Multi Parameter Optimering

I løbet af de sidste 10 år er der sket en rivende udvikling i vores forståelse af, hvorledes et lægemiddels fysisk-kemiske egenskaber, er afgørende for lægemidlets funktion. Især har stoffers evne til at danne hydrogen bindinger, lipo�ilicitet (fedt-elskende-hed), syrebase egenskaber samt polaritet vist sig at have en afgørende betydning for funktionaliteten. Denne viden er mundet ud i en række kemiske design-kriterier, som læggemiddelforskere nu bruger ved skabelsen af nye lægemidler.

Af Jan Kehler

Ved udviklingen af lægemidler er der �lere parametre, der skal opfyldes. Nogle mere åbenlyse end andre. Hvordan får vi lægemidlet til at virke på sit ”target” (mål)? Hvordan sikrer vi at lægemidlet kommer fra indtagelsesstedet hen til sit target? Og hvilke karakteristika bestemmer, hvor godt et kemisk stof trænger ind i fx hjernen? Når et lægemiddel indtages oralt til behan-dling af fx psykotiske lidelser i hjernen, er første forhindring, at det skal absorberes fra mave-tarm-kanalen og ledes ud i blodbanerne. I blodba-nerne �indes proteiner og lipider, der kan binde sig til lægemidlet. Kun ubun-det lægemiddel kan udøve sin virkning på sit ”target”, hvorfor det helst skal undgå disse uspeci�ikke bindinger. Fra blodba-nerne transporteres lægemidlet til leveren, hvor det ikke må nedbrydes af de katabol-ske (nedbrydende)

enzymer. Fra leveren kan lægemidlet endelig transportere sig mod hjernen, hvor det efter at have passeret blo d-hjerne-barrieren, endeligt kan binde sig til sit ”target”.

Lipinski Rule-of-FiveI slutningen af 1990’erne lavede computer-kemikeren Chris Lipinski en analyse af de fysisk-kemiske egenskaber gældende for 2500 lægemiddelkandidater, der havde gennemgået klinisk testning i men-nesker. Lipinski opdagede et mønster, idet at 90 % af

alle lægemiddelkandidat-erne var små og lipo�ilem-olekyler, der opfyldte 4 stringente krav, siden kaldet ”Lipinski Rule-of-Five”. Lægemidlerne havde: Højst 5 hydrogen bind-ings donorer Højst 10 hydrogen bindings acceptorer (nitrogen eller oxygen) En molekylær vægt på under 500 g/mol En octanol-vand fordel-ingskoef�icient log P mindre end 5 Alle tal er multiple af 5, heraf navnet “Rule-of-Five”. Lipinski’s regel blev hurtigt accepteret som en

tommel�ingerregel til evalueringen af et stofs egnethed som lægemid-del, ”drugability”.Lipinski opdagede også at kravene for lægemidler til hjernen var særligt strenge, idet disse havde: Højst 3 hydrogen bind-ings donorer Højst 6 hydrogen bind-ings acceptorer (nitrogen eller oxygen atomer) En molekylevægt på under 400 g/mol En octanol-vand fordel-ingskoef�icient log P mindre end 4 Bemærk, at Lipinski’s regler udelukkende baserer sig på statistiske beregninger.

De fysisk-kemiske egenskaber bestemmerNyere forskning har afdækket de bagv-edliggende biologiske årsager til Lipinski’s regler. I realiteten er et molekyles evne til at trænge igennem en bio-membran et spørgsmål om dets fysisk-kemiske egensk-aber. Ved medicin desig-net til hjernen skal

Ved oral indtagelse af lægemiddel passerer dette først ned gennem spiserøret til mavesækken, hvorfra det absorberes til blodbanen og passerer leveren. Herefter er det frit til at transporterer sig mod sit “target”.

lægemidlet fx kunne gennemtrænge slimhin-derne i mave-tarm kanalen samt være i standtil at trænge ind gennem blod-hjerne-barrieren. Forskningsresultater fra de sidste år har afdækket 6 fysisk-kemiske ”nøgle-egenskaber” afgørende for et molekyles evne til at trænge ind i hjernen. Disse 6 egenskaber uddybes i de efterfølgende sider, og er: Molekylvægten, Mw Polært over�lade areal (målt i Å2), PSA Antal hydrogen bind-ingsdonorer, HBD = antal oxygen og nitrogen med et hydrogen bundet Syrestyrken, pKs Lipo�ilicitet, cLogP = 10-talslogaritmen til fordelingskoef�icienten mellem 1-octanol og vand Lipo�ilicitet ved fysiolo-gisk pH =7,4, cLogD7,4 Andre fysisk-kemiske egenskaber såsom antal hydrogen bindings accep

