicli può essere considerato un caso speciale di omologazione ed anche in questo caso vanno indirizzati, soprattutto, alla ricerca d’interazione ottimale
R1 R
R1 R Regioni d’interazioni
idrofobiche Sito di legame
§ Ma la variazioni conformazionali che tale modifica comporta può modificare la attività farmacologica
CLORPROTIXENE Neurolettico
DOSULEPINA Antidepressivo
Nel passaggio da Clorprotixene
(antagonista dopaminergici D1 e D2) a Dosulepina la omologazione ciclica introduce flessibilità nella struttura che è considerata responsabile della apparizione di una azione antidepressiva (per blocco dei trasportatori di noradrenalina e serotonina NAT, SER) accanto a quella neurolettica
N N
O CO2
NH CO2 Ph
N N O CO2 O2C
Ph
Sviluppo del cilazaprilat
SAR ed ottimizzazione di
dipeptoidi analoghi della colecistochinina
Enalaprilato IC50 34nM
OTTIMIZZAZIONE DEL LEAD /SAR OMOLOGAZIONE CICLICA
Espansione/contrazione di cicli
O
HN O
HN
O Cycle
HO N
H
N O
CH3
O HO O
HO N
H
N
O O
COOH (CH2)n
Cycle logP IC50 (µM)
Cyclobutyl 3.88 12.100
Cyclopentyl 4.44 5.170
Cyclohexyl 5.00 520
Cycloheptyl 5.55 190
Cyclooctyl 6.11 125
Cyclononyl 6.67 85
Cyclodecyl 7.23 247
Cyclododecyl 8.34 1.437
Size IC50 (µM)
2 19.000
3 1.700
4 19
5 4.8
6 8.1
Modificazioni dell’inibitore di ACE
OTTIMIZZAZIONE DEL LEAD/SAR OMOLOGAZIONE ARILICA
§ Un caso particolare di omologazione è quello dell’introduzione nella molecola di gruppi aromatici e, per trasformazione isosterica, anelli eteroaromatici usualmente lipofili, che servono per aumentare la affinità attraverso interazioni lipofile ed elettrostatiche
§ Questi gruppi possono essere sia condensati a cicli preesistenti che usati come sostituenti. Nel caso di ligandi recettoriali si è visto che l'introduzione di tali gruppi trasforma spesso gli agonisti in antagonisti
Il legame idrofobico dei gruppi fenilici
aggiunti ad Acetilcolina con siti accessori del sito attivo determina un notevole
aumento della affinità e la comparsa di antagonismo di tipo competitivo nel composto risultante Adifenina
H3C O N
O
O N
O
Acetilcolina Adifenina
La sostituzione degli ossidrili catecolici con un anello benzenico condensato trasforma l'azione agonista del
Isoproterenolo nell'azione antagonista del Pronetalolo
Naturalmente il risultato finale dipende dalla topologia del sito attivo e dalla capacità, sua o di siti accessori contigui, di accogliere gruppi lipofili e voluminosi come quello fenilico
HN HO
HO
OH H
N OH
Isoproterenolo Pronetalolo
OTTIMIZZAZIONE DEL LEAD/SAR CICLIZZAZIONE
§ Ciclizzare strutture aperte o creare un sistema ad anello aggiuntivo in una data struttura rappresenta uno dei metodi più utilizzati nella ricerca di conformazioni biologicamente attive. Il risultato finale è una molecola con ridotta flessibilità utile ad individuare possibili conformazioni più attive e selettive
§ L'analogo ristretto dell'inibitore della trombina NAPAP è 100 volte più potente del corrispondente farmaco a catena aperta.
