Kapitoly z bioorganické chemie OCH/KBCH

1

Kapitoly z bioorganické chemie

OCH/KBCH

RNDr. Lucie Brulíková, Ph.D.

LS 2016/2017

[email protected]

2

8. Acyklické nukleosidy a nukleotidy

3

➢ Acyklické nukleosidy a nukleosidfosfonáty představují významnou

skupinu léčiv, která dnes hraje důležitou roli při léčbě různých

onemocnění virového původu.

➢ Struktura těchto látek byla odvozena od první generace nukleosidů

obsahujících cyklický cukerný zbytek.

➢ První generace těchto antimetabolitů však neřeší problém spojený

s přirozenými katabolickými procesy, jako jsou:

(a) reakce na heterocyklické bázi

(b)štěpení nukleosidové vazby fosforolýzou nebo hydrolýzou a

(c) štěpení fosfomonoesterové vazby

Acyklické nukleosidy a nukleotidy

Hlavní druhy katabolických reakcí v

nukleosidech a nukleotidech

4

hydrolysa

fosfomonoesterových

vazeb

hydrolysa

aminoskupin

fosforolysa

a hydrolysa

nukleosidové

vazby

5


➢ U acyklických analog nukleosidů je cyklická cukerná složka

nahrazena otevřeným řetězcem, jehož výhodou je konformační

adaptabilita, analog se tak může lépe přizpůsobit požadavkům aktivního

centra molekuly enzymu.

➢ Na druhou stranu je to nevýhodné z entropického hlediska

(navázáním acyklického analogu do aktivního místa dojde ke ztrátě

stupňů volnosti).

➢ Acyklické nukleosidfosfonáty jsou fosfonomethylethery acyklických

nukleosidů obsahující fosfonátový zbytek, který je oproti klasickému

fosfátovému enzymaticky stabilní a nedegradovatelný.

6


Nukleosidové antimetabolity

1.GENERACE

➢ Princip: maximální možná podobnost struktury a konformace

(prostorového uspořádání) analogu s přirozeným metabolitem.

➢ Aktivní místo enzymu se přizpůsobí konformaci analogu.

2.GENERACE

➢ Princip: minimální nezbytná podobnost struktury a konformace

analogu s přirozeným metabolitem.

➢ Konformace analogu se přizpůsobí vzniku termodynamicky

optimalizovaného komplexu s enzymem.

7

8

➢ dvě skupiny:

✓ První z nich jsou látky, které vyžadují aktivaci fosforylací

(acyclovir, ganciclovir, valaciclovir, valganciclovir, famciclovir,

penciclovir)

✓ do druhé skupiny řadíme látky, jež aktivaci fosforylací

nevyžadují (DHPA, AHPA, eritadenin).


9


10


Acyclovir (HerpexTM, ZoviraxTM, atd.)

➢ je širokospektré antiherpetikum

➢ je fosforylován virovými thymidin kinasami na acyclovir monofosfát,

který je dále buněčnými kinasami transformován na acyclovir trifosfát

(ACV-TP)

➢ ACV-TP inhibuje HSV DNA polymerasu a tím dochází k inhibici

syntézy virové DNA

➢ jeho nízká rozpustnost ve vodě vedla k vývoji druhé generace

acyklických nukleosidů, které na postranním acyklickém řetězci nesou

L-valylovou esterovou funkci

11


Acyclovir (HerpexTM, ZoviraxTM, atd.)

12

Inhibice syntézy virové DNA aciklovirem (ACV)


přerušení syntézy virové DNA

virová thymidinkináza

buněčné enzymy

Syntéza acycloviru

13

➢ Metod vedoucích k přípravě acycloviru je více, významná je např.

syntéza vycházející z 1,3-dioxolanu

➢ 1,3-dioxolan reaguje s acetylchloridem za vzniku methyl 3-

(chloromethoxy)propanoátu

➢ ten pak za kyselé katalýzy atakuje N2,N9-diacetylguanin

➢ vznikají dva regioizomery (N-7 a N-9), které se od sebe dělí

krystalizací

14


Ganciclovir (DHPGTM, CytoveneTM, CymeveneTM, VitrasertTM)

