Appunti completi Chimica farmaceutica

Farmaco

Farmaco: sostanza o composizione di sostanze avente proprietà curative, profilattiche o diagnostiche delle malattie umane o animali. Viene somministrato all'essere per ripristinare, correggere o modificare.

Stato stazionario: persona sta bene.

Stato perturbato: persona sta male.

È una sostanza che interagisce con un sistema biologico producendo una risposta biologica.

La sicurezza di un farmaco è data dalla dose somministrata: confronto dose minima di farmaco tossica con dose massima che dà benefici, indice terapeutico: più alto è più è benefico il farmaco.

Nessun farmaco è totalmente sicuro, dipende dagli effetti collaterali. La dose stabilisce se è un farmaco o un veleno. La tossicità può essere selettiva solo verso le cellule estranee o anormali: più alta è meglio è.

Il principio attivo non è il farmaco: ci sono altri eccipienti.

Visione industriale del farmaco

• Spazio fisio-patologico: insieme delle patologie. Esistono soglie tra fisiologico e patologico.
• Spazio biologico: target = macchine molecolari con una funzione. Proteine, acidi nucleici. Determinazione della funzione del farmaco. La funzione può venire alterata.

On target: macchine molecolari sulle quali la molecola del farmaco deve agire.

Off target: macchine molecolari non coinvolte nella patologia.

Multi target: più target possono essere coinvolti nella patologia. Il farmaco può interagire con più target.

Più farmaci possono essere combinati per una sola patologia.

• Spazio chimico: riguarda tutti i potenziali farmaci, i quali non si sa ancora se hanno attività biologica o patologica. Sintesi di molecole.

Profarmaci: diventano attivi solo quando arrivano al target, a causa per esempio del cambiamento del pH della cellula.

Percorso di un farmaco

Fase farmaceutica

• Somministrazione del farmaco.
• Entrata e dissoluzione del farmaco nell'organismo.

Fase farmacologica

1) Fase farmacocinetica: il nostro organismo fa qualcosa al principio attivo.

• Assorbimento del principio attivo, Distribuzione, Metabolismo --> Escrezione: ADME.
• Raggiungimento del sito di azione.

2) Fase farmacodinamica: cosa fa il farmaco all'organismo.

• Effetto farmacologico.

Fase terapeutica

• Effetto terapeutico.

I farmaci sono costituiti da principi attivi (parte biologicamente attiva) ed eccipienti (essenziali per la somministrazione). La combinazione tra principio attivo ed eccipienti è competenza del tecnologo. Più farmaci possono essere combinati insieme per avere effetto terapeutico.

Fin ora i farmaci sono stati principalmente scoperti che sviluppati (es. penicillina). Molti sono di origine naturale o da piccole modifiche di quelli di origine naturale.

Libreria: collezione di entità chimiche, non è detto che abbiano già attività biologica e che in effetti saranno farmaci. Le entità possono essere naturali o sintetiche. Il numero di bersagli, macchine molecolari, è in continua crescita.

Scoperta e sviluppo del farmaco

Dura dai 10 ai 14 anni prima della commercializzazione.

1) Fase di pre-discovery: va dai 3 ai 6 anni.

• Drug discovery: 5000-10000 composti.
• Fase preclinica: 250 composti.

2) 3 fasi cliniche: 6-7 anni.

I composti si riducono a 5.

3) Viene selezionato un farmaco da proporre all'agenzia del farmaco e analisi: 0,5-2 anni.

È facile che questa catena venga interrotta.

Una parte cospicua degli investimenti sta nello studio della struttura cristallografica delle proteine, che sono sempre nuove.

FDA approvals: BLA: farmaci biologici.

NME: new molecular entities.

No crescita esponenziale.

Farmaci dell'area oncologica rilevante: aspetto economico.

Farmaco blockbuster: farmaci che fanno guadagnare tanto (>1 bilione di dollari all'anno).

logP (coeff di ripartizione): fondamentale per farmaco. Es. Lipitor contro colesterolo LDL deve essere sia idro sia liposolubile.

Alla scadenza del brevetto entrano in commercio altri farmaci analoghi. Il brevetto dura 20 anni.

New age drugs

NME (nuove entità molecolare): oligonucleotidi, piccole molecole. siRNA: piccole molecole di RNA che silenziano delle espressioni geniche.

Es. Aspirina: piccola molecola, PM basso, non immunogenica, non crea risposta immunitaria, chimicamente stabile.