§ La ciclizzazione dei derivati piridine imidazo [1,2-a] sostituite porta ad una restrizione conformazionale con la formazione dì un analogo altamente potente come inibitore della H1/K1 ATPasi gastrica
S N H
HN O O
O
N
O S
NH
O O N
O
N O
NH NH2
NH NH2 NAPA
N N O R
CN CH3
R = H,
IC50 = 1.6 µM R = Me,
IC50 = 13.7 µM
N N O
CN CH3
IC50 = 0.09 µM
§ La condensazione di anelli aromatici è anche usata per sondare lo spazio disponibile in zone particolari del sito di legame di un ligando o classe di ligandi
• La melatonina fusa con un diidroindolo, una tetraidroisochinolina e un sistema benzazepinico, rispettivamente (composti I, II e II), rappresentano ligandi per il recettore melatonina MT2 potenti quanto la melatonina ma selettivi per quanto riguarda il recettore MT1. Dal sistema ad anello fuso a sei membri (II) al sistema ad anello fuso a sette (III) ha prodotto un passaggio dall'attività agonista a quella antagonista
§ I tre stereocentri presenti nella struttura del Butaclamolo, analogo rigido dell’aloperidolo, risultano essere importante per l’attività
antagonista dopaminergica (D2). Gli stessi requisiti stereochimici si
trovano nel antagonista D2, Ro 14- 8625
N O OH
F Cl
H OH
H
N
H H H
N
H F
NH2 Haloperidol
(+) Butaclamol Ro 14-8625
N
HN
n-Pro MeO O
N
HN
n-Pro MeO O
N
HN
n-Pro MeO O
I II III
NH
HN O MeO
Melatonina
Riduzione della flessibilità molecolare de amino acidi
Introduzione di strutture cicliche b-turn mimetici Introduzione di strutture cicliche a-elica
CICLIZZAZIONE: Un importante approccio allo studio di peptidi
OH
H3C NH2 CO2H
H3C NH2 CO2H
HN
NH H3C CO2H
N ()n X
HN
N NH
Ri
Ri+3 O O O
H Ri+1
Ri+2
O n = 0,1, 2 X = S, CH2
OTTIMIZZAZIONE DEL LEAD RADDOPPIAMENTO MOLECOLARE
Questo approccio consiste nella duplicazione di un farmacoforo o nella associazione di due farmacofori
Modelli di combinazioni
per farmaci
“twin”
Omodimeri
Associazione’’twin’’
non-identica Eterodimeri
A
A A
A
A B
N
HN H
N
N
OH O
O O
HO O
O
O
O
HN
O O
OH
Tacrina Tacrina
Ac. acetilsalicilico Ac. acetilsalicilico
Diaspirina
Ac. salicilico
Paracetamolo
Acetaminosalolo Linker mode
No linker mode
Overlap mode
Bis-tacrina
§ L'associazione di due entità farmacoforiche identiche genererà un "farmaco gemello identico» o omodimero. Questa prima strategia di progettazione è equivalente ad un processo di duplicazione/ dimerizzazione di un composto attivo o lead.
‘’Twin’’ naturali
presentano un asse di simmetria C
2N
O O
OH OH CHO HO OH
HO
CHO OH
N
N
Lobelanine Gossypol Sparteine
N
NH N N
O H N
NH O N
N O
DACA Bisacridinecarboxamide
P388: IC50 = 98 nM
LL: IC50 = 189 nM P388: IC50 = 23 nM
LL: IC50 = 1.8 nM
Ligandi DNA
§
Farmaci in cui sono delimitate due diverse entità farmacologiche, sono chiamati
"farmaci gemelli non identici” , eterodimeri, farmaci ad azione doppia o ibridi a causa delle differenti risposte farmacologiche mirate da parte delle due porzioni farmacoforiche
§
La strategia di progettazione consiste in l’associazione di due farmacofori differenti allo scopo di produrre un farmaco più potente e/o più selettivo rispetto alla singola entità. Il nuovo composto possiederà due attività farmacologiche iniziali che
potrebbe essere un vantaggio quando i due target sono coinvolti nella stessa
malattia o disturbo. Il farmaco eterodimero produrrà un effetto sinergico modulando contemporaneamente i due bersagli biologici.
§
La nuova struttura avrà una propria identità farmacocinetica (assorbimento, distribuzione e metabolismo) e farmacodinamica, evitando i problemi delle due diverse farmacocinetiche dei farmaci originali. La somministrazione di questo tipo di farmaci gemelli può essere favorevole rispetto ai due farmaci separati.
