APPUNTIDI
CHIMICA FARMACEUTICAPER BIOTECNOLOGIE
Prof. Antonello MaiDip. Studi FarmaceuticiUniversità “La Sapienza” Roma [email protected]
Scoperta del “LEAD COMPOUND”
SCREENING:• Estensivo• Random• HTS• Intermedi e
sottoprodotti di sintesi
VALORIZZAZIONEDI INFORMAZIONI
BIOLOGICHE:•Studio medicine
indigene•Studio effetti biologici•Studio effetti secondari
dei farmaci•Scoperta fortuita da
prodotti industriali
APPROCCIO RAZIONALE:
•Conoscenza eziologia della malattia
•Conoscenza target
•“computer-aided drug design”
SCREENING
1. Estensivo: piccolo numero di molecole su uno studio farmacologico completo
FENOTIAZINEBENZODIAZEPINE
N
NO
Cl
H
Es.
sintetizzate per errore e saggiatecon s. estensivo dopo 5 anni
N
S
NCH3
CH3
Cl
attività neurolettica scopertada s. estensivo condotto su
antistaminici sedativi
•TAXOLO (Paclitaxel) (antitumorale)
PIRENZEPINA (antiulcera)
2. Random: gran numero di molecole su target (e attività) mirate
Es. •Antibiotici•Ciclosporina A (polipeptide ciclico screenato come potenziale antibiotico e scoperto ad
attività immunosoppressiva)
NEVIRAPINA (anti-AIDS)
N N
HN
N
OCH3
N N
HN
N
N
H3C
O
O
3. High Throughput Screening (HTS) automatizzato:moltissime molecole su diversi sistemi biologici(soprattutto enzimi)
ASPERLICINA (inibitore CCK) INDOLIL-CARBOSSIAMIDI
LOVASTATINA (ipolipidemizzante)
O
O
CH3
C2H5
O
OHO
H3C
CH3
N
N
O
NHN
HO
O
N
O
H
Es.
N
HN
NH
O NH
O
4. Intermedi o sottoprodotti di sintesi:
Es.: CLORDIAZEPOSSIDO (ansiolitico)
Cl N
NNHCH3
OCLORDIAZEPOSSIDO
N
HN
NHCH3
ClO
N
HN
Cl
NH2CH3
OCl
tiosemicarbazoni(promettente attività
antimicobatterica)
ISONIAZIDE (antitubercolare), 1912-1945Es.
S
NN
NH
O2S R
H2N
S
N
NH
O2S
H2N
SULFATIADIAZOLI SULFATIAZOLI
(antibatterici)
S
NN
H2NR
2-amminotiadiazoli
H2N
S
NH
N R H2N
S
NH
NH2
R-CHO
N
CHO
piridin-4-carbossialdeide
N
CONHNH2
idrazide isonicotinica
N
COOC2H5
etileisonicotinato
N
COOH
acidoisonicotinico
N
CH3
4-metilpiridina
VALORIZZAZIONE DI INFORMAZIONE BIOLOGICA
1. Studio di medicine indigene:
COOH
OH
AC. SALICILICO
N
NHO
H3CO CHININA, CHINIDINA
2. Studio degli effetti biologici:
Es. 1: trifoglio essiccato ---> emorragia letale allo stomaco
Es. 2: Penicillina
• Pasteur (1878): antagonismo tra 2 ceppi di microorganismi• Roux-Duchesne (1897): “Contributo allo studio della competizione
vitale tra microorganismi: antagonismo tra muffe e microbi”• Fleming (1928)• Chain-Florey 1940: da studi sul LISOZIMA, antibiotico
antimicrobico che era creduto attivo contro le ulcere duodenali
O
NH
N
S
O
CH3
CH3
COOH
O O
CUMARINA
BENZIL-PENICILLINA
O O OO
OH OH
DICUMAROLO
3. Studio di effetti secondari dei farmaci
Es. 1
MOSTARDA AZOTATA
-BLOCCANTI (coronarodilatatori) ---> (antiipertensivi)
Aggressivo chimico nella Ia Guerra Mondiale in Europa ---> distrugge i globuli bianchi
Cl
NH
Cl
O
OH
HN
CH3
CH3
R
O
OH
NH
CH3
H3C
O
OH
NH
CH3
H3C
analogo ciclico
Es. 2
COMPOSTO 1antiipertensivo ad
attività vasodilatatrice
periferica diretta: no -bloccante
COMPOSTO 2100 volte più
potente
CROMAKALIM3 volte più potente
attivatore canali del Ksulla fibrocellula
muscol. liscia delle arterie
ipopolarizz. ---> vasodilat.