➢ je účinný proti onemocněním způsobeným cytomegaloviry

➢ stejně jako acyclovir je virovými kinasami fosforylován na odpovídající

monofosfát

➢ buněčné kinasy převedou monofosfát na trifosfát, který má dvojí

mechanizmus účinku

➢ jednak je kompetitivním inhibitorem inkorporace dGTP do nově

vznikajícího řetězce DNA s tím, že inhibuje virální DNA polymerasy

mnohem účinněji než buněčné DNA polymerasy

➢ dále je ganciclovir i inhibitorem elongace řetězce DNA

15


Ganciclovir (DHPGTM, CytoveneTM, CymeveneTM, VitrasertTM)

16

➢ syntéza gancicloviru vychází z epichlorhydrinu, který je varem

v kyselině chlorovodíkové převeden na 1,3-dichlorpropan-2-ol

➢ ten pak následnou reakcí s benzylalkoholem poskytuje 1,3-

bis(benzyloxy)propan-2-ol, který dále podléhá reakci

s paraformaldehydem v kyselině chlorovodíkové za vzniku

chlormethylovaného produktu

➢ alkylací 2-amino-6-chlorpurinu, následným varem v kyselině

chlorovodíkové a deprotekcí benzylových skupin získáme ganciclovir

Syntéza gancycloviru

17


Valaciclovir (ValtrexTM, ZelitrexTM)

➢je proléčivo acycloviru, kde přítomnost L-valylového zbytku zvyšuje

orální biodostupnost přípravku

➢na aktivní acyclovir je konvertován esterasami

➢ stejně jako acyclovir je širokospektrálním antiherpetikem účinným proti

celé řadě hereps virů (HSV-1, HSV-2, VZV, EBV, CMV)

Valganciclovir (ValcyteTM, CymevalTM, ValcytTM, ValixaTM, DarilinTM,

RovalcyteTM, PatheonTM, SyntexTM)

➢ je dalším L-valyl modifikovaným proléčivem a má tedy shodné

spektrum účinků s mateřskou sloučeninou – ganciclovirem

18


Penciclovir a famciclovir představují karboanaloga acyklických

nukleosidů.

Penciclovir (DenavirTM, VectavirTM)

➢ je guanosinový analog, který se používá topicky jako aktivní součást

některých léků proti oparům

Famciclovir (FamvirTM)

➢ je profarmakum pencicloviru se zlepšenou orální biodostupností

19

Syntéza pencicloviru

➢ Syntéza pencicloviru vychází z 2-amino-6-chlorpurinu, který je

alkylován a následnou reakcí s methanolem poskytuje

dimethylesterpurinový analog.

➢ Ten je redukován tetrahydridoboritanem sodným a bazicky

hydrolyzován za vzniku konečnému produktu.

20

Syntéza pencicloviru

21

Acyklické nukleosidy – inhibitory

methylačních reakcí

22

➢ (S)-DHPA (9-(2,3-dihydroxypropyl)adenin, DuviraTM)

➢ Jedná se o první acyklický nukleosidový analog, o kterém je již od roku

1978 známo, že disponuje širokým spektrem účinků proti RNA i DNA virům.

➢ Inhibuje S-adenosylhomocysteine (SAH) hydrolasu, enzym, který je

zodpovědný za degradaci SAH, vedlejšího produktu methylačních reakcí

v organizmu (methylačním činidlem je S-adenosylmethionin).

➢ Komerčně byl prodáván pod názvem Duviragel jako mast proti oparům.



23



➢ Syntéza (S)-DHPA vychází z adeninu, který může být jednoduše

alkylován dioxolanovým derivátem a následně kysele katalyzovaným

otevřením ketalu vzniká (S)-DHPA.

➢ Jiná metoda vychází opět z adeninu, který je alkylován do polohy N9

pomocí chráněného oxiranového derivátu. Působením kyseliny je

odchráněna hydroxylová skupina a vzniká finální produkt.

