Prof. Dr. Esin AKI-YALÇIN

Ankara Üniversitesi

Eczacılık Fakültesi

Farmasötik Kimya Anabilim Dalı

Prof. Dr. Esin AKI

İLAÇ ETKEN MADDESİ TASARIM VE

GELİŞTİRİLMESİ YÖNTEMLERİ

Prof. Dr. Esin AKI WCADD-1

Kimyasal sentez yolu ile ya da doğal kaynaklardan

kazanılan, insan ve hayvan organizmasındaki

hastalıkların engellenmesinde, geriletilmesinde,

iyileştirilmesinde ve tanısında kullanılan, kimyasal

yapısı ve özellikleri saptanmış olan maddelere ilaç

etken maddesi denir.

İlaç Etken Maddesi

Prof. Dr. Esin AKI

5000 in üzerinde ilaç etken maddesi var.

20000 in üzerinde farmasötik ürün var.

Prof. Dr. Esin AKI

Alzheimer Hastalığının Yaygınlığı 2000-2010

Kronik Hastalıklar Yaygınlık Beklentisi

• Diabet Hastalığı 2000-2030

Yaşam Süresinin Uzaması

• Yeni İlaçlar, 52 ülkede yapılan çalışmalar sonucunda yaşam süresinin uzamasında 40% etkili oldukları bulunmuştur.

– U.S.A da AIDS den ölüm oranı 70% düşmüştür.

– Yeni kanser ilaçları 50-60% 6 yıllık yaşam süresini 1975 den bu yana arttırmıştır. İlk kez bu oran öncesi 70 yıl gözönüne alındığında en büyük düşüş 2003 de görülmüştür.

– Kalp hastalıklarından ölüm de azalmaktadır.

Yeni İlaçlar Yaşam Süresini Uzatır

• Yaşam süresinin uzaması %40 yeni ilaçlara bağlı

Prof. Dr. Esin AKI

ABD de Yaşam süresinin uzaması

Prof. Dr. Esin AKI

2010 81.5

Türkiye’de yaşam beklentisi

ABD de AIDS de ölüm oranının düşmesi

Prof. Dr. Esin AKI

Kanser Tedavisinde İlaçların Önemi• Yeni ilaçlar meme kanserinde tekrar ve ölümü azaltmıştır (

Teşhisden sonraki 5-10 yıl çalışma gerçekleştirilmiştir)

Yeni İlaçlar Ölümü Oranını Azaltmıştır

İlaçlar Artirit Hastalığında

Hareket Bozukluğunu Önler

Yeni İlaçlar Diabet Hastalığının

Komplikasyonlarını Azaltır

Yeni ilaçların kullanılması vaka başına

$111 kazandırır

Prof. Dr. Esin AKI

1. Daha etkili (Daha geniş spektrumlu)

2. Daha az toksik

3. Daha az yan etkili

İdeal İlaç Geliştirmek:

1. İstenen etki süreli

2. İstenen farmokinetik özelliklerini düzenleme

Absorbsiyon, Dağılım, Metabolizma, Atılım

Ayrıca;

Prof. Dr. Esin AKI

Seçici

Radikal etkinlik gösteren

Toksik etkisi bulunmayan

Prof. Dr. Esin AKI

Bir İlacın Piyasaya Sürülmesi:

1989

10.000 bileşikten birisi

12-16 yıl

1999

5.000 bileşik

12-16 yıl

Günümüzde:

4.000 bileşik

8-10 yıl

Maliyet

500 bilyon $

Prof. Dr. Esin AKI

• FDA 2005 yılında 28 ilaç onayı verdi

• 1995-2005 arası 10 yıllık bir süreçte 160

dan fazla öksüz ilaç onay almıştır.