CLONIDINA
-agonista pre-sinaptico ===> antiipertensivo
O
OH
NH
CH3
H3C
O2N
CH3
CH3
O
OH
N
NC
CH3
CH3
O
OH
N
NC
CH3
CH3
O
NNH
HNCl
Cl
-agonista da usarsi come vasocostrittore nasale o nel sapone da barba:
Es. 3
INI (ISONIAZIDE) antitubercolare ---> solleva l’umore: IDRAZIDI ANTI-MAO
IPRONIAZIDE(antidepressivo)
ISOCARBOSSIAZIDE(antidepresivo)
N
CONHNH2
N
O HN
NH
CH3
CH3
O
N
H3C
NH
O HN
Es. 4
CLORPROMAZINA(neurolettico)
IMIPRAMINA(antidepressivo triciclico)
PROMETAZINA (antiistaminico) ---> (sedativo) PROMAZINA
antiistaminico/sedativo
Es. 5
N
S
N
CH3
H3C CH3
N
S
N
H3C
CH3
N
S
N
H3C
CH3
ClN
N
CH3
CH3
SULFANILAMIDE SULFAMIDICIantibatterici
eff. collater.: diuretici, ipoglicemizzanti
TOLBUTAMIDE(ipoglicemizzante)
ACETAZOLAMIDE(diuretico)
Es. 6
H2N
O2S
NH2
H2N
O2S
NH
Het
H3C
O2S
NH
NH
O
CH3
NN
S SO2
NH2NH
H3C
O
4. Scoperta fortuita da prodotti industriali
NITROGLICERINAesplosivo
vasodilatatore delle coronarie
CARBIMAZOLO(antitiroidei)
DIETILDITIOURAME (DISULFIRAM)antiossidante nell’industria della gomma
disassuefacente dall’alcool
ONO2
ONO2
O
NO2
N
SH2N
2-amminotiazolo
Es. 1 Es. 2 N
NH
HS
2-mercaptoimidazolo
N
NHS
CH3
TIAMAZOLO
N
NS
CH3
C2H5O
O
N SC2H5
C2H5
S
S
S
N
C2H5
C2H5
Es. 3
H3C OH H3C H
O
H3C OH
O
APPROCCIO RAZIONALE
Basato sulla conoscenza:
1. delle alterazioni biochimico-metaboliche caratteristiche di determinate condizioni patologiche e responsabili, in taluni casi, della malattia e più frequentemente dei suoi sintomi più fastidiosi;
2. delle caratteristiche strutturali e/o funzionali di determinati target macromolecolari (enzimi, recettori, canali ionici, proteine trasportatrici);
3. della struttura chimica e delle funzioni biologiche dei ligandi fisiologici dei target sopracitati: agonisti, antagonisti, agonisti parziali ed inversi nel caso dei recettori; substrati, prodotti, attivatori ed inibitori nel caso di enzimi.
Contributi essenziali da parte di:Biochimica, fisiologia, genetica, biologia molecolare, metodiche chimico-fisiche (N.M.R., E.P.R., spettrometria di massa, raggi X, scattering di neutroni), informatica.
ESEMPI:
A. Terapia sintomatica ma razionale del morbo di Parkinson.I sintomi compaiono quando il contenuto di DOPAMINA nel corpo striato diventa il 20-40 % dei valori normali.