torer, molekylernes �leksibilitet, tilgængeligt over�lade areal, form og facon spiller mindre roller. Molevægten af et stof bestemmer hvor godt det trænger over celle-membranerFor at et oralt indtaget lægemiddel kan absor-beres skal det først passere cellemembranen i tarmsystemets epitel celler. Cellemembraner er opbygget af et dobbelt lipidlag, hvori proteiner, ionkanaler, receptorer, vævstype o.m.a be�inder sig (se �igur).Lipidmolekylerne i cellemembraner er typisk opbygget af phospholip-ider og cholesterol med en molevægt på mellem 500-750 g/mol for lægemidler større end dette vil der være en fysisk modstand, som vanskeliggør bevægelser og transport over mem-braner. En konsekvens af

dette er at større moleky-ler kræver aktiv transport (dvs. transport ved forbrug af energi) for at passere membraner.

Polær over�lade arealEt molekyles polære over�lade areal (PSA = polar surfacearea) erde�ineret som over

�ladesummen af alle polære atomer repræsen-teret ved oxygen og nitrogen inkluderende de hydrogenatomer bundethertil. PSA måles i kvadratångstrøm Å2 (10-10 m2), hvor det vides at:

1 O/N ~ ca. 13 Å2Studier har videre vist at der er en lineær sammen-hæng mellem PSA og antallet af nitrogen- og oxygenatomer.

Biotilgængelighed og penetrering af Blod-Hjerne-BarrierenEt molekyles evner til at absorberes fra mave-tarm kanalen a�hænger af dens PSA, hvor der fore�indes en sigmoid (S-formet) sammenhæng imellem biotilgængeligeden hos mennesket (F) og detpolære over�lade areal. Følgende 3 nøgletal gælder for PSA og biotil-gængeligheden:PSA < 60 Å2, (~4 O+ N’s % med F >90 %) PSA =100 Å2, (~ 7 O+N’s med % F = 50 %)

Cellemembraner er foruden det dobbelt lipidecellelag opbygget af proteiner, ionkanaler, receptorer og meget andet.

0

120

0 20 40 60 80 100

PSA

Procent penetration over blod barrieren mod overflade arealet

20

40

60

80

100

120

% P

enet

rere

t blo

d ba

rrie

ren

Der fore�indes en sigmoid sammenhæng mellem biotilgængelighed af lægemidlet hos mennesket (F) og det polære over�lade areal. Jo større lægemiddel desto lavere mængde �indes frit i blodet.

2 Multi Parameter Optimering2011

PSA > 140 Å2, (~ 10 O+N’s med %F <10 %)For passage af et stof over de ca. 600 km lang hjerne-barrie synes kravet at være endnu strengere: PSA < 70Å2 ~ 6 O+N’s.

Lipo�iliciteten bestem-mer hvad kroppen gør ved lægemidletLipo�iliciteten beskriver hvor ”fedt-elskende” et stof er. Til mål for lipo�ilic-iteten benyttes fordelings-koef�icienten der angiver hvor hydro�il ("vandelskende") eller lipo�il ("fedt elskende") et kemisk stof er. Fordelings-koef�icient er angivet ved (titals)-logaritmen af forholdet mellem koncen-trationen af et (ikke--ioniseret) molekyle i to faser af en ikke-blandbar blanding ved ligevægt fx. kunne man kigge på forholdet mellem LSD opløst i henholdsvis vand eller olie (Se �igur).

FarmakokinetikFarmakokinetik beskriver læren om hvordan krop-pen behandler et indtaget lægemiddel. Her er molekylets lipo�ilicitet af stærk ind�lydelse på de

såkaldte ADME-egenskaber (Absorption, Distribution, Metabo-lisme, og Excretion).Den hydrofobe effekt er den vigtigste drivkraft for 4 forskellige processer:1. Et stofs evne til at gennemtrænge en bio-membran (fx slimhin-den i mave-tarm-kanalen)2. Et stofs evne til at binde uspeci�ikt til proteiner i blodplasma og hjernevæv3. Et stofs evne til at blive genkendt af kataboliser-ende (nedbrydende) enzymer i leveren, tarm og blod4. Et stofs giftighed

1. Permeabilitet over en bio- membran: For effektiv transport (eller permeabilitet) over et membran, skal et lægemiddel være hydro-fobe nok til at trænge ind i cellernes lipide lag, men ikke så hydrofobe, at det bindes heri. Ligevægten mellem lipo�iliciteten og permabiliteten af et

lægemiddel over en cellemembran danner en parabelformet sammen-hæng (se �igur).