§
Naturalmente perché questo tipo di ibridazione abbia senso è necessario che i
dosaggi dei due farmaci siano compatibili con il rapporto stechiometrico presente nel farmaco ibrido
OTTIMIZZAZIONE DEL LEAD RADDOPPIAMENTO MOLECOLARE
Eterodimeri
Inibitore duale COX/5-LO Inibitore
COX/5-LO
N N
CF3 H2NO2S
N
O O O
F O
N
H3CO2S N O F
O O
Colecoxib (COX-2 inibitore) ZD-2138 (5-LO inibitore)
COX: IC50 = 50 nM 5-LO: IC50 = 3 nM Coniugazione
O HO
O
S N
HO
O
NH2 Ottimizzazione
KME-4 CI-1004
COX: IC50 = 2.5 µM
5-LO: IC50 = 0.15 µM COX: IC50 = 0.77 µM 5-LO: IC50 = 0.39 µM
OTTIMIZZAZIONE DEL LEAD /SAR MODIFICAZIONI STEREOCHIMICHE
§ La stereoisomeria ha un ruolo essenziale nell'interazione con macromolecole di interesse biologico ed in particolare nella interazione con i recettori
§ Variazioni stereochimiche possono essere introdotte attraverso:
• L'inserimento di doppi o tripli legami,
• La ciclizzazione di strutture lineari,
• L'inserimento di centri stereogenici
§ L’inserimento di legami multipli e la ciclizzazione sono metodi visti in
precedenza e largamente usati nel disegno di analoghi rigidi per cui va subito sottolineato che questo approccio è quasi sempre accompagnato da
variazioni a carico della stereoisomeria
VANTAGGI SVANTAGGI Modificazioni steriche possono
variare la affinità della molecola originale per il suo partner biologico che come è noto ha una
stereochimica ben definita
La complicazione sterica di un farmaco spesso provoca notevoli complicazioni sintetiche e di
separazione di isomeri
Si possono ottenere derivati con affinità selettiva verso recettori o sottogruppi recettoriali
Acquisire preziose informazioni sulla stereochimica dei rispettivi siti di
interazione
Migliorare le caratteristiche farmacocinetiche di un farmaco
Alterazione delle proprietà
farmacocinetiche del prodotto
originale
§ La introduzione di un centro stereogenico nella Acetilcolina rende la molecola
metabolicamente più stabile e conduce a due enantiomeri (R(+) e S(-) Metacolina) con diversa affinità per il ricettore muscarinico. L'enantiomero più potente è selettivo per questo recettore rispetto a quello nicotinico. La ciclizzazione della stessa molecola di acetilcolina a diossolano mantiene un'alta attività colinergica solo in uno dei quattro isomeri possibili: il (+)-Cis-Diossolano
.
Acetilcolina R (+) Metacolina (+)-Cis-Diossolano
§ La introduzione di un doppio legame nell'anello A del Cortisone per dare il
Prednisone, non influisce sulla capacità d’interazione con il recettore, ma lo rende molto più resistente alla degradazione metabolica
Cortisone Prednisone
OTTIMIZZAZIONE DEL LEAD/SAR RIDURRE LA TOSSICITÀ DEL FARMACO
§ Si trova spesso che un farmaco non riesce ad arrivare alla fase di studi clinici a causa dei suoi effetti collaterali tossici.
§ Ciò può essere dovuto a metaboliti tossici, nel qual caso il farmaco deve essere reso più resistente al metabolismo come descritto in precedenza.
§ Si sa che gruppi funzionali quali gruppi aromatici nitro, ammine aromatiche, bromo arenes, idrazine, idrossilammine, o gruppi poli-alogenati sono spesso metabolizzati a prodotti tossici.
Modificazione dei sostituenti
§ Gli effetti collaterali possono
essere ridotti o eliminati variando sostituenti apparentemente
innocui
• Es. la sostituzione di un alogeno (Cl) per un’ altro (F) nel agente antimicotico UK47-265 porta al derivato fluconazolo meno
tossico
Riducendo la tossicità
² Si trova spesso che un farmaco non riesce ad arrivare alla fase di studi clinici a causa dei suoi effetti collaterali tossici.
² Ciò può essere dovuto a metaboliti tossici, nel qual caso il farmaco deve essere reso più resistente al metabolismo come descritto in precedenza.
² Si sa che gruppi funzionali quali gruppi aromatici nitro, ammine aromatiche, bromo arenes, idrazine, idrossilammine, o gruppi poli-alogenati sono spesso metabolizzati a prodotti tossici.
Modificazione dei sostituenti v Gli effetti collaterali possono
essere ridotti o eliminati variando sostituenti apparentemente innocui ü Es. la sostituzione di un alogeno
(Cl) per un’ altro (F) nel agente antimicotico UK47.265 porta al
derivato fluconazolo meno tossico Fluconazolo
Cl Cl
UK-47265
OTTIMIZZAZIONE DEL LEAD/SAR RIDUCENDO LA TOSSICITÀ
Deuterio isostere per H
§ Impiego strategico del D nei siti del metabolismo dove l’astrazione di un atomo di H può disturbare il
metabolismo per reindirizzare la via metabolica.