Prof. Dr. Esin AKI

Yeni Bir İlaç Piyasaya Verilmesi

Prof. Dr. Esin AKI

Aşamalara Göre Molekül Başarı Oranları

İLAÇLARIN PAZARA ULAŞMA ORANI (KLASİK TANIM)

5.000 – 10.000

Ön Elemeler

250

Pre-Klinik Faz

5

Klinik Faz

1

Pazara Sunulabilen

Prof. Dr. Esin AKI

ÖZGÜN BİR İLACIN PİYASADA YER ALMASI İÇİN

YÜRÜTÜLEN ÇALIŞMALAR

KLİNİK ÇALIŞMALAR

RUHSATLANDIRMA

Prof. Dr. Esin AKI

İLAÇ TASARIMI &

PRE- KLİNİK ÇALIŞMALAR

İLAÇ TASARIMI

&

PRE- KLİNİK ÇALIŞMALAR

In Vitro,

In Vivo

AktiviteADME/Tox.

ÖNDER

MOLEKÜL

SentezCADDsBilgisayar

Destekli İlaç

Tasarımı

Prof. Dr. Esin AKI

ŞANSESERİ

BİYOLOJİK

ETKİ TARAMA

KİMYASAL

ÇEŞİTLEME

MEKANİSTİK

TASARIM

Hastalık Etmenin

Moleküler Düzeyde

Saptanması Tanımı

Efektör Hedef

Tanımı Tanımı

Teorik İlaç Etken

Madde Tasarımı

Sentezi

YENİ İLAÇ

ETKEN

MADDESİ

Biyolojik Etkinin

Gözlenmesi

***

Esin AKI

BİLGİSAYAR

DESTEKLİ İLAÇ

TASARIMI

PRE-KLİNİK ÇALIŞMALAR

16

14

12

10

8

6

4

2

0

Yıl

3.2

2.5

2.4

8.1

1960’lar

5.1

4.4

2.1

11.6

1970’ler

5.1 5.9

5.5

2.8

14.2

5.5

1980’ler

6.1

6.3

1.8

14.2

1990’lar

SENTEZDEN ONAYA KADAR GEÇEN TOPLAM İLAÇ GELİŞTİRME SÜRESİ

Pre-Klinik Faz

Klinik Faz

Ruhsatlandırma

DiMasi, JA, “New Drug Development in US 1963-1999”, Clinical Pharm.&Ther.,May,2001

Prof. Dr. Esin AKI WCADD-1

• FDA 2005 yılında 28 ilaç onayı verdi

• 10 İlaçtan sadece 3 ü hesaplanan kar

oranını yakalamış ya da üzerine geçmiştir.

• 1995-2005 arası 10 yıllık bir süreçte 160

dan fazla öksüz ilaç onay almıştır.

Prof. Dr. Esin AKI

PRE- KLİNİK ÇALIŞMALAR

1. Farmakokinetik Faz (ADME/Tox)

2. Farmakodinamik Faz (Efektör-Hedef İlişkileri)

ŞANSESERİ

BİYOLOJİK

ETKİ TARAMA

KİMYASAL

ÇEŞİTLEME

MEKANİSTİK TASARIM

Hastalık Etmenin Tanımı

Efektör Hedef

Tanımı Tanımı

Yapı Etki İlişkilerinin

Çözümlenmesi (QSAR)

Teorik İlaç Etken

Madde Tasarımı

Sentezi

YENİ İLAÇ ETKEN

MADDESİ Biyolojik Etkinin

Gözlenmesi

Prof. Dr. Esin AKI

İlaçlar bazen şanseseri ya da sezgi yardımı ile

bulunabilir

Raslantı sonucu bulunan ilaçlara Sülfonilüre grubu

ilaçlar örnek

İlaçlar daha sık olarak organize araştırmalar sonucu

bulunmaktadır

Bilgisayar teknolojisi geliştikçe ilaç tasarım

yöntemleri de paralel şekilde gelişme göstermektedir.

ŞANSESERİ İLAÇ KEŞFİ

Prof. Dr. Esin AKI

ŞANSESERİ

BİYOLOJİK

ETKİ TARAMA

KİMYASAL

ÇEŞİTLEME

MEKANİSTİK

TASARIM

Hastalık Etmenin

Moleküler Düzeyde

Saptanması Tanımı

Efektör Hedef

Tanımı Tanımı

Teorik İlaç Etken

Madde Tasarımı

Sentezi

YENİ İLAÇ

ETKEN

MADDESİ

Biyolojik Etkinin

Gözlenmesi

BİLGİSAYAR

DESTEKLİ İLAÇ

TASARIMI

Prof. Dr. Esin AKI

Daha çok geçmişte uygulanan bu yöntemde istenen

etki için fazla sayıda bileşik taranır.

