Ripasso prima parte del programma di Chimica e metodologie computazionali farmaceutiche

FASE 2: OTTIMIZZAZIONE DEL LEAD

Quando il lead viene identificato è possibile proseguire con l'ottimizzazione delle caratteristiche farmacologiche per mezzo di modifiche strutturali. Principalmente si cerca di aumentare la potenza, la selettività, di ridurre la tossicità e migliorare la farmacocinetica. Le modifiche sono prima progettate, poi "applicate" con la sintesi del composto modificato e infine valutate biologicamente con saggi vari in cui quella versione del composto viene testata. La fine dell'ottimizzazione conclude la fase di ricerca di base e applicata, a cui fanno seguito le fasi preclinica e clinica. In particolare, tra le varie caratteristiche da modificare, la selettività è molto importante, in quanto un farmaco poco selettivo può andare a toccare target inappropriati non identificati o proprio inattesi, generando tossicità ed effetti collaterali. Inoltre, siti off-target correlati a quello programmato.

possono costituire un'opportunità di interazione vantaggiosa per il farmaco. Comunemente, tra gli elementi off-target si trovano: recettori della stessa famiglia di quello su cui si vuole agire, che magari hanno però effetti totalmente diversi e quindi andrebbero evitati; enzimi del citocromo P450, in quanto, in particolare quelli della famiglia CYP34A, sono implicati nel metabolismo dei farmaci e una loro disattivazione porterebbe ad interazioni tra farmaci oltre che a tossicità; trasportatori vari, in quanto questi regolano la concentrazione intra ed extracellulare dei farmaci o il loro assorbimento a livello intestinale, quindi una loro disattivazione può portare a interazione tra farmaci; canali hERG per il potassio del cuore in quanto, essendo implicati nel mantenimento del normale ritmo cardiaco, se venissero inibiti si verificherebbero aritmie mortali. Ogni ciclo di ottimizzazione crea un nuovo composto che contribuisce a chiarire in che modo la nuova

La struttura risulta in relazioni struttura-miglioramenti di una certa proprietà, quindi a determinare le attività, SAR. Con le SAR viene identificato il farmacoforo, perciò sono alla base di ulteriori manipolazioni molecolari. Come scritto varie volte qua e là in questo file, il farmacoforo è la minima unità strutturale, un insieme di raggruppamenti chimici, che grazie alla sua combinazione di atomi e disposizione spaziale dei gruppi funzionali che interagiscono col recettore, è in grado di produrre l'effetto biologico osservato. Le SAR sono molto utili per caratterizzare i recettori, i loro sottotipi e quindi per il disegno di farmaci specifici. La sintesi e il saggio dei primi derivati e analoghi di un composto hanno l'obiettivo proprio di evidenziare il farmacoforo. Per esempio, nella serie di antibatterici chinolonici il farmacoforo è rappresentato da un sistema biciclico planare, dai gruppi C=O e COOH e da un azoto endociclico.