2. Koncentration af frit (ubundet) lægemiddel i hjernen: Alle lægemidler danner en vis grad af uspeci�ikke binding til proteiner og lipid-miceller i blod og væv, hvorved mængden af frit tilgængeligt lægemid-del er begrænset. Et

lægemiddels evne til at binde sig uspeci�ikt til proteiner og lipid-miceller afgøres af dens lipo�ilic-itet, hvor der er en direkte lineær sammenhæng mellem logP og frit (ubundet) lægemiddel i fx hjernen.

3. Metabolisk stabilitet af et lægemiddel a�hænger af lipo�ilicitetEn af leverens essentielle opgaver er at rense blodet

Måling af lipo�iliciteten ved at måle fordelings-koef�icienten for et moleky-les fordeling mellem en vand og fedtfase

y = -2.3678x2 + 12.259x + 8.9382

1

10

100

-1 0 1 2 3 4 5 6 7

log(

perm

eabi

litet

en)

cLogP

Sammenhæng mellem permeabiliteten og lipofilicitet ved fysiologisk pH

Ved effektiv transport af lægemidler over cellers dobbelt lipidlag �indes der en parableformet sammenhæng mellem lipo�iliciteten og permeabiliteten af lægemidlet.

Således bestemmes lipo�ilicitetenNormalt vælges vand og octanol som opløsningsmidler til bestemmelse af fordelingskoef�icienten

Af ovenstående ligning er det givet at, et stof med en logP værdi på 2 vil være 100 gange mere opløselig i fedt (octanol) end i vand. Fordelingskoef�icienten er særdeles nyttig i forbindelse med vurdering af distribution af et lægemiddel i kroppen. Hydrofobe stoffer med høj fordelingskoef�icient er fortrinsvis fordelt i fedtvæv, mens hydro�ile stoffer (lav fordelingskoef�icienter) fortrinsvis �indes i hydro�ile rum såsom blodet.hjerne-barriere

C(Vand)C(Octanol)

log P = 10

3 Multi Parameter Optimering2011

Beregn MPO

Sammenhæng mellem mange fysisk-kemiske egenskaber og stoffernes egenskaber som lægemidler er yderst kompleks og et grundigt indblik er nødvendigt ved design og optimering af lægemidler. Forudsigelser af et lægemiddels egenskaber, set fra en fysisk-kemisk synsvinkel, kræver derfor at man tager hensyn til multiple parametre. Dette gøres ved at beregne den såkaldte ”drugability” faktor kaldet ”MPO”-faktoren (Multi Parameter Optimering). MPO scoren beregnes ved at tage summen af den samlede score fra de 6 forskellige beregnede fysisk-kemiske ”nøgle-egenskaber”:MPO = ∑Score (clogP + clogD + TPSA + MW + HBD + pKa)Det viser sig, at for 75% af alle lægemidler designet til det centrale nervesystem har en MPO mindre end 4.

for fremmede kemiske stoffer. Denne opgave løser leveren ved at producere en række metaboliserende enzym-systemer, de såkaldte cytochrom P450 enzymer, der oxidere og hydroxy-lere kemiske stoffer, heriblandt lægemidler. Det viser sig at ”det aktive site” i P450 enzymerne udgøres af et meget lipo�il bindingslomme, hvori der �indes en lineær sammen-hæng mellem lipo�ilicitet af et lægemiddel og hvor

hurtigt et lægemiddel nedbrydes af leveren. Lipo�ile lægemidler nedbrydes hurtigere.

LogD7,4 – Lipo�ilicitet ved fysiologisk pH=7,4Stoffer, indeholdende en funktionel syre- eller basegruppe vil, a�hængigt af deres pKs-værdi, være ioniseret ved fysiologisk (pH = 7,4). Idet ionisering drastisk øger opløse-ligheden i vand, er det yderst relevant at vurdere lipo�ilicitets fordelings-

koef�icienten ved pH = 7,4. I praksis gøres dette ved at måle fordelingskoef�i cienten ved brug af en buffer i den vandige fase,hvorved pH holdes på pH=7,4. Logaritmen af forholdet mellem summen af koncentrationerne af opløst stof (ioniseret plus ikke-ioniseret) i vandig buffer med pH=7,4 i forhold til octanol kaldes LogD7,4.

Syre-basestyrken og permeabilitet

Stoffer som er ioniserede vil være meget polære og dermed have ringere opløselighed end lipider, hvorved de kun meget vanskeligt kan trænge ind over en biomembran. Ved fysiologisk pH, vil en syre med pKs-værdi mindre end 6,4 derfor ikke have gode chancer som lægemiddel til hjernen. Tilsvarende gælder for baser hvis den korrespon-derende syre har en pKs-værdi højere end 10.

4 Multi Parameter Optimering2011