8 - Drug Design

Drug design

Il drug design è un approccio molto utile per la creazione di un farmaco, che dovrà agire contro una molecola target (che è causa, ad esempio, di una malattia e che può essere un recettore su una cellula, un enzima col quale il farmaco deve interferire). Tale farmaco viene disegnato proprio sulla base del target biologico col quale vuole interferire. Il numero di anni per portare un farmaco dalla scoperta al mercato è di circa 12-14 anni. Ovviamente le tempistiche con le quali si arriva a produrre un particolare farmaco sono diverse: se dobbiamo sviluppare un farmaco per una malattia nuova è necessario prima di tutto individuare un certo target specifico (dai 2 ai 5 anni) e poi occorrerà sviluppare un farmaco sulla base di questo target molecolare (5-10 anni).

In realtà, nell’ambito del drug design si può fare una distinzione tra il computer drug design (si intende la modifica razionale di un farmaco già esistente) e il de novo drug design (è lo sviluppo di un nuovo farmaco che ha un determinato target recettoriale). Il punto di partenza è sempre la molecola recettoriale, bersaglio del farmaco. Se vogliamo essere più precisi, possiamo dare una definizione più dettagliata del de novo drug design nel seguente modo: si tratta della progettazione di nuove molecole dotate di attività farmacologica a partire dall'estrapolazione diretta delle informazioni contenute nella biomolecola.

Fasi del de novo drug design

Il de novo drug design prevede la successione di tre importanti fasi:

• Target Selection (ricerca della molecola target);
• Lead Discovery (ricerca del ligando migliore);
• Lead Development (sviluppo del farmaco a partire dal ligando).

Target selection

Questa fase consiste nel ricercare il bersaglio che deve essere inibito per apportare sollievo al paziente affetto da una determinata malattia. È molto importante conoscere la molecola target per sapere come curare una certa malattia. Nella fase di target selection sono molto importanti discipline come la proteomica e la genomica che servono, ad esempio, ad individuare tutte le mutazioni a carico di proteine o di geni che possono essere importanti per certe malattie e, quindi, possono essere la loro causa.

Negli ultimi anni, per la progettazione di un dato farmaco si fa ricorso al supporto di sistemi informatici che permettono di ricreare in silico l’interazione tra un eventuale ligando e il bersaglio. Questo tipo di modellistica viene talvolta definito drug design assistito dal computer (Computer-Assisted Drug Design, CADD). L’uso di strumenti computazionali per la progettazione dei farmaci è diventato quotidiano ed assolutamente necessario al fine di ottimizzare tutti i passaggi che portano alla realizzazione di un nuovo farmaco. Infatti, le tecnologie computazionali consentono di ottenere modelli virtuali dell’interazione farmaco-recettore. La virtualizzazione consente molteplici operazioni che vanno dalla visualizzazione di molecole alla simulazione di reazioni chimiche che avvengono nell’organismo vivente nei siti d’azione dei farmaci.

Tra i successi, ormai diventati classici esempi di farmaci progettati con l’ausilio di tecniche in silico, possiamo citare la Norfloxacina, progettata negli anni ’80, una delle più importanti famiglie di antibatterici. Pochi anni più tardi, nel 1994, veniva progettato l’Indinavir, inibitore di un enzima chiave per la vitalità del virus dell’immunodeficienza acquisita di tipo I (HIV-I). Quindi per questo motivo, una volta trovato il bersaglio, sarà molto importante avere un modello 3D del bersaglio stesso.

Per completezza di informazione dobbiamo dire che a volte esistono delle metodiche di drug design che non conoscono la struttura 3D del target, ma si basano solo sulla struttura 3D di un numero piuttosto elevato di ligandi attivi nei confronti di quel target. Si tratta di metodiche non-structure-based, che sono delle metodiche statistiche anche chiamate QSAR (relazione quantitativa struttura-attività). Questa è una tecnica molto lunga che non permette di scoprire una nuova molecola, ma semplicemente utilizza quelle già conosciute. Questo approccio indiretto viene applicato quando ho la struttura 3D di un numero elevato di ligandi, ma non posso conoscere la struttura 3D del recettore.

Nel caso delle tecniche chiamate structure-based, e cioè quelle tecniche che dipendono dalla conoscenza della struttura 3D del target, i modelli 3D di una proteina, o di un enzima ecc., che possono essere causa di una malattia, si possono ottenere attraverso diverse tecniche quali Homology modeling, Fold Recognition (che sono tecniche computazionali), o anche attraverso tecniche come cristallografia a raggi X, NMR (Risonanza Magnetica Nucleare), microscopia (che sono tecniche sperimentali) e così via.

Lead discovery

Questa fase consiste nella ricerca del miglior ligando, cioè del ligando che ha maggiore affinità, soprattutto da un punto di vista strutturale, per il bersaglio (target). Questi ligandi prendono il nome di lead compound (o composti guida) e saranno la “materia grezza” su cui i ricercatori lavoreranno per sviluppare un farmaco in grado di legarsi bene al bersaglio terapeutico.

Generalmente, un composto lead, rispetto al farmaco da questo generato, presenta una minor complessità strutturale, peso molecolare inferiore, minor numero di legami ruotabili, inferiore idrofobia. Durante questa fase vengono testate più molecole per cercare quella con migliore efficacia, con migliore capacità di legare il bersaglio. Sebbene le tecniche di progettazione per la previsione dell'affinità di legame abbiano ragionevolmente successo, ci sono molte altre proprietà, come la biodisponibilità, l'emivita metabolica, gli effetti collaterali, ecc., che devono essere ottimizzate prima che un ligando possa diventare un farmaco sicuro ed efficace. Queste caratteristiche sono spesso difficili da prevedere. Per questo, una maggiore attenzione viene focalizzata all'inizio del processo di progettazione sulla selezione di farmaci candidati le cui proprietà fisico-chimiche sono previste per provocare un minor numero di complicazioni durante lo sviluppo e quindi maggiori probabilità di portare a un farmaco approvato e commercializzato.

Inoltre, esperimenti in vitro integrati con metodi di calcolo sono sempre più utilizzati nella scoperta precoce di farmaci per selezionare composti con ADME (assorbimento, distribuzione, metabolismo ed escrezione) più favorevole e migliori profili tossicologici. I ligandi candidati devono anche rispettare la regola del 5 (o Lipiski's Rule of Five, LRS), cioè i ligandi devono avere:

• Peso molecolare minore o uguale a 500 g/mol;
• Numero di legami come accettori minore o uguale a 10;
• Numero di legami H come donatori minore o uguale a 5.

Tutti i numeri sono multipli di cinque e per questo si parla di regola del 5. Fino a qualche anno fa, piuttosto che trovare nuove molecole più potenti e che magari avessero altri bersagli terapeutici, si ricorreva a modifiche su molecole esistenti.