legato ad un sostituente alchilico o arilico. Basta eliminare una di queste parti del farmacoforo per rendere il composto inattivo, perciò nell'identificare il farmacoforo si va per esclusione e si eliminano di volta in volta pezzi diversi, in modo da vedere se la molecola continua ad avere effetto. Per capire se il farmaco possa legarsi al bersaglio o meno è importante conoscere i gruppi funzionali e i legami intermolecolari che possono instaurarsi. Se le strutture appartenenti ad una classe di farmaci sono flessibili è importante stabilire la disposizione spaziale degli elementi che compongono il farmacoforo; in questi casi si parla di farmacoforo tridimensionale, ottenuto evidenziando i raggruppamenti chimici fondamentali per l'attività e le conformazioni bioattive di quei composti. Avere la struttura 3D del recettore facilita enormemente lo sviluppo delle SAR e permette di ridurre i cicli di ottimizzazione. Per velocizzare la delineazione delle SAR simolecola. La variazione dei sostituenti può essere utilizzata per modificare la solubilità, l'attività biologica o altre proprietà desiderate del composto. Sintesi di isosteri o bioisosteri. Gli isosteri sono molecole che hanno lo stesso numero di atomi ed elettroni di valenza nella stessa disposizione. La sintesi di isosteri può essere utilizzata per ottenere composti con proprietà simili ma con una struttura leggermente diversa. I bioisosteri sono isosteri che hanno anche proprietà biologiche simili. Derivatizzazione. La derivatizzazione consiste nell'aggiunta di gruppi funzionali o sostituenti alla molecola di partenza. Questa strategia può essere utilizzata per migliorare l'attività biologica, la solubilità o altre proprietà del composto. Semplificazioni molecolari. Le semplificazioni molecolari consistono nella riduzione della complessità strutturale della molecola. Questa strategia può essere utilizzata per semplificare la sintesi del composto o per migliorare la sua stabilità. Complicazione molecolare. La complicazione molecolare consiste nell'estensione della struttura della molecola. Questa strategia può essere utilizzata per migliorare l'attività biologica o altre proprietà del composto. Variazione del tipo di ciclo. La variazione del tipo di ciclo consiste nella modifica del numero di atomi nel ciclo della molecola. Questa strategia può essere utilizzata per ottenere composti con proprietà diverse. Fusione dei cicli. La fusione dei cicli consiste nell'unione di due o più cicli nella molecola. Questa strategia può essere utilizzata per ottenere composti con proprietà diverse. Vinologia. La vinologia consiste nell'aggiunta di gruppi che influenzano la conformazione della molecola. Questa strategia può essere utilizzata per migliorare la stabilità o l'attività biologica del composto. Irrigidimento della struttura. L'irrigidimento della struttura consiste nell'inserimento di gruppi che rendono la molecola più rigida. Questa strategia può essere utilizzata per migliorare la selettività o l'attività biologica del composto. Raddoppiamento molecolare. Il raddoppiamento molecolare consiste nell'aggiunta di una copia della molecola di partenza. Questa strategia può essere utilizzata per aumentare l'attività biologica o altre proprietà del composto. Ibridazione. L'ibridazione consiste nell'unione di due o più molecole diverse per ottenere un composto ibrido. Questa strategia può essere utilizzata per ottenere composti con proprietà sinergiche o per migliorare l'attività biologica.

molecola ed è importante stimare gli effetti di un sostituente in una certa posizione dello scaffold su proprietà quali solubilità, lipofilia, ingombro steric, libertà conformazionale e stabilità metabolica. In breve, bisogna sapere in anticipo quali proprietà della molecola verranno più influenzate con quella sostituzione, questo per evitare di dilettarsi in sintesi eccessivamente difficoltose e inutili. I sostituenti sono classificabili in base alle proprietà fisiche e chimiche che possono influenzare; in particolare si distinguono sostituenti a effetto lipofilo, elettronico o sterico. Il gruppo NO2 rende la molecola più idrofila, ha un effetto elettron-attrattore ma crea poco ingombro sterico. Queste 3 caratteristiche possono quindi essere più o meno presenti contemporaneamente nella stessa molecola, perciò si crea un diagramma 3D dove ad ogni asse corrisponde un effetto. Vediamo i singoli effetti:

Lipofilo: utile

Per l'attraversamento delle membrane cellulari, la lipofilia può essere misurata attraverso il log P e aumentata grazie all'uso di sostituenti apolari. Se si vuole aumentare l'effetto inverso, ovvero l'idrofilia e diminuire la lipofilia, si possono usare sostituenti che creano legami idrogeno con l'acqua e col recettore e che siano ionizzabili a pH fisiologico. In genere, lipofilia e idrofilia sono inversamente proporzionali, ma ci sono diverse eccezioni a causa dell'energia reticolare, fattore ben difficile da prevedere. Nelle serie di omologhi (ovvero serie di composti che differiscono per un'unità costante, per esempio CH2) l'allungamento della catena in genere aumenta gli effetti farmacologici, ma solo fino ad un certo punto, dopodiché gli effetti iniziano invece a ridursi. Il fatto è che il farmaco deve sì attraversare le membrane biologiche ma anche essere in grado di stare in soluzioni acquose come il sangue.