Günümüzde ideal ilaç tasarım yöntemi olarak

görülmemektedir.

Bu yöntemde hedefin yapısı ve hastalığın

mekanizması aydınlatılamaz.

Çok fazla zaman, emek ve masraf kaybına neden olur.

YENİ İLAÇLAR İÇİN BİYOLOJİK ETKİ

TARAMA (ELEME) YÖNTEMİ

Prof. Dr. Esin AKI

HTS (High-throughput Screening) Yöntemi

İnvitro olarak çok sayıda bileşiğin etkisi test edilir

Robotlar bir çok bileşiği birarada eş zamanlı olarak analizleyebilir

Bir günde 100,000 bileşik test edilebilir

Prof. Dr. Esin AKI

ŞANSESERİ

BİYOLOJİK

ETKİ TARAMA

KİMYASAL

ÇEŞİTLEME

MEKANİSTİK

TASARIM

Hastalık Etmenin

Moleküler Düzeyde

Saptanması Tanımı

Efektör Hedef

Tanımı Tanımı

Teorik İlaç Etken

Madde Tasarımı

Sentezi

YENİ İLAÇ

ETKEN

MADDESİ

Biyolojik Etkinin

Gözlenmesi

BİLGİSAYAR

DESTEKLİ İLAÇ

TASARIMI

Prof. Dr. Esin AKI

Etkisi bilinen bir ilaç etken maddesi üzerinde

etki değişikliklerini gözlemek amacıyla grup ya

da atomlar üzerinde modifikasyonlar yapmak

KİMYASAL ÇEŞİTLEME (MODİFİKASYON)

Prof. Dr. Esin AKI

Bu yöntemin uygulanabilmesi için, yapısı bilinen aktif bir bileşiğin var olması gerekir.

Doğal veya sentetik yoldan hareketle yapısı belirlenmiş bir aktif bileşik ele geçmiş ise, kimyasal yapı üzerinde birtakım modifikasyonları oluşturarak, etki potensini arttırmanın veya yan etkileri azaltmanın genellikle mümkün olabileceği görülmüştür.

Ör: ikinci ve üçüncü kuşak sefalosporin türü antibiyotikler.

İzosterik gruplar kullanılır türdeş (analog) veya

benzeş (homolog) türevler

Fizikokimyasal özellikleri farklı gruplar kullanılır.

Deneme-yanılma yöntemi. Sistematik olarak çalışılır ya da CADD ile birlikte kullanılırsa yararlı olabilir.

KİMYASAL ÇEŞİTLEME (MODİFİKASYON)

Prof. Dr. Esin AKI

• Kimyasal çeşitleme işlemi, genellikle, monovalen, bivalen ve/veya halka eşdeğerleri gibi izosterik gruplar kullanılarak, eldeki moleküler yapının türdeş (analog) veya benzeş (homolog) türevlerini oluşturacak modifikasyonlar ile gerçekleştirilir.

• Bu modifikasyon işlemi, sterik, elektronik ve/veya lipofilik özellikler açısından farklı fizikokimyasal nitelikler içeren yeni bazı türevlerin ortaya çıkmasını sağlayarak, aktivite için optimum moleküler nitelikleri taşıyan yapının ele geçirilmesini amaçlar.

KİMYASAL ÇEŞİTLEME (MODİFİKASYON)

Prof. Dr. Esin AKI

PENİSİLİNLER

Esin AKI

ŞANSESERİ

BİYOLOJİK

ETKİ TARAMA

KİMYASAL

ÇEŞİTLEME

MEKANİSTİK

TASARIM

Hastalık Etmenin

Moleküler Düzeyde

Saptanması Tanımı

Efektör Hedef

Tanımı Tanımı

Teorik İlaç Etken

Madde Tasarımı

Sentezi

YENİ İLAÇ

ETKEN

MADDESİ

Biyolojik Etkinin

Gözlenmesi

BİLGİSAYAR

DESTEKLİ İLAÇ

TASARIMI

Prof. Dr. Esin AKI

Biyolojik yolak bilinmeli

Tüm çalışmalar moleküler düzeyde gerçekleştirilir

Günümüzde ideal ilaç tasarım yöntemidir

MEKANİZMAYA DAYALI İLAÇ TASARIMI

Prof. Dr. Esin AKI

BİLGİSAYAR DESTEKLİ

İLAÇ TASARIMI

(CADD)