DOPAMINA(mediatore endogeno)non attraversa BBB
3,4 – DIIDROSSIFENILALANINA (L- DOPA)(precursore fisiologico della dopamina)
attraversa BBB
HO
HO NH2
HO
HO NH2
COOH
DOPA-decarbossilasi(DDC)
L - DOPA
BBB(barriera emato encefalica)
1 %
CERVELLO
DDC
DOPAMINA
SANGUE ETESSUTI
PERIFERICI
TRATTO GI
DDCMAO
90% 9 %
DDCCOMT
HO
HO NHNH2
COOH
CH3
CARBIDOPA
inibitori DOPA-decarbossilasinon attraversano BBB
NH
HN
O
NH2
OH
OH
OHHO
BENSERAZIDE
B. Scoperta degli inibitori dell’enzima di conversione dell’angiotensina.
B. Scoperta degli inibitori dell’enzima di conversione dell’angiotensina (ACE).
Dettagli biochimici del sistema renina-angiotensina noti dai primi anni ‘60.
angiotensinogeno
renina --->
angiotensina I (10 AA)(inattiva)
angiotensina II (8 AA)(vasocostrittore 40 volte
più potente di nor-adrenalina:stimola il rilascio di aldosterone)
chininogeno
<--- callicreina
bradichinina (9 AA)(potente vasodilatatore)
eptapeptide inattivo
<------------ ACE ------------>
TEPROTIDE (9 AA)
primo inibitore noto di ACE ad attività antiipertensiva (1965) non biodisponibile per via orale
pyro-Glu-Trp-Pro-Arg-Pro-Glu-Ile-Pro-Pro-OH
O
O-
O
O-
ac. benzilsuccinicoinibitore carbossipeptidasi A
N
R
O O
O-
S-
N
R
O O
O-O
O-
ipotesi di design di inibitori ACE
N COOH
O
O
OH
N-succinilprolina (330 M)
N COOH
O
O
OH
H3C H
N COOH
O
O
OH
H CH3
1(22 M)
2(1480 M)
N COOH
O SH
3(0.20 M)
N COOH
O SH
H3C H
CAPTOPRIL(0.023 M)
C. Scoperta di antagonisti selettivi del recettore istaminergico H2.
Antistaminici classici (mepiramina) non antagonizzano la secrezione acidagastrica da IST = nuova sottoclasse recettoriale (Black et al., 1964)
HNN
NH2
ISTAMINAligando endogeno
agonista puro
HNN
NH
NH
NH2
sintesi di oltre 200composti correlati N-GUANILISTAMINA
1° lead compoundagonista parziale
n = 2-4; X = S, NH; Y = SCH3, CH3, NH2
Tutti agonisti parziali
Requisiti per attività antagonista:•anello imidazolico•catena alchilica n = 2-4•gruppo finale protonabile (funzionalità amidinica) per leg. H bidentato con ossiacido
HNN
X
( )nY
NH
HNN
X
( )nY
NH
HNN
HN
S
NHCH3
BURIMAMIDE1° antagonista puro
non biodisponibile per os
HNN
S
HN
S
NHCH3
H3C
METIAMIDE10 vv più potente
biodisponibile per ostossicità dovuta a residuo di tiourea
HNN
S
HN
N-CN
NHCH3
H3C
CIMETIDINA1° anti-H2 approvato contro
l’ulcera peptica (1976)
D. Computer-aided drug design
Si utilizza un modello 3D sperimentale o ipotetico del sito di bindingdel target molecolare sviluppando nuovi ligandi mediante:- Ottimizzazione di ligando già noto- Ricerca nei database di strutture 3D di composti con caratteristiche stereoelettroniche ottimali per l’interazione- Progettazione “de novo” di ligandi specifici
A. PROGETTAZIONE DIRETTA DI LIGANDO
BASATA SU STRUTTURA 3D NOTA DEL SITO DI BINDING
B. PROGETTAZIONE INDIRETTA DI LIGANDO
BASATA SU UN MODELLO3D DEL SITO DI BINDING
DEDOTTO DA ALTRI LIGANDIA STRUTTURA 3D NOTA
(AGONISTI O ANTAGONISTI)
LIGAND-BASED DRUG DESIGN
STRUCTURE-BASED DRUG DESIGN
STRUCTURE-BASED DRUG DESIGN
• Isolamento e produzione su vasta scala di target (tecnologia: DNA ricombinante)
• Determinazione della sua struttura 3D attraverso:
cristallografia a raggi Xtecniche NMRscattering di neutroni
• Identificazione e caratterizzazione sito di bindingsterica (DOCK)elettrostatica (GRID)
• Determinazione della conformazione di binding di ligando noto
