Lezione 1 Chimica farmaceutica 1

PROCESS

Una volta selezionata una malattia con

un mercato favorevole, si procede con

la selezione del target biologico.

Quali sono i principali «bersagli» dei farmaci in commercio? ➢ Recettori 45%

➢ Enzimi 28%

Quindi, la maggior parte dei bersagli sono

proteine, ad attività enzimatica o recettoriale.

➢ Ormoni e fattori di crescita 11%

➢ Sconosciuti 7%

➢ Canali ionici 5%

➢ Acidi nucleici 2%

HIT IDENTIFICATION

HIT compound: un composto attivo primario dotato di proprietà di legame non promiscue e che supera un valore

soglia predeterminato in un dato tipo di saggio (RISULTATO DEL PRIMARY ASSAY).

HIT CONFERMATO è una sostanza attiva che presenta una certa affinità per il target e che soddisfa tutti i seguenti

criteri:

• • una struttura derivatizzabile,

attività riproducibile in un saggio biologico perché gli Hit

confermati rappresentano il punto di partenza per un

pertinente, processo di ottimizzazione. Il processo di ottimizzazione

• struttura confermata ed elevata purezza, presuppone delle modifiche strutturali, ma se la

• specificità per il bersaglio in studio, molecola non è chimicamente derivatizzabile allora si

• potenziale novità, presta ben poco a essere ottimizzata.

Quali sono le strategie per identificare Hit? →

1° strategia – Analog Design (mediante approccio “follow-on” o “me-too”) Sintesi di analoghi di molecole attive

esistenti.

2° strategia – Systematic Screening. Si può fare:

− Screening esteso → numerosi saggi biologici applicati a un piccolo numero di molecole.

− Screening casuale → tante molecole saggiate su un numero limitato di saggi biologici.

− High-throughput Screening → combinazione dei due approcci precedenti screening di milioni di composti in un

gran numero di saggi biologici. Possibile grazie alla robotica (anni ‘80) unitamente alla miniaturizzazione dei

metodi di test in vitro.

− Screening degli intermedi di sintesi.

− SOSA (Selective Optimization of Side Activities) Approach → interazione con target desiderato e con target

“indesiderati” → ottimizzazione della struttura al fine di massimizzare l’interazione con un target indesiderato

→ nuovo potenziale terapeutico.

3° strategia – Sfruttamento Di Dati Biologici

− Etnofarmacologia → studio delle medicine e terapie tradizionali di popolazioni indigene (es. medicina cinese).

− Osservazione clinica degli effetti avversi di determinati farmaci → Approccio simile al SOSA, ma con la

differenza per cui si valutano gli effetti avversi e collaterali indotti dai farmaci.

− Drug Repurposing → studio dei farmaci già approvati per l’uso clinico nell’uomo al fine di identificare nuove

indicazioni terapeutiche.

4° strategia – Ricerca Pianificata E Approcci Razionali

Tecniche Biofisiche: Metodi Computazionali:

• •

protein crystallization; Virtual screening;

• •

ligand-protein co-crystallization and soaking; Docking;

• •

NMR ; • Surface Plasmon Resonance; Dinamica Molecolare;

• •

Differential Scanning Fluorimetry; Modelli farmacoforici;

• •

Mass spectrometry Q-SAR;

• •

Thermal shift Scaffold hopping

Quindi, una volta che si ottiene l’HIT CONFERMATO entra all’interno di un primo processo di ottimizzazione definito

come HIT-TO-LEAD che porta all’identificazione del LEAD COMPOUND

Nel processo HIT-TO-LEAD l’obiettivo principale è quello di ottimizzare le proprietà farmacodinamiche, quindi, l’affinità

e la potenza.

HIT TO LEAD

Il LEAD compound è un composto attivo in vitro e dotato di attività in vivo su modelli di malattia:

➢ chiara relazioni struttura-attività (SAR);

➢ le proprietà fisico-chimiche di base e le proprietà ADME definite;

➢ deve essere brevettabile.

Quindi, il LEAD può essere definito come un composto prototipo che ha l'attività biologica o farmacologica desiderata,

ma può avere ancora altre caratteristiche indesiderate da ottimizzare nella fase successiva di lead optimization (scarsa

selettività del recettore, solubilità, stabilità metabolica, tossicità).

→

AFFINITA’ Misura la forza con cui il composto si lega al sito di binding del target → Si esprime come Ki (costante di

inibizione) ossia la concentrazione di ligando che lega il 50% dei siti di legame.

→

POTENZA Misura l’effetto che il composto è in grado di indurre a seguito del legame con il target → Si esprime come

IC50 (la concentrazione di inibitore che induce il 50% della risposta) o ED50 (concentrazione di agonista che induce il

50% dell’effetto massimo).

Approcci generali di ottimizzazione dell’hit Si tratta di un approccio basato sullo studio

delle relazioni struttura-attività sistematica che

porta alla sintesi di analoghi di cui si va a

valutare l’attività biologica, e sulla base dei

risultati si avranno informazioni circa le modifiche strutturali che consentono di mantenere l’interazione con il target, di potenziare

gli aspetti farmacodinamici e quelle da bandire perché se applicate portano a una riduzione o perdita di affinità. Quindi, si parte dal

LEAD sul quale si applicano delle modifiche strutturali in modo da avere degli analoghi che abbiano alcune modifiche strutturali

rispetto al composto di partenza. Questi vengono poi analizzati, si valuta l’attività biologica e sulla base del risultato ottenuto dal

saggio biologico di screening si comprenderà l’effetto della modifica strutturale applicata sull’attività biologica oggetto di studio.