24



25



➢ Zatímco (S)-DHPA reversibilně inhibuje SAHasu, AHPA (3-(adenin-9-

yl)-2-hydroxypropanová kyselina) a eritadenin ji ireversibilně inaktivují.

➢ Příprava AHPA je možná dvěma metodami.

➢ Přímá jednostupňová syntéza zahrnuje alkylaci adeninu ethyloxiran-

2-karboxylátem.

➢ Druhá metoda vychází z adeninu, který alkylací bromoacetalem

poskytne 6-amino-9-(2,2-diethoxyethyl)purin. Acetalová chránící

skupina je kysele labilní, a proto již mírným okyselením reakční směsi

dochází k jejímu rozkladu za vzniku 6-aminopurin acetaldehydu. Vzniklý

aldehyd reaguje s kyanidem sodným za vzniku kyanhydrinu. Kysele

katalyzovanou hydrolýzou nitrilové skupiny je získán požadovaný

AHPA.

26



Syntéza AHPA

27

Acyklické nukleosidfosfonáty

➢Acyklické nukleosidfosfonáty představují analoga mononukleotidů,

které obcházejí první fosforylační krok.

➢Obsahují N-alkylovou vazbu rezistentní proti působení hydroláz a

fosforyláz a dále izopolární fosfonomethyletherovou vazbu rezistentní

proti enzymatické degradaci.

N

N

N

N

NH2

P(O)(OH)2O

R

N-alkylová

vazba

etherová vazba

fosfonátová

skupina

28


➢Dlouholetý výzkum v této oblasti přinesl 4 strukturně obdobné skupiny

sloučenin, které se liší charakterem postranního řetězce:

•N-[2-(fosfonomethoxy)ethyl] deriváty (PME)

•N-[2-(fosfonomethoxy)propyl] deriváty (PMP)

•N-[3-hydroxy-2-(fosfonomethoxy)propyl] deriváty (HPMP)

•N-[3-fluor-2-(fosfonomethoxy)propyl] deriváty (FPMP)

https://www.youtube.com/watch?v=Xfq5sfLManQ

https://www.youtube.com/watch?v=IEiGznLiBaU

29


30


➢ Příprava acyklických nukleosidfosfonátů obecně vychází ze dvou variant.

➢ První možnost zahrnuje přípravu acyklického nukleosidu alkylací báze a

na volnou hydroxylovou skupinu postranního řetězce je pak navázán

fosfonomethylový zbytek.

➢ Druhá varianta vychází z přípravy synthonu, kterým je celý postranní

řetězec a tím je pak alkylována báze.

➢ Schéma vystihuje dvě možnosti přípravy fosfonátového alkylačního

činidla.

31


Adefovir (PMEA, HepseraTM, PreveonTM)

➢ je látka aktivní proti celé řadě retrovirů (HIV, SIV, MSV, FLC) a DNA

virům (HBV, HSV).

➢ Jeho orální profarmakum adefovir dipivoxil byl v roce 2002 schválen

k léčbě infekcí spojených s virem hepatitidy B, zvláště u pacientů, u kterých

se vytvořila rezistence vůči lamivudinu.

➢Z hlediska mechanizmu je substrátem i inhibitorem reversních

transkriptas.

➢Pro zajímavost zde uvádíme cenu za jedno balení Hepsery (30 tablet = 1

měsíc), která činí $ 340 (v USA) a 740 € (v EU).

32


➢ Syntéza adefoviru vychází z adeninu, který je 1,3-dioxolan-2-onem

alkylován do polohy N9 a následnou kondenzací s diisopropyl-p-

tolylsulfonyloxymethylfosfonátem vzniká diester adefoviru.

➢ Esterová funkce je nakonec odštěpena bromtrimethylsilanem

s následnou hydrolýzou.

33


Tenofovir ((R)-PMPA, VireadTM)

➢ působí jako nukleotidový inhibitor reversní transkriptasy a je tak velmi

aktivní proti HIV a HBV virům.

➢ Jeho orální profarmakum tenofovir disoproxil fumarát (byl v roce 2001

schválen (USA) k léčbě HIV a následně v roce 2008 k léčbě chronické

hepatitidy typu B dospělých a dětí nad 12 let.