(AUTODOCK, MACROMODEL)• Ricerca o design di nuovi ligandi• Calcolo di energie di affinità (G) e costanti di
inibizione (Ki)
LIGAND-BASED DRUG DESIGN
•Impossibile isolare e/o produrre il target in quantità adeguate per risoluzione struttura 3D•Unici dati disponibili = dati di serie più o meno ampie di agonisti e antagonisti•Identificazione del farmacoforo o modello farmacoforico•Mappatura del sito di binding, cioè deduzione del modello 3D dello stesso•Ricerca e design di nuovi ligandi•3D-QSAR (CoMFA)
Ottimizzazione del “LEAD COMPOUND”
1. Principio di Isosteria2. Principio di Omologia lineare e ciclica3. Composti Viniloghi e Benzologhi4. Semplificazione e Complicazione Molecolare
(approcci disgiuntivi e congiuntivi)5. Distanze intramolecolari6. Raddoppiamento molecolare (farmaci gemelli)
Principio di Isosteria
Concetto base: introdurre nel lead compound modificazioni chimichetali che, pur variandone alcune caratteristiche strutturali e chimico-fisiche, ne mantengano intatta la capacità di interagirecon il target biologico.
Nuovo composto = profilo farmacologico complessivo migliore
1918, Langmuir:
isosteri due molecole che contengono lo stesso numero e disposizionedi elettroni:
O2-, F-, Ne, Na+, Mg+2, Al+3 MOLECOLE MONOATOMICHECO, N2 MOLECOLE BIATOMICHECO2, N2O MOLECOLE TRIATOMICHEClO4
-, SO4-2, PO4
-3 MOLECOLE POLIATOMICHE
1925, Grimm (legge dello spostamento dell’idruro):
l’aggiunta di un idrogeno ad un atomo conferisce al’aggregato la proprietà dell’atomo successivo nella tavola periodica:
n° elettroni gruppi isosteri isoelettronici
7 N CH
8 O NH CH2
9 F OH NH2 CH3
14 CH=CH N=N C=O
16 CH2-CH2 NH-NH S
36
42
44
O NH
N
NH
N
O
NO
N NN
N
N
N
N
S
N
S
NN
S
NS
1932, Erlemmeyer (ampliamento del concetto di isosteria):
Isosteri = atomi, ioni, gruppi funzionali o molecole che presentano lastessa configurazione elettronica ESTERNA
O S SeVI GRUPPO (6 elettroni nel guscio più
esterno)
N PV GRUPPO (5 elettroni nel guscio più
esterno)
C SiIV GRUPPO (4 elettroni nel guscio più
esterno)
Inclusi anche gruppi funzionali con marcate analogie chimico-fisiche:Cl, CN, SCN
Equivalente di anello: solo in composti ciclici S è isostere di CH=CH
S
1951, Friedman (da isosteria a bioisosteria):
bioisosteri = gruppi o molecole aventi almeno una analogia chimica ofisica, che producono effetti biologici spiccatamente simili
HN
NH
R1
R
O
O
O
NH
R1
R
O
O
Es. 1:
OSSAZOLIDINDIONI IDANTOINE
entrambi Antiepiletticiisosteri e bioisosteri
Es. 2:H2N
O
OH
H2N
SO2
NH2
AC. P-AMINOBENZOICO SULFANILAMIDE
antimetabolitibioisosteri
Es. 3:
HN
OHO
H
GABA
N
OHO
H
ISOGUVACINA
N
H
O
NHO
THIP
GABA-agonisti:-pKa circa = 4 per tutti-funzione basica protonabile-distanza intercarica = 5Å
Es. 4:
H2N
O
O
N
C2H5
C2H5
H2N
HN
O
N
C2H5
C2H5PROCAINA
anestetico localePROCAINAMIDE
antiaritmico
isosteri classici non bioisosteri
Omologia lineare e ciclica
Serie omologa = insieme di composti che differiscono per una o piùunità metileniche (-CH2-) ed hanno differenze qualitative e/oquantitative di attività farmacologica
A. OMOLOGIA LINEARE (derivati monoalchilati)
R-X → R-CH2-X → R-CH2-CH2-X → … → R-(CH2)n-X
NCH3Cl
CETILPIRIDINIO CLORURO (Cepacol)
tensioattivo cationico ad attività antisetticaomologhi con n. di metileni <15 sono inattivi come germicidi
Es. 1:
Es. 2: Analoghi della NOR-ADRENALINA
OH
N
H
R
HO
OH
R recett.Eff.