N
HN HN
O NC
SB-269652
N NC
NH F
O O
O
Paroxentina Inattiva CPY2D6
O
O D
D
CTP-347 Diminuisce l’inattivazione
di CPY2D6
Modificazione della posizione dei sostituenti
§ La variazione della posizione del gruppo ciano in una serie di antagonisti
dopaminergici che inibiscono il citocromo P450 da luogo a nuovi composti
che non presentano questo effetto collaterale.
OTTIMIZZAZIONE DEL LEAD/SAR RIDURRE LA TOSSICITÀ DEL FARMACO
§ Disegno di antagonisti del recettore cisteinil leukotriene (cysLT1), coinvolto nella patogenesi dell’asma
O
O N
S
F OH
H3C
H O
OH HO
OH O HO
CP-85958
tossico a livello epatico Metabolizzato alla forma lattolo
L’apertura dell’anello produce aldeide alchilante
molto reattivo Gruppo metile
labile
Stabilizzazione metabolica Incremento labilità metabolica ad altro sito
O
O N
S
F OH
NH
H3C F S
F F
O O
F Blocco della fomazione del lattolo
(introduzione d’un gruppo metile) Rimpiazzamento della funzione metile (sulfonamide)
O
O N
S
F
OH F
O CH3 S NH
F F
O O
Ruta metabolica alternativa (O-demetilazione)
F
RIDURRE TOSSICITÀ Legando farmaci a bulding block
biosintetici essenziali
§ Farmaco 'contrabbando’ trasportato in cellula per proteine di trasporto di elementi naturali (ad esempio amminoacidi o basi di acidi nucleici)
§ Aumenta la selettività dei farmaci per la cellule bersaglio e riduce la tossicità di altre cellule
Legando farmaci agli anticorpi monoclonali
§ Identificare un antigene che sia
iperespresso in una cellula tumorale
§ Clonare un anticorpo monoclonale per l'antigene
§ Collegare un farmaco per l'anticorpo monoclonale
§ Anticorpi porta il farmaco direttamente alla cellula tumorale
§ Farmaco viene rilasciato alla cellula tumorale
ü Le cellule tumorali crescono più velocemente rispetto alle cellule normali e hanno una maggiore domanda per le basi azotate Il farmaco si concentra nelle cellule tumorali,
O
O
OH
OH OMe
OH N NH
N O
S (Cys) O
O
O O
OH NH2
Cl N
Cl NH
HN
O O
Cl N
Cl
Mecloroetamine Uramustatine
I chimerico anti LewisY(BR96) coniugato con la doxorubicine
PROFARMACI
Modificazioni delle proprietà farmacocinetica:
§ I profarmaci sono molecole con poca o nessuna attività farmacologica di per sé ma hanno una labilità strutturale incorporata, sia per caso che per
progettazione, che consente la bio-conversione in vivo. Questa conversione può avvenire attraverso un processo chimico o enzimatico o una combinazione dei due. La conversione libera il farmaco attivo dal frammento vettore in modo tale che la molecola risultante sia un metabolita attivo
§ Questa procedura non ha molto interesse dal punto di vista delle informazioni da trarre dalla manipolazione molecolare
§ Ha un enorme impatto a livello pratico in quanto può permettere lo sviluppo di molecole altrimenti inutilizzabili a causa di problemi farmacocinetici. Ad essa è legato il campo vastissimo della progettazione e sintesi dei profarmaci.
Modificazioni delle proprietà farmacocinetica : PROFARMACI
v I profarmaci sono molecole con poca o nessuna attività farmacologica di per sé ma hanno una labilità strutturale incorporata, sia per caso che per progettazione, che consente la bio-conversione in vivo. Questa conversione può avvenire attraverso un processo chimico o enzimatico o una combinazione dei due. La conversione libera il farmaco attivo dal frammento vettore in modo tale che la molecola risultante sia un metabolita attivo
Nature Reviews | Drug Discovery OR
O R1
O O
R2 S
R1 O
O R2 Ethers
S O
R O
OR O
O R1
O O
R2 Esters
O O
OR Carbonates
O O
NR Carbamates
O NHR Amides
N H O P O
OH OH O O P
O OH OH O P
O OH OH Phosphates
N R Imines N OR
Oximes N H N
O R2 R1 N-Mannich bases
–PO(OH)2 –SH
–COOH
–NH
–C O –OH
Drug Drug Drug Promoiety
Drug
+ Enzymatic
and/or chemical transformation
Barrier
a
b
Promoiety Promoiety
Functional groups amenable to prodrug design Ideally, the design of an appropriate prodrug structure should be considered at the early stages of preclinical development, bearing in mind that prodrugs might alter the tissue distribution, efficacy and the toxicity of the parent drug. Several important factors should be care- fully examined when designing a prodrug structure, including:
• Parent drug: which functional groups are amenable to chemical prodrug derivatization?