BLA (farmaci biologici): proteine, macchine molecolari, prodotte con DNA ricombinante. Es. anticorpi monoclonali, bispecifici...

Es. anticorpo monoclonale: macromolecola, PM alto, immunogenica, chimicamente instabile.

1950-1980: chemistry-driven, in vivo e in vitro, selezionato in base all'effetto farmacologico.

1980-ora: genomics-biologic-driven, progettazione del farmaco in funzione del recettore.

Limitazione nel trasporto.

Scoperta e sviluppo del farmaco

Fase preclinica

• Ricerca preliminare (6-12 mesi): interesse biologico.
• Identificazione del bersaglio farmacologico.
• Validazione del bersaglio.
• Scoperta del Lead (18-24 mesi).
• Identificazione del lead.
• Ottimizzazione del lead.
• ADME tossicità.
• Studi su animali (12-18 mesi), sviluppo chimico (6-12 mesi).
• Sviluppo preclinico.
• Metodi di sintesi e formulazioni.
• IND: investigational new drug --> insieme di studi farmacologici raccolti usati.
• Poi per la fase clinica.

Alla fine della scoperta si arriva all'identificazione del lead. La molecola lead deve essere ottimizzata, modifica della struttura per modificare attività, la selettività e ridurre la tossicità.

Come identificare un lead compound, entità molecolare in parte già ottimizzata, da ottimizzare farmacocinetica e farmacodinamica:

• Progettazione razionale.
• Screening più o meno focalizzato.

L'ottimizzazione avviene attraverso relazione struttura-attività.

Proprietà di un’entità chimica affinché possa essere farmaco: acido-base, PM, logP, volume molecolare.

Con metodologie classiche si arrivava direttamente al lead, scoperta casuale, prodotti naturali, drug repurposing, riutilizzo di farmaco che si conosce già che possa interagire con qualcos'altro, a partire da osservazioni di effetti collaterali, si può lavorare sui metaboliti, progettazione razionale.

Prima del lead c'è hit compound: candidato per diventare lead compound. Le tecniche per ottenere l'hit sono: HTS, screening di una vasta libreria di molecole tramite esperimenti in vitro, VS, virtual screening, attraverso esperimenti computazionali su ampia libreria, FBDD, fragment based screening, a partire da frammenti di molecole piccoli che non sono ancora specifici e selettivi.

Hit

Per essere hit il composto deve avere un'attività: essa è diversa dal legame! Per esserci attività deve esserci sicuramente un legame, ma non viceversa. Attività = legame + inibizione. L'attività dell'hit è tra 50-100 micromolare.

Altra caratteristica è che deve avere una struttura definita e confermata, verificabile tramite NMR. Questo significa che deve avere una certa purezza, ideale >98%. Anche la stereochimica deve essere definita: due enantiomeri possono avere attività differente.

Infine, deve avere proprietà drug-like: PM, e logP, ovvero poter andare in soluzione.

HTS: high throughput screening. Screening di una larga vastità di molecole, migliaia, milioni, non correlate tra loro. Tecnica industriale automatizzata tramite lettori di piastre. I test vengono fatti in vitro. La rivelazione del possibile binding con il bersaglio, che viene iniettato nei pozzetti della piastra, viene effettuato tramite saggi di fluorescenza, FRET, tecnica molto sensibile. Le piastre sono riutilizzabili.

Medium throughput: screening su libreria di medie dimensioni.

Le molecole possono essere in soluzione o adsorbite su superficie: in quest'ultimo caso la molecola è più resistente ai lavaggi, ma potrebbe falsare il risultato del binding, una molecola immobilizzata non si comporta come una molecola libera di muoversi, è più facile da legare.

FBDD: fragment-based screening. Meno specie da screenare rispetto a HTS. Basso PM. Analisi dell'interazione con il target tramite NMR e raggi-X: lo svantaggio è che bisogna utilizzare molto composto per analizzare. Approccio Lego. Ottengo info su legame ligando-target. I frammenti hit legano parti diverse del target: vengono uniti con un linker per ottenere una molecola più grande e più affine al target. Tecnica favorevole perché costruisco l'effetto desiderato unendo più frammenti diversi; tuttavia, l'affinità di molecole così piccole è bassa.

VS: virtual screening. Avviene in silico. Structure-based: si parte da un target molecolare noto strutturalmente: info date da raggi X, NMR, microscopia elettronica. Nel caso della structure-based dei software simulano l'avvicinamento e l'interazione tra target e molecola, docking. Oppure design de novo per sintesi di una molecola nuova.