ipertensivo
Eff. ipotensiv
o
H ++ -
Me ++ -
Et + +
n-Prop - +
iso-Prop - ++
n-But - ++
iso-But - ++
Esempio di inversionedi attività farmacologicain serie omologa
B. OMOLOGIA CICLICA (composti ciclopolimetilenici)
(CH2)nX (CH2)n+1
X
serie omologa di compostiad attività antiipertensiva
NH
NH2
NH
N(CH2)n
NH
NH2
NH
N GUANETIDINAoptimum di attività antiipertensiva per n = 7
(CH2)n
HOOC NH
N
O
COOH
analoghi dell’ENALAPRILATO (ACE-inibitore)
n IC50, nM2 19.0003 1.7004 195 4.86 8.1
HOOC NH
N
O
CH3
COOH
ENALAPRILATO
Es. 1:
Es. 2:
Es. 3:
N
O
OC2H5
CH3
MEPERIDINAanalgesico narcoticocon attività tossicomanogena
O
OC2H5
N
H3C
ETOEPTAZINAanalgesico narcoticoprivo di attività tossicomanogena
H2N
O2S
NH
O
NH
GLICICLAMIDEipoglicemizzante orale
H2N
O2S
NH
O
NH
N
TOLAZAMIDEipoglicemizzante orale
Es. 4:
esempio di omologazione + isosteria = aza-omologazione
C. OMOLOGIA LINEARE 2 (composti polimetilenici bifunzionali acatena aperta)
X-(CH2)n-Y X-(CH2)n+1-Y X = o ≠ Y
N N
CH3
H3C
H3C
CH2
CH3CH3
n
COMPOSTI POLIMETILENICI BIS-AMMONICI(METONI)
A partire da n = 1: attività bloccante dei recettori colinergicinicotinici deigangli del sistema nervoso autonomo (GANGLIOPLEGICA), che raggiungeil massimo per n = 6 (ESAMETONIO BROMURO, utilizzato come agenteipotensivo).Da n = 7 in poi l’attività ganglioplegica diminuisce, per scomparire del tuttonegli analoghi superiori, nei quali compare una nuova attività di blocco deirecettori colinergici nicotinici a livello della placca motrice (CURARO-MIMETICA), che raggiunge il suo culmine per n = 10 (DECAMETONIOIODURO, bloccante neuromuscolare utilizzato come succedaneo della d-tubocurarina per indurre rilassamento muscolare nell’anest. chirurgica)
N
CH3
H3C
H3C
N
CH3
Ch3CH3
Br Br
ESAMETONIO BROMUROganglioplegicoantiipertensivo
DECAMETONIO IODUROcuraromimetico
rilass. muscolatura scheletr.