➢Je účinný i proti mutantům HIV rezistentním vůči NRTI, NNRTI.

➢ Tenofovir byl syntetizován Antonínem Holým z ÚOCHB AV ČR již

v roce 1984, pouhý rok po objevení viru HIV, avšak jeho anti-HIV účinky

byly publikovány až v roce 1992.

34


Tenofovir ((R)-PMPA, VireadTM)

35


➢Tenofovir je rovněž používán v kombinaci s dalšími přípravky:

➢ V roce 2004 byla schválena TruvadaTM vyvinutá firmou Gilead Sciences

kombinující tenofovir a nukleosidový inhibitor emtricitabin.

➢ Zajímavostí je, že Gilead Sciences připravuje tablety ve dvou odlišných

barvách. V USA a Evropě je k dostání ve formě tmavě modré tablety, kdežto

do rozvojových zemí se dostává v barvě světle modré.

➢ Gilead Sciences se v rámci svého tzv. Gilead Access Program snaží, aby

přípravky k léčbě HIV byly finančně dostupné v rozvojových zemích, kde je

nejvíce HIV infikovaných osob, a proto do těchto zemí dodává potřebné

přípravky jako je Truvada bez finančního zisku.

➢ K rozlišení léků pro USA a Evropu a rozvojové země slouží právě

zmíněná barva tablety.

36


➢ V roce 2006 následovalo uvedení přípravku AtriplaTM, který spojuje

tenofovir, emtricitabin a nenukleosidový inhibitor reversní transkriptasy

efavirenz.

➢ Cena měsíční dávky Atriply dosahuje přibližně 1,150 USD.

➢ Čtyřkombinace elvitegravir, cobicistat, emtricitabin a tenofovir pod

komerčním názvem Stribild byla schválena v roce 2012.

tenofovir (300mg)

emtricitabine (200 mg)

tenofovir

emtricitabine

efavirenz

USA/Europe

Developing World

37


38

➢ Princip syntézy tenofoviru je obdobný jako u předchozího adefoviru.

➢ Adenin je nejprve alkylován (R)-4-methyl-1,3-dioxolan-2-onem a

produkt následně reaguje s diisopropyl-p-tolylsulfonyloxymethyl-

fosfonátem.

➢ Tenofovir pak získáme štěpením získaného dialkylesteru

bromtrimethylsilanem.


39


40


Cidofovir ((S)-HPMPC, VistideTM)

➢ byl v roce 1996 schválen v USA a EU k léčbě HCMV retinitidy u osob

trpících onemocněním AIDS

➢ Klinicky je dále používaný k léčbě infekcí způsobených papilomaviry

a poxviry, proti anogenitálnímu herpesu (HSV-2).

➢ Je rovněž velmi účinný proti variole in vitro a zatím jediný přípravek,

který je schválen k léčbě varioly v případě nákazy.

➢ Podává se ve formě infuzí nebo lokálními injekcemi, případně

v krémech a gelech.

➢ Ve formě aerosolu inhalovaný cidofovir se dostává do plicních buněk

a může tak být použit pro profylaxi orthopox viry (smallpox a

monkeypox) způsobených infekcí.

41

Brincidofovir

➢ Jedná se o experimentální látku vyvíjenou firmou Cimerix

s antivirotickými účinky proti cytomegalovirům, adenovirům, smallpox

viru, herpes simplex viru a ebole.

➢ Lipofilní postranní řetězec zlepšuje prostupnost přes buněčnou

membránu a orální biodostupnost.

➢ Brincidofovir je právě ve fázi III klinických zkoušek, kde se studuje

účinek proti cytomegaloviru a adenoviru a smallpox viru.

➢ V roce 2014 FDA povolila také fázi II testů k léčbě infekce vyvolané

virem ebola.


42


43

➢ Cidofovir můžeme připravit alkylací chráněného cytosinu trityloxymethyl-

(S)-oxiranem a následnou kondenzací s diisopropyl-p-

tolylsulfonyloxymethylfosfonátem.