ZAMAN

EMEK

PARA

KAZANÇ

Bilgisayar ve İnformasyon Teknolojileri

RASYONEL İLAÇ ETKEN MADDESİ TASARIMI

CADD’ in YER ALDIĞI ÇALIŞMALAR

İLAÇ TASARIMI &

PRE- KLİNİK ÇALIŞMALAR

KLİNİK ÇALIŞMALAR

RUHSATLANDIRMA

Prof. Dr. Esin AKI

BİLGİSAYAR DESTEKLİ TASARIM

3. Farmasötik Faz

1. Farmakokinetik Faz

2. Farmakodinamik Faz

Prof. Dr. Esin AKI

Farmakokinetik Faz

• Absorbsiyon

• Dağılım (Hedefe Ulaşma)

• Biyotransformasyon (Metabolizma)

• Atılım (İtrah)

Prof. Dr. Esin AKI

Farmakodinamik Faz

• Farmakolojik Etkiler

• Terapötik Etkiler

• Toksik Etkiler

Prof. Dr. Esin AKI

HEDEF-EFEKTÖR ETKİLEŞMELERİ

Efektör:

Organizmadaki doğal endojen maddeler.

Ör: Ligantlar.

İlaç Etken Maddeleri

Hedef:

Organizmada ligantların etki yaparak yanıt

oluşturulan biyopolimerler, makromoleküller.

Yapı-etki ilişkilerinin (SAR) rasyonel tanımlanması, efektör-hedef veya ligant-

reseptör etkileşmelerinin incelenmeğe başlanması ile başlamıştır.

Anahtar-Kilit Örneği

Anahtar-

Kilit Örneği

Prof. Dr. Esin AKI

EFEKTÖR:

Hedefin etkili yüzeyini işgal eden,hedefi

olumlu ya da olumsuz etkileyen doğal endojen

maddeler veya ilaçlar.

Prof. Dr. Esin AKI

***Hücre membran yüzeyinde, sitoplazma ve/veya

çekirdeğinde yer alan ve bir seri olay sonucu belirli

bir biyolojik yanıtı oluşturabilen proteinler olarak

tanımlanmaktadır.

Bir çok kaynakta reseptör terimi, organizmada

efektörlere afinite gösteren ve efektörlerle

etkileşerek biyolojik yanıt oluşturabilen yapılar

olarak da kullanılmaktadır.

Ligant + Reseptör R L R + Etki

RESEPTÖR

Prof. Dr. Esin AKI

Hedeflerin yapılarının aydınlatılması:

•X-ışınları kristalografi çalışmaları ile reseptörlerin,

•NMR verileri ile enzim-substrat etkileşmelerinin,

•Rekombinant DNA teknolojisi ve klonlama çalışmaları,

reseptör ve enzimlerin primer yapıları aydınlatılır.

Prof. Dr. Esin AKI

Efektörlerin etkileştiği hedefler

Hedef Bulunduğu Yer Örnek

Reseptör Hücre Yüzeyi -Adrenoreseptör

Reseptör İntraselüler Periferal Benzodiazepin Reseptörü

(Mitokondiriyal)

Enzim Hücre Yüzeyi /

İntraselüler

Anjiyotensin-Dönüştürücü Enzim

Hormon Yanıtlayıcı

Eleman

Nükleik Asit Retinoid Reseptörler

OligonükleotidSitoplazma NPY-Y1

Öksüz Reseptör Sitoplazma COUP-TF

Prof. Dr. Esin AKI

• Efektör hedefin aktif yüzeyi ile anahtar-kilit

örneği şeklinde etkileşecek

• Efektör ile hedef arasında yük taşıyan gruplar

karşılıklı uyum içinde olacak

• Efektör ile hedef arasında uygun kimyasal bağlar

oluşacak

Efektör-Hedef Etkileşmeleri

Prof. Dr. Esin AKI

F656

Y652G648

V625

MK-499

hERG ‘e inhibitörlerin bağlanması:

membran

dış

Bağlanma yöresi

İç membran

G.Yellen Nature 2002, 419, 35-42

D. Rampe et al., J. Med.Chem. 2003, 46, 1-6

J.S.Mitcheson et al, PNAS, 2000, 97(22), 12329-33

• Biyolojik etki gösteren bileşiklerin taşıdığı fonksiyonel grupların, uzaysal özelliklerinin bağlanma yöresi

ile belirli bir uyum içinde olması gerekmektedir.