Tale approccio

prevede la

sostituzione di

un gruppo

funzionale con

un altro gruppo funzionale che conservi la capacità della molecola di interagire con il target, e poi, sostituire un altro gruppo

funzionale con un gruppo bioisosterico. È un approccio che si presta

quando il composto HIT è una

molecola molto grande, quindi, è

possibile prendere tale molecola,

frammentarlo idealmente e

saggiare ciascuno frammento in

termini di capacità di interazione

con il target. Dunque, solo i frammenti che mostreranno capacità di interazione potranno

essere punto di partenza per lo sviluppo di un LEAD.

SAR, ISOSTERI E BIOISOSTERI

Relazioni struttura chimica – attività biologica (SARs)

Consistono nell’apporto di modifiche strutturali al composto d’interesse e

successiva valutazione delle attività biologica del nuovo derivato. Le modifiche

possono riguardare:

❖ semplificazioni della struttura di partenza

❖ variazioni delle catene alchiliche

❖ irrigidimenti strutturali

❖ Sostituzioni bioisosteriche, ecc.

→

ISOSTERI inizialmente definiti come atomi o gruppi di atomi che hanno lo stesso numero di elettroni di valenza (stesso

numero di elettroni nel guscio esterno)- di conseguenza presentano analoghe proprietà chimico e chimico-fisiche.

Il concetto di isosteri si è evoluto nel tempo, e, oggi si parla di isosteri non classici.

→

ISOSTERI NON CLASSICI definizione più moderna: raggruppamenti che possiedono caratteristiche steriche o di

ibridazione o di distribuzione di carica simili.

→

BIOISOSTERI Raggruppamenti con caratteristiche steriche ed elettroniche simili che, se sostituiti al gruppo originale

in una molecola, ne conservano il tipo di attività (inalterata la capacità della molecola di interagire con il target biologico-

Burger 1991).

SOSTITUZIONE BIOISOSTERICA: Sostituzione di atomi o gruppi di atomi che consente di mantenere la capacità della

molecola di interagire con il target.

❖ ❖

aumenta la potenza, diminuisce la tossicità diminuisce effetti

❖ aumenta la selettività, secondari non desiderati.

❖ aumenta la biodisponibilità, oppure Lezione 5

LEAD OPTIMIZATION

Nei processi di ottimizzazione, fatte salve le porzioni molecolari rilevanti ai fini dell’attività biologica (gruppi

farmacofori), vengono attuate modifiche strutturali in grado di migliorare biodisponibilità e proprietà ADMET

(Assorbimento, Distribuzione, Metabolismo, Escrezione, Tossicologia).

La biodisponibilità dipende da diversi fattori:

❖ →

solubilità se un farmaco non è idrosolubile non potrà essere biodisponibile perché nel nostro organismo si

trovano mezzi acquosi;

❖ capacità di superare le barriere biologiche (non solo la barriera EE, ma anche ad esempio la barriera gastrica

per l’assorbimento);

❖ →

Legame alle proteine plasmatiche una volta che il farmaco raggiunge il torrente circolatorio (perché vi è

immesso direttamente o perché assunto per via orale e assorbito dalla mucosa del tratto gastroenterico) vi è

una sorta di equilibrio tra farmaco libero e farmaco legato alle proteine plasmatiche; e la frazione di farmaco

libero rappresenta la frazione che viene sottoposta a metabolismo, che supera le membrane biologiche quindi

si distribuisce all’interno dell’organismo, che raggiunge il sito d’azione ed esplica l’azione per interazione con il

target.

❖ Sensibilità a modificazioni metaboliche;

❖ Modalità di escrezione. →

La biodisponibilità è strettamente legata all’efficacia in vivo se un farmaco non è biodisponibile allora non è efficace

in vivo, quindi, non ha futuro.

Uno dei principali problemi che si incontrano può essere la difficoltà di un lead compound (potente e selettivo in vitro)

a raggiungere l’opportuno sito d’azione in vivo.

La potenzialità terapeutica di un candidato-farmaco è compromessa, a meno che non si modifichi la formulazione o si

ricorra a derivati del farmaco (ad esempio profarmaci).

→

SVILUPPABILITA’ Insieme di parametri e criteri che permettono di far progredire con successo il candidato farmaco

→è

lungo la pipeline la potenzialità, nel caso di un LEAD, di progredire con successo e divenire un candidato farmaco

per la fase di studi clinici e scale up farmaceutico.

Affinché un farmaco sia sviluppabile esso deve avere le cosiddette proprietà drug-like.

Lipinski è stato il primo a introdurre il concetto di proprietà drug-like, definendo le proprietà strutturali che influenzano

le proprietà fisico-chimiche e il loro effetto sull'assorbimento del farmaco. Recentemente il concetto è stato ampliato,

inglobando tutte le proprietà che influiscono su ADME/Tox.

Queste proprietà includono:

− Proprietà strutturali (p