➢ Kysele katalyzovaným štěpením tritylové skupiny, odchráněním

exocyklické amino skupiny působením methoxidu sodného a následným

štěpením dialkylesterových funkcí bromtrimethylsilanem získáme cidofovir.


44


45

46

47

PMEDAP (N-[2-(fosfonomethoxy)ethyl]-2,6-diaminopurin)

➢ je aktivní proti retrovirům, avšak hlavním směrem studia jsou jeho

cytostatické účinky

➢ V roce 1999 bylo zveřejněno, že terapie samotným PMEDAP u krys (5

mg/kg.d) aplikovaným do bezprostředního okolí lymfomu vyvolává

pokles hmotnosti lymfomu, snížení mitotické aktivity jeho buněk,

zvýšenou kondenzaci chromatinu a změněnou morfologii neoplastických

buněk.

➢ Tento efekt však trvá pouze po dobu podávání látky.

➢ Proto byly vyvíjeny další látky založené na struktuře PMEDAP, u

kterých by došlo ke zlepšení farmakologických parametrů.

➢ Tak vznikla např. látka (6-cyklopropyl-N-[2-(fosfonomethoxy)ethyl]-2,6-

diaminopurin) vystupující jako proléčivo PMEG, který z něj vzniká

enzymatickou degradací.


48

➢ Významnějším objevem, který upoutal pozornost široké veřejnosti,

byla syntéza a studium protinádorových vlastností látky GS-9219, která

byla klinicky studována na psech se spontánními nádory lymfatických

uzlin tzv. neHodgkinského typu.

➢ V roce 2008 bylo zveřejněno, že látka GS-9219 vstoupí do nádorové

buňky, kde je hydrolyticky přeměněna na meziprodukt N6-cyprPMEDAP,

ten je deaminován na výsledný účinný PMEG.

➢ PMEG se fosforyluje a díky tomu je schopen začlenit se jako

nukleotidový analog do nukleové kyseliny, čímž dojde k zastavení

replikace DNA a nádorová buňka hyne.

➢ Tento přípravek byl mimořádně účinný. Jediná injekce látky GS-9219

dokázala zbavit psa nádoru za šest dní a dosavadní pokusy potvrdily její

vysoký účinek a poměrně nízkou toxicitu.


49

➢ V roce 2010 však přišlo velké zklamání, když bylo zjištěno, že u zvířat

jinak velmi účinná látka GS-9219 měla na lidi příliš velké toxické účinky,

takže trpěli silnou nevolností a narušovala se jim kostní dřeň.

➢ Testy byly přerušeny v prvním stadiu, kdy se zkoumají právě vedlejší

účinky léků na lidský organizmus.

➢ Nicméně tato látka našla uplatnění ve veterinární medicíně.


50


51

Nové cyklické fosfonáty

➢ Pozornost byla věnována i výzkumu a vývoji cyklických nukleosid

fosfonátů, kterých je však podstatně méně.

➢ Za zmínku stojí čtyři látky:

➢ deoxythreosylfosfonát PMDTT

➢ deoxythreosylfosfonát PMDTA

➢ GS-9148

➢ GS-9131

➢ Fosfonáty PMDTT a PMDTA se ukázaly účinné proti HIV, avšak zatím

nejsou dostupné bližší informace jako farmakologické, farmakokinetické

nebo toxikologické parametry.

52


➢ Dále byl připraven fosfonomethoxy-2’-fluoro-2’,3’-dideoxy-2’,3’-

didehydroadenosin (GS-9148), který projevil příznivý profil rezistence na

širokou řadu NRTI mutací zahrnující TAMs, K65R, L74V a M184V.

➢ Proto se tato látka jeví jako atraktivní kandidát pro klinický vývoj terapie

a/nebo profylaxe HIV infekcí.

53

HIV-1 reverse transcriptase-DNA complex with GS-9148 terminated primer

http://www.rcsb.org/pdb/explore/jmol.do?structureId=3KK3&bionumber=1

54


Documents

Kapitoly z bioorganické chemie OCH/KBCH