• Uyum ne kadar fazla olursa ilacın reseptöre afinitesi ve biyolojik aktivitesi artmaktadır.

21

L

R

R

R

A

S1

S2

A) Reseptör R deki bağlanma

yöresi S1 ve S2’ ye ligant L , ya

sulu fazdan doğrudan difüzyon

ile veya membran içinde

dağılıma uğradıktan sonra

bağlanma yöresine difüzyonu

sonucu ulaşır.

B) Lipit tabakasının yapısı

lipofilik ve özellikle amfoter

ilaçların belirli bir derinliğe

kadar penetre olmalarını

kısıtlarlar; ilaç X yeterli derinlikte

bulunduğundan dolayı rahatlıkla

bağlanma yöresi ile etkileşir,

yeterli derinliğe ulaşamayan ilaç

Y ise yeterli derecede

etkileşemez.

C) İlacın konformasyonu

membran tarafından da

düzenlenir. Bu konformasyon

sıvı fazdaki konformasyonundan

farklı da olabilir. Burada ilaç X

etkili iken ilaç Y’ nin etkisi

bulunmamaktadır .

C

B

İlaçların Etki Mekanizmaları

• İlaçların organizmayı terkettikten sonra bile etkileri

saatler, günler sürebilir.

• Ekstraselüler sinyaller intraselüler sinyallere

dönüşür.

• İkinci Ulak (second messenger)

Prof. Dr. Esin AKI

GA B

X Y-Y -Y-P

EFEKTöR

MEMBRAN

HÜCRE DIŞI

HÜCRE İÇİ

1: Yağda çözünür özelliğe sahip ligant,

membranı geçerek hücre içi hedeflerle

etkileşir ;

2: Ligant, transmembran proteinin hücre

dışı kısmına bağlanarak hücre içi

enzimler aktivite edilir;

3: Ligant, transmembran proteininin hücre

dışı kısmına bağlanarak, protein tirozin

kinaz aktive edilir;

4: Ligant, reseptörün hücre dışı kısmına

bağlanarak, iyon kanalının açılıp

kapanması sağlanır;

5: Ligant hücre yüzeyindeki reseptöre

bağlanarak, G protein aktive edilir ve

bunun sonucu olarak hücre içi ikinci ulak

meydana gelir.

İlaç veya ligantın plazma

membranının lipid tabakasını

aşması sonucunda kimyasal

bilginin taşınması ve

transmembran sinyallerinin

oluşması (çeşitli biyolojik yanıtlar)

5 değişik mekanizma sonucu

meydana gelmektedir.

Prof. Dr. Esin AKI

Bilgisayar Destekli İlaç Tasarımının

Tarihçesi ve Gelişmesi

• 60 – 70 ler … QSAR

• 80 ler … Moleküler Modelleme

• 90 ların başı … 3D (3 Boyutlu) Tarama, Hedef Tabanlı İlaç Tasarımı (de Novo tasarımı)

• 90 ların sonu … Kombinatoryal Kimya, HTS (High Througput Screening)

• 00 ler … Tüm Yöntemlerin birarada kullanımı

Prof. Dr. Esin AKI

QSAR Çalışmaları Ürünü

• NOROXIN®, antibakteriyel - Kyorin Pharmaceutical

• Norfloxacin: QSAR

6-Fluorokinolonlar’ın antibiyotik olarak kullanıma sunulması.

• Koga, H. et al. J. Med. Chem. 1980, 23, 1358-1363.

Prof. Dr. Esin AKI

• COZAAR® for

Antihipertansif - DuPont,

Merck

• Losartan: Angiotensin II

reseptör antagonisti

• Duncia, J. V. et al. J. Med. Chem.