• Promoiety: this should ideally be safe and rapidly excreted from the body. The choice of promoiety
should be considered with respect to the disease state, dose and the duration of therapy.
• Parent and prodrug: the absorption, distribution, metabolism, excretion (ADME) and pharmacokinetic properties need to be comprehensively understood.
• Degradation by-products: these can affect chemical and physical stability and lead to the formation of new degradation products.
Some of the most common functional groups that are amenable to prodrug design include carboxylic, hydroxyl, amine, phosphate/phosphonate and carbonyl groups.
Prodrugs typically produced via the modification of these groups include esters, carbonates, carbamates, amides, phosphates and oximes. However, other uncommon functional groups have also been investigated as poten- tially useful structures in prodrug design. For example, thiols react in a similar manner to alcohols and can be derivatized to thioethers18 and thioesters19. Amines may be derivatized into imines20,21 and N-Mannich bases22. The prodrug structures for the most common functionalities are illustrated in FIG. 1b and discussed below.
Esters as prodrugs of carboxyl, hydroxyl and thiol func- tionalities. Esters are the most common prodrugs used, and it is estimated that approximately 49% of all marketed prodrugs are activated by enzymatic hydrolysis4. Ester prodrugs are most often used to enhance the lipophilicity, and thus the passive membrane permeability, of water- soluble drugs by masking charged groups such as car- boxylic acids and phosphates3,23. The synthesis of an ester prodrug is often straightforward. Once in the body, the ester bond is readily hydrolysed by ubiquitous esterases found in the blood, liver and other organs and tissues24, including carboxylesterases, acetylcholinesterases, butyrylcholinesterases, paraoxonases and arylesterases.
However, one significant challenge with ester prodrugs is the accurate prediction of pharmacokinetic disposition in humans, owing to significant differences in specific carboxylesterase activities in preclinical species25, as reported for the exploratory intravenous diester pro- drug of nalbuphine26. A comprehensive review on ester prodrugs that enhance oral absorption of predominantly poorly permeable and polar parent drugs was recently published by Beaumont et al.3
Several alkyl and aryl ester prodrugs are in clinical use3, of which angiotensin-converting enzyme (ACE) inhibitors are some of the most successful24, with a representative sample shown in TABLE 1. However, the relatively slow and incomplete bioconversion of some simple alkyl esters in human blood can sometimes result in lower than predicted bioavailability. For example, the oral bioavailability of enalaprilate in humans is 36–44%, despite 53–74% of the administered dose being absorbed3. In some cases, faster bioactivation has been achieved by the use of a double prodrug (pro-prodrug), which requires an enzymatic breakdown after which a spontaneous chemical reaction releases the parent drug.
The double prodrug approach has been the preferred choice when preparing oral acyloxyalkyl ester prodrugs of -lactam antibiotics (TABLE 1).
Promoiety
A functional group used to modify the structure of pharmacologically active agents to improve physicochemical, biopharmaceutical or pharmacokinetic properties.
Figure 1 | A simplified representative illustration of the prodrug concept.
a | The drug–promoiety is the prodrug that is typically pharmacologically inactive.
In broad terms, the barrier can be thought of as any liability or limitation of a parent drug that prevents optimal (bio)pharmaceutical or pharmacokinetic performance, and which has to be overcome for the development of a marketable drug. The drug and promoiety are covalently linked via bioreversible groups that are chemically or enzymatically labile, such as those shown here. The ‘ideal’ prodrug yields the parent drug with high recovery ratios, with the promoiety being non-toxic. b | Common functional groups on parent drugs that are amenable to prodrug design (shown in green). Most prodrug approaches require a ‘synthetic handle’ on the drug, which are typically heteroatomic groups.
R E V I E W S
256 | MARCH 2008 | VOLUME 7 www.nature.com/reviews/drugdisc
§ Questa procedura non ha molto interesse dal punto di vista delle informazioni da trarre dalla manipolazione molecolare
§ Ha un enorme impatto a livello pratico in quanto può permettere lo sviluppo di molecole altrimenti inutilizzabili a causa di problemi farmacocinetici.Ad essa è legato il campo vastissimo della progettazione e sintesi dei profarmaci.