N
CH3
H3C
H3C
I I
N
CH3
CH3CH3
Vinilogia e benzologia (Principio di Angeli)
Due sostituenti X e Y posti in posizione orto o para di un anello benzenico,oppure separati tra loro da catene insature (doppi legami coniugati) si comportano in genere come se fossero direttamente uniti tra loro
X-Y → X-CH=CH-Y X-Y → X
Y
YX
Es. 1:
NH
NH3CO
H3COOCOCH3
OCO-X
OCH3
OCH3
OCH3
X =
RESERPINA
RESCINAMINAAlcaloidi naturali della Rauwolfia Serpentina ad azione ipotensiva e neurolettica
Es. 2:
N
COOC2H5
CH3
MEPERIDINA (analgesico narcotico)
vinilogo ad azionepiù breve perchémeno stabile
N
COOC2H5
CH3
OCH3
OCH3
OCH3
vinilogo della meperidina
Es. 3:
H3C
O
ON
H2C CH3
CH3
vinilogo dell’ACETILCOLINA
ACETILCOLINA (Ach)
compostoattività
nicotinica
attività muscarinic
a
sensibilità alla Ach-esterasi
Ach + + sensibile
vinilogo + - insensibile
ON
H2C CH3
CH3
O
H3C
vinilogo dell’Ach
Es. 4: H2N
SO2
NH2
H2N
SO2
NH2
SULFANILAMIDEantibatterico
DAPSONE (DDS)antileprotico
(compostibenzologhi)
Es. 5:
H2N
NH
O
NC2H5
C2H5
H2N
NH
O
N C2H5
C2H5
PROCAINAMIDE cicloviniloghi della procainamide
compostoattività anestetica
localeattività
antiaritmica
procainamide 1 1
ciclovinilogo orto 0 0.17
ciclovinilogo meta
47 0
ciclovinilogo para 35 0
Semplificazione e Complicazione molecolare(Approccio disgiuntivo e congiuntivo)
A. SEMPLIFICAZIONE MOLECOLARE
O
N
HO
HO
CH3
MORFINAanalgesico narcotico
inconvenienti ed eff. collaterali:-depressione del respiro-azione stupefacente-dipendenza fisica e psichica
NH
O
epossimorfinano
NH
morfinano
NH
benzomorfanoNH
4-fenil-piperidine
NH2
fenil-alchil-ammine
NCOOCH3
O
O
H3C
COCAINAanestetico localestimolante il CNS
N
O
O
H3C
CH3
H3C
H3C
CH3
COOCH3
EUCAINA Aanestetico locale
O
O
NC2H5
C2H5
NH2
PROCAINAanestetico locale
B. COMPLICAZIONE MOLECOLARE
NH
S
NH
NS
PETTanti-HIV-1
NH
S
NH
NS
H
H
forma conformazionalm. ristrettadei PETT
HN
OHO
H
GABA
N
OHO
H
ISOGUVACINA
N
H
O
NHO
THIPpotente GABA agonista
HN
OHO
H
AC. 4-AMMINO-CROTONICO
Distanze intramolecolari
DECAMETONIOcurarizzante
SUSSAMETONIO (SUCCINILCOLINA)
curarizzante
N
ON
O
CH3H
H3COHO
OCH3
H3C CH2
D-TUBOCURARINAcurarizzante naturale
NH3C
H3C
H3C
N
CH3CH3
CH3
NH3C
H3C
H3C
O
O
N
CH3CH3
CH3
O
O
NH3C
H3C
H3C
N
CH3
CH3
CH2
ESAMETONIOganglioplegico
14,5 Å
ESTRADIOLOormone naturale estrogeno
TRANS-DIETILSTILBESTROLOestrogeno di sintesi
CIS-DIETILSTILBESTROLOinattivo
HO
OHCH3
OH
HO
CH3
H3C
HO
CH3
CH3
OH
14,5 Å
Raddoppiamento Molecolare (Farmaci Gemelli)
H3C
O
ON
H2C CH3
CH3
H3C
O
ON
H2C CH3
CH3
ACETILCOLINA (2 molecole)colinergico
O
ON
H2C CH3
CH3
O
ON
H3CCH3
CH3
SUCCINILCOLINAcurarommetico (pseudo-
raddopiam.)
S
NH2
OO
H2N
S
NH2
OO
H2N
SULFANILAMMIDE (2 molecole)antibatterico
S
OO
H2N
NH2
DAPSONEantileprotico
O O
Nh
NH2
NH
H2N
PENTAMIDINAintercalante il DNA
tripanocida
NH
H2NNH
N
NH
N
( )n
NH
NH2
BIS-BENZOIMIDAZOLIintercalanti il DNA
max affinità per DNA = n num. pari