elettronico con doppi legami o anelli aromatici, gli effetti elettronici possono essere sia induttivi che risonanti. Gli effetti induttivi sono dovuti alla differenza di elettronegatività tra gli atomi coinvolti, mentre gli effetti risonanti sono dovuti alla delocalizzazione degli elettroni nei doppi legami o negli anelli aromatici. Inoltre, la presenza di gruppi funzionali può influenzare la solubilità di un farmaco. Ad esempio, gruppi polari come l'ossidrile (-OH) o l'amminico (-NH2) possono rendere il farmaco più solubile in acqua, mentre gruppi apolari come il gruppo metilico (-CH3) possono renderlo più solubile in solventi organici. Infine, la forma tridimensionale di un farmaco può influenzare la sua attività. Ad esempio, un farmaco chirale può avere due enantiomeri, che possono avere attività farmacologica diversa. Inoltre, la presenza di gruppi sterici può influenzare l'interazione del farmaco con il suo bersaglio molecolare. In conclusione, la struttura chimica di un farmaco può influenzare la sua solubilità, la sua interazione con i recettori e la sua attività farmacologica. La comprensione di questi fattori è fondamentale per lo sviluppo di nuovi farmaci e per la comprensione dei meccanismi d'azione dei farmaci esistenti.

Aromatico come quello del benzene, il sostituente ha effetti sia induttivi che mesomerici a seconda della sua posizione nell'anello e della sua posizione rispetto ad altri sostituenti (rivedere chimica organica). Un esempio è un'interazione farmaco recettore tra due anelli aromatici disposti in pi greco-stacking. I sostituenti che rilasciano elettroni sull'anello di uno interagiscono indirettamente con i sostituenti dell'altro che li attirano a sé.

Effetti sterici: può essere intramolecolare o intermolecolare a seconda che si manifesti sulla molecola di cui fa parte riducendone la libertà conformazionale o che si manifesti influenzando l'interazione con altre molecole. Per esempio, l'irrigidimento di una catena dovuto all'addizione di un sostituente può bloccare la molecola nella forma bioattiva aumentando l'affinità col recettore; ancora, i gruppo metossilici della meticillina interferiscono stericamente.

col legame alle beta-lattamasi proteggendo l'antibiotico dall'inattivazione idrolitica. Alcuni gruppi hanno sia effetto induttivo che mesomero ed entrambi gli effetti dipendono dal pH se sono ionizzabili. Ai fini di una valutazione più quantitativa degli effetti elettronici, lipofili e sterici di un sostituente si prendono in considerazione vari tipi di costanti (sigma, π, Es) e parametri e li si utilizzano per studiare le relazioni quantitative struttura-attività (QSAR), a loro volta utili per valutare l'incidenza degli effetti elettronici, lipofili e sterici sull'azione di un farmaco. I modelli QSAR sono un particolare tipo di SAR: sono metodi matematici e statistici che, attraverso descrittori molecolari, relazionano una struttura molecolare alla sua attività biologica e farmacologica. Sintesi di isosteri/bioisosteri. Importante nella modulazione molecolare è la sostituzione isosterica. In pratica si introducono nel lead modifiche.che anche sevariano alcune caratteristiche strutturali chimico-fisiche ne mantengono intatta l'affinità col target biologico, o comunque la possibilità di riconoscerlo. Entro certi limiti quindi, due molecole isosteriche devono mantenere la stessa forma e volume, in modo da mantenere le somiglianze di tipo biologico. A seconda della modifica, comunque, il prodotto può veder trasformato il tipo di azione che svolge, per esempio da agonista può trasformarsi in antagonista e viceversa, oppure può cambiare il tipo di bersaglio biologico individuato dalla molecola originale, perciò è sempre necessaria una verifica del meccanismo d'azione nel caso si notino attività anomale. In pratica un gruppo funzionale del lead è sostituito con un suo isostero in modo da mantenere o migliorare la selettività verso la molecola bersaglio, modulando però altre caratteristiche quali distribuzione elettronica, distanze e angoli di.legame (modificando così l'affinità dell'isostere), la solub