Nature Reviews | Drug Discovery
OR O
R1 O
O R2 S
R1 O
O R2
Ethers
S O
R O
OR O
O R1
O O
R2
Esters
O O
OR
Carbonates
O O
NR
Carbamates
O NHR
Amides
N H O P O
OH OH O O P
O OH OH O P
O OH OH
Phosphates
N R
Imines
N OR
Oximes
N H N O
R2 R1
N-Mannich bases
–PO(OH)2 –SH
–COOH
–NH
–C O –OH
Drug Drug Drug Promoiety
Drug
+ Enzymatic
and/or chemical transformation
Barrier
a
b
Promoiety Promoiety
Functional groups amenable to prodrug design Ideally, the design of an appropriate prodrug structure should be considered at the early stages of preclinical development, bearing in mind that prodrugs might alter the tissue distribution, efficacy and the toxicity of the parent drug. Several important factors should be care- fully examined when designing a prodrug structure, including:
• Parent drug: which functional groups are amenable to chemical prodrug derivatization?
• Promoiety: this should ideally be safe and rapidly excreted from the body. The choice of promoiety
should be considered with respect to the disease state, dose and the duration of therapy.
• Parent and prodrug: the absorption, distribution, metabolism, excretion (ADME) and pharmacokinetic properties need to be comprehensively understood.
• Degradation by-products: these can affect chemical and physical stability and lead to the formation of new degradation products.
Some of the most common functional groups that are amenable to prodrug design include carboxylic, hydroxyl, amine, phosphate/phosphonate and carbonyl groups.
Prodrugs typically produced via the modification of these groups include esters, carbonates, carbamates, amides, phosphates and oximes. However, other uncommon functional groups have also been investigated as poten- tially useful structures in prodrug design. For example, thiols react in a similar manner to alcohols and can be derivatized to thioethers18 and thioesters19. Amines may be derivatized into imines20,21 and N-Mannich bases22. The prodrug structures for the most common functionalities are illustrated in FIG. 1b and discussed below.
Esters as prodrugs of carboxyl, hydroxyl and thiol func- tionalities. Esters are the most common prodrugs used, and it is estimated that approximately 49% of all marketed prodrugs are activated by enzymatic hydrolysis4. Ester prodrugs are most often used to enhance the lipophilicity, and thus the passive membrane permeability, of water- soluble drugs by masking charged groups such as car- boxylic acids and phosphates3,23. The synthesis of an ester prodrug is often straightforward. Once in the body, the ester bond is readily hydrolysed by ubiquitous esterases found in the blood, liver and other organs and tissues24, including carboxylesterases, acetylcholinesterases, butyrylcholinesterases, paraoxonases and arylesterases.
However, one significant challenge with ester prodrugs is the accurate prediction of pharmacokinetic disposition in humans, owing to significant differences in specific carboxylesterase activities in preclinical species25, as reported for the exploratory intravenous diester pro- drug of nalbuphine26. A comprehensive review on ester prodrugs that enhance oral absorption of predominantly poorly permeable and polar parent drugs was recently published by Beaumont et al.3
Several alkyl and aryl ester prodrugs are in clinical use3, of which angiotensin-converting enzyme (ACE) inhibitors are some of the most successful24, with a representative sample shown in TABLE 1. However, the relatively slow and incomplete bioconversion of some simple alkyl esters in human blood can sometimes result in lower than predicted bioavailability. For example, the oral bioavailability of enalaprilate in humans is 36–44%, despite 53–74% of the administered dose being absorbed3. In some cases, faster bioactivation has been achieved by the use of a double prodrug (pro-prodrug), which requires an enzymatic breakdown after which a spontaneous chemical reaction releases the parent drug.
The double prodrug approach has been the preferred choice when preparing oral acyloxyalkyl ester prodrugs of -lactam antibiotics (TABLE 1).
Promoiety
A functional group used to modify the structure of pharmacologically active agents to improve physicochemical, biopharmaceutical or pharmacokinetic properties.
Figure 1 | A simplified representative illustration of the prodrug concept.
a | The drug–promoiety is the prodrug that is typically pharmacologically inactive.
In broad terms, the barrier can be thought of as any liability or limitation of a parent drug that prevents optimal (bio)pharmaceutical or pharmacokinetic performance, and which has to be overcome for the development of a marketable drug. The drug and promoiety are covalently linked via bioreversible groups that are chemically or enzymatically labile, such as those shown here. The ‘ideal’ prodrug yields the parent drug with high recovery ratios, with the promoiety being non-toxic. b | Common functional groups on parent drugs that are amenable to prodrug design (shown in green). Most prodrug approaches require a ‘synthetic handle’ on the drug, which are typically heteroatomic groups.