Se non so la struttura del target uso ligand-based VS: attraverso dati di logP, pH, PM... si scremano le molecole scegliendo quelle che hanno logP, pH, PM simili. L'analisi poi procede in vitro.

Lead

Percorso di ottimizzazione hit to lead (H2L). Il lead deve avere potenza definita, attività 1-10 nanoM: attività a concentrazione molto bassa. Deve avere alta selettività e specificità. Deve avere un meccanismo di azione (MOA) ben definito: che tipo di interazioni chimiche avvengono col bersaglio.

Il MOA risulta importante con le moderne tecniche di sintesi: precedentemente, molti farmaci erano messi in commercio senza conoscere il meccanismo di azione.

Il lead deve poi essere ulteriormente ottimizzato per quanto riguarda l'interazione col bersaglio, farmacodinamica. A questo punto si fa analisi farmacologica: saggi in vivo, ratti, studi sul metabolismo (ADME) del farmaco. Infine, formulazione farmaceutica, orale...

Structure-activity relationship (SAR)

Per identificare parti della molecola che sono chiave per l'attività, binding. Effettuo cicli per ottimizzare attività, selettività... lavorando sulla struttura della molecola. Il ciclo consiste in: test in vitro, analisi dei risultati, capire cosa modificare, modificare e di nuovo test.

Si continuano a fare test in vitro.

Si fanno cicli per raggiungere il lead, ognuno dei cicli ci porta all’identificazione delle parti della molecola che sono chiave per l’attività, binding. Si introducono diverse modifiche alla struttura, creando delle librerie di analoghi.

Si ottimizza l’attività della molecola lavorando sulla struttura.

Scaffold strutture rigide planari, cicli che possono essere condensati, aromatici, spesso sono eterocicli con eteroatomi perché ci sono vantaggi dal punto di vista della sintesi, si possono aggiungere altri gruppi funzionali necessari per schema di interazione, posso lavorare su interazioni con il bersaglio.

Scaffold viene decorato con altri gruppi funzionali che dovranno essere posizionati strategicamente e devono essere posizionati in base alle caratteristiche chimiche.

Esempio: si fanno considerazioni su cosa succede nello sviluppo di un potenziale farmaco, Ombra – spazio del sito catalitico che va riempito. Solo scaffold – si può considerare un frammento (hit compound) ic elevata; viene ottimizzato con altri gruppi funzionali con specifiche configurazioni. Importante conoscere la tasca del target che deve essere occupata.

Interazione risulta ottimale perché migliora l’attività. Fluoro, ad esempio, non cambia la dimensione del farmaco ma cambia la polarità della molecola. Due caratteristiche sempre considerate sono il PM e la solubilità in acqua, nello sviluppo del farmaco si parte dal frammento con bassa solubilità in acqua ma attività piccola; si arriva a un PM grande ma accettabile, coefficiente di ripartizione logP>5 non ideale, oltre al limite ma si guadagna in attività. Va ottimizzato in termini di solubilità per andare avanti.

Si può partire da frammenti o molecole già esistente, si ottimizza e lead viene valutato in fase clinica come candidato.

Quando si ha un candidato farmaco si ha un IND: dati raccolti, documentazione che permettono di candidare uno o più farmaci per le fasi cliniche che sono 3. Prima fase si valuta la sicurezza su un numero di pazienti basso – sani, non si vogliono effetti tossici; nella fase due si valuta l’efficacia, si vuole vedere se su un organismo vivente umano si vuole vedere se c’è efficacia del farmaco, sapendo che tossicità è bassa. Infine, si valuta su un numero maggiore di pazienti efficacia. NDA: si raccolgono tutti i dati ottenuti dalle fasi cliniche che portano alla richiesta del candidato farmaco per la messa in commercio.

Dopo che il farmaco viene commercializzato per tutti gli anni successivi viene controllato – follow up e farmacovigilanza.

Imatinib

Imatinib: cambiamento dello sviluppo del farmaco nel tempo, si lavora sulla struttura del bersaglio, uno dei primi farmaci sviluppati in questo modo. È un antitumorale utilizzato per il trattamento della leucemia mieloide cronica. Imatinib è il nome del principio attivo della molecola. È un inibitore della tyrosin chinasi, avviene una traslocazione di due geni che porta alla formazione di due cromosomi sbagliati – cromosoma Philadelphia porta alla formazione di una determinata proteina, prodotta solo se presente questo cromosoma. Bersaglio BCL-ABL tyrosin chinasi. Chinasi presenti circa 500 tipologie.