1990, 33, 1312-1329; Duncia, J.

V. et al. Med. Res. Rev. 1992, 12,

149-191.

QSAR +Moleküler Modelleme

Çalışmaları Ürünü

Prof. Dr. Esin AKI

Moleküler Modelleme ürünü

• TEVETEN® Hipertansiyon

Tedavisinde kullanılır -

Smithkline Beecham

• Eprosartan: Angiotensin II

receptör antagonisti

• Weinstock, J. et al. J. Med.

Chem. 1991, 34, 1514-1517;

Keenan, R. M. J. Med. Chem.

1993, 36, 1880-1892.

Prof. Dr. Esin AKI

Hedef Tabanlı Tasarım (SBD)

• CRIXIVAN® for AIDS –Merck

• Indinavir: HIV-1 Protease Inhibitor developed via X-ray crystallography, molecular mechanics calculations, and structure-based design

• Dorsey, B. D. et al. J. Med. Chem. 1994, 37, 3443-3451; Holloway, M. K. et al. In Computer-Aided Molecular Design, Reynolds, C. H. et al., Eds. ACS Symp. Series 589, 1995, 36-50.

• Merck researchers involved with this study have received ACS award for “Creative Invention” Chem. Eng. News, 1999, Jan. 11

Prof. Dr. Esin AKI

Hedef Tabanlı Tasarım ve ab initio

hesaplamaları Ürünü

• TRUSOPT® for Glokom

Tedavisinde - Merck

• Dorzolamide: Karbonik

Anhidraz İnhibitörü

• Greer, J. et al. J. Med.

Chem. 1994, 37, 1035-

1054; J. Med. Chem. 1989,

32, 2510

Prof. Dr. Esin AKI

Farmakofor Analizleri (Moleküler

Modelleme) Ürünü• ZOMIG® Migren

tedavisinde -

Wellcome, Zeneca

• Zolmitriptan: 5HT1-

agonisti

• Glen, R. C. et al. J. Med.

Chem. 1995, 38, 3566-

3580.

Prof. Dr. Esin AKI

TGF- Inhibitörü

200,000 compounds

87 compounds

Drug Target (eg. TRI)

N

NH

N

N

IC50 27nM

Farmakofor Analizleri

Biogen-Idec

HTS Yöntemi

Eli Lilly

Sildenafil Farmakofor Modeline

uygulanarak bulunmuştur.

Ekins, S. et al. Pharmacophore Perception, Development and Use in Drug Design, Güner, O. F., Ed., 2000, La Jolla, pp 269-288.

Prof. Dr. Esin AKI

Piyasadan çekilen İlaçlar

• Mibefradil (Posicor)

• Kalcium-kanal blokörü

• Hoffmann LaRoche

• Piyasaya sürülüşü: May 1997

• Piyasadan çekilişi: Haz 1998

• Pazarda kalış süresi: 11 ay

• Nedeni: ilaç-ilaç

etkileşmeleri (p450 3A4

inhibisyonu)

Prof. Dr. Esin AKI

İlaç Adaylarının 1964-1985 İngiltere’de

Başarısızlık Saptamaları

• Prentis, et al., Br. J. Clin. Pharmac. 1988, 25, 387-396

Pharmacokinetics

Efficacy

Animal Toxicity

Adverse Effects

Business/Other

39.4%

29.3%

11.1%

10.1%10.1%

EFEKTÖRE DAYALI İLAÇ TASARIMI

Efektörden hareket edilir

Efektörün yapısı bilinir

HEDEFE DAYALI İLAÇ TASARIMI

Hedeften hareket edilir

Hedefin yapısı bilinir

İLAÇ ETKEN MADDESİ TASARIM

YÖNTEMLERİ

Prof. Dr. Esin AKI

Reseptör, Enzim ve Nükleik Asit

Ligantlar

İlaç Etken Maddeleri

EFEKTÖRE DAYALI İLAÇ TASARIMI

1. Geleneksel (2D) QSAR, QSPR

2. 3-D QSAR (CoMFA, CoMSIA)

3. Farmakofor Analizi

Kemoinformatik çalışmalar

Prof. Dr. Esin AKI