REVIEWS
256 | MARCH 2008 | VOLUME 7 www.nature.com/reviews/drugdisc
§ La maggior parte delle strategie di profarmaco richiede un gruppo funzionale sul farmaco.
§ L'approccio al profarmaco selezionato è dettato dal
«punto debole» del
farmaco che deve essere superato/eliminato.
STRATEGIE PER IL DISEGNO DI
PROFARMACI
Un profarmaco ben progettato soddisfa i seguenti criteri:
§ Il legame tra la sostanza farmaceutica e la frazione di trasporto è solitamente covalente.
§ Di regola, il profarmaco è inattivo o meno attivo del composto originario.
§ Il legame tra il farmaco e la frazione di trasporto deve essere interrotto in vivo.
§ Il profarmaco e la frazione di trasporto rilasciata in vivo devono essere non tossici.
§ La generazione della forma attiva deve avvenire con una cinetica rapida per garantire livelli di farmaco efficaci nel sito di azione e per ridurre al minimo il metabolismo diretto del
profarmaco o la graduale inattivazione
del farmaco.
Profarmaci derivati dall'ampicillina
Pivampicillina e Bacampicillina
§ Entrambi risultano
dall'esterificazione del gruppo carbossilico polare con un estere lipofilo, enzimaticamente labile
§ L'assorbimento è quasi
quantitativo (98 e 99 percento).
§ La generazione di ampicillina libera nel flusso sanguigno è rapida (meno di 15 minuti).
N S O
HN
O NH2
O
O O O
N S O
HN
O NH2
O
O O O O
N S O
HN
O NH2
O
OH OH
O
C O H
H
C O H3C
H
-CH3-CH2-OH CO2
In vivo In vivo
+ + +
+
+
DISEGNO DI PROFARMACI PER AUMENTARE LA SOLUBILITÀ ACQUOSA
§ Introdurre un frammenti ionizzabile a un farmaco scarsamente solubile: estere succinato, fosfato, frammenti ionizzabile come piperazine (amine terziarie) e/o frammenti neutri per creare un elemento ionizzabile.
N N
O O
O
O N
NH Cl O
N
N O
O O
F N N
N N
P O
OH OH
O O-Na+
O
O
O
O
H HO
H H
OH O H
N N
S O
O O
NH2 O
O
P O
-O O-
Ca2+
Prednisolone succinato sodico
Irinotecan cloroidrato Tedizolid fosfato Fosamprenavir
§ L'isavuconazonium solfato è un
profarmaco a base salina dell'agente antifungino ad ampio spettro
isavuconazolo. In questo profarmaco i farmmenti carico positivamente,
triazonium, e la sarcosina del vettore migliorano la solubilità, incrementando la biodisponibilità del farmaco dopo
amministrazione orale a quasi un 98%
§ L’utilizzo di un vettore come l’estere citrato nel inibitore irreversibile del proteosoma ixazomib (melanoma multiplo) produce nel profarmaco risultante (ixazomib
citrato) sia un aumento della solubilità sia una stabilizzazione dell’acido boronico, instabili ossidativamente. Il profarmaco se esposto a soluzioni acquose o plasma, viene idrolizzato rapidamente per rilasciare la forma di acido boronico biologicamente attivo.
N S
N N+
N O
N N
O
F F
N
HSO4-
O N
O H
Isavuconazonium sulfate
NH
HN B Cl
Cl O
O
O O
O
CO2H CO2H
Ixazomib citrato
DISEGNO DI PROFARMACI PER MIGLIORARE ASSORBIMENTO E BIODISPONIBILITÀ
DISEGNO DI PROFARMACI PER MIGLIORARE ASSORBIMENTO E BIODISPONIBILITÀ
Incremento della permeabilità passiva:
§ La lipofilia iniziale del farmaco è stata migliorata mascherando le sue funzionalità polari e ionizzate mediante frammenti a catena corta.
§ I gruppi idrossilici, carbossilici, fosfati o amminici idrofili sono convertiti in esteri alchilici o arilici più lipofili che vengono rapidamente idrolizzati ai farmaci
progenitori dalle esterasi o peptidasi ubiquitarie.