Tirosin-chinasi formata da due subunità, agiscono su una proteina e la fosforilano producendo ATP. Proteina fosforilata è una forma attiva. Chinasi favorevoli dal punto di vista farmaceutico. Proteina ha binding-site di ATP, può essere usato come bersaglio per una piccola molecola. Bersagli più usati sono le proteine, presentano tasche e attaccabili. Prodotto finale del dogma DNA-RNA-proteina. [Aggiungere schema chinasi].

Chinasi che lega ATP usato per produrre proteina attiva con un ruolo nella leucemia, porta alla malattia, avviene solamente nelle cellule cancerose di chi ha quella malattia. Imatinib occupa sito ATP e quest’ultimo non può più legarsi, si inibisce formazione della proteina. Farmaco molto selettivo con pochi effetti collaterali.

Per resistenza al farmaco la proteina comincia a mutare.

Case study nelle slide: Scaffold viene fuori da screening iniziale che aveva come bersaglio un’altra chinasi. Struttura tirosin-chinasi ci ha permesso di ottimizzare l’HIT con vari cicli. Si introduce una piridina; si osserva che aggiungendo un’ammide portava a una inibizione anche della proteina chinasi. Aggiunta metile porta a spostare gruppi funzionali in posizione più comoda della tirosin-chinasi. Per migliorare la solubilità e l’assorbimento, per via orale, Figura: Imatinib si aggiunge un sostituente.

Primi farmaci antitumorali avevano come bersaglio il DNA ma non avevano grande selettività, non colpiscono solo il bersaglio, si ha un’elevata tossicità per gli effetti collaterali sul DNA umani. Acidi nucleici possono essere utilizzati come bersagli con maggiori effetti collaterali.

Bersagli e macchine molecolari

Bersagli – Macchine molecolari – targets: maggiore conoscenza con lo sviluppo molecolare dei vari bersagli che possono essere usati come target. I bersagli che i farmaci disponibili erano solo 500, era pre-genomica, ma si stima che la rivoluzione genomica, si dava importanza anche ai geni e non solo proteine, porti a un numero di potenziali bersagli per i farmaci pari a 10.000.

Prima si osservavano solo le proteine, Human Genome project, ha permesso di sequenziare un intero genoma umano. Oltre alle parti codificanti per le proteine vi è il 98% di parti non codificanti – non porta a proteine. Non coding possono essere grande catene di RNA sovraespresse o ipoespresse in caso di malattia. MIRNA strutture che hanno un ruolo ma non codificano per le proteine. Non sono portatori di informazione genetica ma la struttura porta a una funzione.

Bersagli a disposizione sono diversi (DNA 2%).

Primo farmaco con bersaglio RNA.

Target deve essere validato, non tutti i bersagli associati a uno stato patologico sono adatti per l’intervento del farmaco. Deve essere provato che la modifica del target riporta allo stato di salute.

Livello di validazione del target: sistemi cellulari isolati, modelli animali, trials clinici. Può andare in parallelo.

Genoma umano variazione: due individui non correlati tra loro differiscono di circa di 1bp ogni 1000 bp; quindi, se ci sono 3 miliardi di paia di basi nel genoma umano, la frequenza di variazione è di 3 milioni tra i due individui. Le variazioni sono evidenti; meno evidenti è che fattori genetici contribuiscono alla salute e la risposta ai trattamenti.

Se si hanno due gemelli omozigoti il patrimonio genetico è uguale, ambiente però porta alla variazione – variazioni epigenetiche, che porta a una diversa espressione di una proteina.

Variazione genetiche di genere e di etnia.

In passato farmaci solo su uomini bianchi che su una donna poteva avere una risposta diversa.

Farmacogenomica

Farmacogenomica: studio dell’interazione tra le caratteristiche del farmaco e degli individui. Differenze interindividuali alla risposta al farmaco sono associabili alla presenza o assenza di specifici marker biologici, che possono modificare l’individuo a livello di farmacocinetica e farmacodinamica.

Farmacogenomica ha lo scopo di individuare la miglior terapia per un individuo o per una certa popolazione.

PD = farmacodinamica, PK = farmacocinetica.

Farmacodinamica

Studio interazione tra recettore, target, con piccola molecola, ligando.

Riconoscimento molecolare: relazione tra drug e target. Nella zona di binding è dove il farmaco va a legarsi: zona ortosterica. Nella zona ortosterica ci sarà.