+Na-O
NH
O O
O
O H
N
N+ HN N
N O
N O
O
N
O O
CSO3- Dabigatran Inibitore trombina Tromboembolismo Sacubitril
Inibitore neprilisine Insuficienza cardiaca
DISEGNO DI PROFARMACI PER MIGLIORARE ASSORBIMENTO E BIODISPONIBILITÀ
Incremento della permeabilità sfruttando il trasporto mediato dal vettore:
§ I farmaci polari che hanno una stretta somiglianza strutturale con i substrati endogeni, possono essere trasportati attraverso le membrane cellulari dai trasportatori. Alcuni profarmaci sono in grado di trarre vantaggio da questi meccanismi di trasporto mediato.
• Levodopa (anti Parkinsoniano), utilizza LAT1 per attraversare la barriera emato- encefalica, liberando dopamina.
• Valacyclovir, utilizzano PEPT1 per superare la biodisponibilità orale limitata e variabile dei farmaci a base di nucleosidi polari, ciclovir (inibitore dell'herpesvirus) e ganciiclovir (inibitore del citomegalovirus),
• Gabapentin enacarbil sfrutta i trasportatori monocarbossilati 1 (MCT1). Idrolizato da carbossiesterasi rilascia Gabapentin utilizzato nel trattamento dell'epilessia e del dolore neuropatico
OH
HN
N N
N
O O
O
H2N HO
HO
H2N
O
O
NH2+Cl- HO
NH O O
O
O O
Levodopa Valacyclovir Gabapentin enacarbil
DISEGNO DI PROFARMACI
Incremento della permeabilità e biodisponibilità di farmaci nucleosidici monofosforilati
§ Gli analoghi nucleosidici sono ampiamente utilizzati nel trattamento del cancro e di varie infezioni virali.
§ Per esercitare il loro effetto terapeutico, essi devono subire l'aggiunta graduale di gruppi fosfato per formare i corrispondenti nucleosidi trifosfati attivi. In questo processo di
attivazione, mediati da chinasi cellulari, il primo passaggio di fosforilazione è spesso limitante.
§ Per aggirare questo inconveniente, gli analoghi nucleosidici vengono spesso somministrati nella loro forme monofosforilate come profarmaci esteri più lipofili.
§ Questi profarmaci attraversano efficacemente le membrane biologiche e, una volta nella cellula bersaglio, rilasciano la forma
monofosforilata, che diventa attiva dopo la conversione intracellulare nei corrispondenti difosfati o trifosfati nucleosidici.
N
N N
N
O P
O O
O O t-Bu O t-Bu NH2
O
Adefovie dipivoxil O Anti HBV
N
N N
N
O NH2
P O O
NH
O O
Tenofovir alafenamide Anti HIV e HBV
I profarmaci possono essere utilizzati per proteggere i farmaci attivi da un rapido metabolismo di primo passaggio, mascherando un gruppo funzionale metabolicamente labile ma
farmacologicamente essenziale.
§ Nel bambuterolo, profarmaco del broncodilatatore terbutalina, agonista del recettore β2-adrenergico,
i gruppi idrossilici sono protetti da gruppi dimetilcarbammate lentamente idrolizzati da butirrilcolinesterasi aspecifica
.
DISEGNO DI PROFARMACI
Miglioramento della stabilità metabolica
Diverse strategie per prolungare la durata d'azione
§ Introduzione di frammenti lipofili, legami ammidi o sulfonamidici, ragionevolmente resistenti alla bio-conversione.
O O
HO
HN
O O
N N
Bambuterolo
HN
NH2 NH2
O
Lisdexamfetamine Disturbo da deficit di attenzione e iperattività
N N
N O
NH S O
O O
Selexipag
Ipertensione polmonare
N
N O N
O O
O
Cl
Cl Lauroxil
Schizofrenia
Un esempio
Target: L'introne auto-splicing di gruppo II dell'RNA mitocondriale (selettivo per funghi) Screening in vitro ad alto rendimento (HTS, SAR e ottimizzazione del lead
Libreria curata di 10.000 composti selezionati dalle seguenti collezioni: NCI Oncology (85 composti), NCI Diversity (1.356 composti), ENZO inibitori della chinasi (80 composti), 640 farmaci approvati dalla FDA, ENZO inibitori della fosfatasi (33 composti), canale ionico BML-ENZO ligandi (72 composti), ligandi glutamatergici BML-metabotropici (56 composti), ligandi del recettore nucleare BML (76 composti), inibitori della proteasi (53 composti) e composti aggiuntivi di ChemBridge MW e ChemDiv
