Chimica farmaceutica - progettazione di farmaci a partire dal LEAD 1

Progettazione e sintesi dei farmaci

Il punto di partenza (Lead)

Introduzione

La progettazione di ligandi recettoriali, a parte alcune lievi differenze che verranno tempestivamente indicate, non differisce sostanzialmente dal processo di ricerca e sviluppo di ogni altro farmaco: può essere fatta a partire da punti di partenza molto diversi tra loro.

È chiaro che l'approccio più immediato sarebbe quello di conoscere la topografia del sito di interazione dei ligandi naturali per disegnare la molecola nuova su di esso. Purtroppo le informazioni che al momento attuale sono disponibili non permettono di seguire questa via che è invece percorribile per i prodotti destinati ad interagire con gli enzimi. Infatti, mentre per un numero crescente di enzimi è nota la struttura tridimensionale, e quindi la topografia del sito catalitico, al momento attuale non è stato possibile risolvere con la necessaria accuratezza la struttura di alcun recettore ed i modelli recettoriali disponibili sono frutto di elaborazioni teoriche che, per quanto molto utili, non permettono una progettazione sufficientemente accurata.

Se non è possibile partire dalla struttura del sito attivo è però generalmente nota la struttura del ligando naturale di un recettore. Questo può essere quindi un adatto prodotto di riferimento per il disegno di nuove molecole come verrà descritto più ampiamente nella sezione 1.7 (Sintesi razionale). Da questo punto di vista la progettazione di farmaci che agiscono sui canali ionici è ovviamente ancora più difficoltosa. In realtà tutti i farmaci attualmente utilizzati che agiscono con questo meccanismo, sono stati ottenuti in modo casuale o attraverso modulazione molecolare di prodotti la cui azione a livello dei canali era stata evidenziata dall'uso clinico o da un ampio screening farmacologico.

Altri approcci di uso generale nella chimica farmaceutica e che si possono utilizzare per individuare ligandi recettoriali sono: la modifica di farmaci già noti; lo screening a tappeto o mirato di prodotti di origine naturale o sintetica; l'identificazione di prodotti di origine naturale sia vegetale che animale; la dissociazione e amplificazione di effetti secondari di molecole già utilizzate e studiate. A questi si è recentemente aggiunta la possibilità di realizzare librerie di prodotti di sintesi che offrono la possibilità di valutare contemporaneamente e in brevissimo tempo migliaia di prodotti.

Generalmente, quale che sia la via scelta, il prodotto di partenza è una molecola che necessita di un lavoro più o meno intenso di modulazione molecolare per ottimizzare la sua interazione con il recettore in termini di potenza, selettività, efficacia. Se poi lo scopo è quello di ottenere un farmaco, il cammino sarà ancora più lungo, essendo necessario prendere in considerazione altri fattori di enorme importanza quali la farmacocinetica, la tossicità, la formulazione.

Perché un processo di ottimizzazione sia possibile e, soprattutto nel caso di una utilizzazione industriale, rapido ed efficace, è necessario che sia disponibile un saggio biologico specifico, rapido e possibilmente poco costoso. Questo ha condizionato da sempre lo sviluppo di farmaci. Mentre in generale lo sviluppo di antimicrobici è stato rapido per la relativa semplicità dei saggi microbiologici, la difficoltà di coltivare in vitro i micobatteri ha severamente limitato il progredire dei farmaci antitubercolari e antileprotici. Molte delle difficoltà nell'individuare efficaci farmaci contro le malattie neurodegenerative tipo Alzheimer, dipendono dalla mancanza di attendibili protocolli di valutazione della attività dei farmaci, sia a livello preclinico che clinico.

La messa a punto dei metodi di binding, che permettono la determinazione della affinità recettoriale di molte sostanze in pochissimo tempo, il perfezionamento dei metodi di analisi enzimatica, l'uso del computer nel trattamento dei dati, insieme allo sviluppo della robotica, hanno determinato in questi ultimi anni una svolta, rendendo nuovamente praticabile lo screening di un gran numero di prodotti.

Farmaci preesistenti

L'utilizzazione di farmaci già noti come modelli da modificare per ottenere altre molecole attive è una pratica ancora largamente utilizzata, soprattutto a livello industriale. Questo approccio manca naturalmente di originalità ed ha una giustificazione prevalentemente economica; i prodotti così ottenuti cadono spesso nella categoria dei cosiddetti "me too compounds" che permettono a più ditte farmaceutiche di accedere, con limitati investimenti, a settori di mercato particolarmente remunerativi. Sebbene molto criticato, questo approccio ha anche una sua validità dal punto di vista terapeutico in quanto conduce in molti casi a prodotti con caratteristiche farmacologiche, farmacocinetiche e tossicologiche migliori di quelle del prodotto di partenza. Inoltre il lavoro fatto permette di stabilire tutta una serie di relazioni tra la struttura e l'attività che sono spesso essenziali per la definizione del farmacoforo e del meccanismo di azione. Un esempio di questo approccio sono i numerosi farmaci anti-H₂ derivati dalla cimetidina, tra i quali ranitidina e famotidina.

Del resto può accadere che durante la ricerca di analoghi di un farmaco già noto, le modificazioni introdotte producano caratteristiche farmacologiche del tutto diverse, come è successo nello sviluppo della terfenadina (il primo antistaminico non sedativo) a partire dalla classe dei neurolettici butirrofenonici come l'aloperidolo o della imipramina (antidepressivo) a partire dalla clorpromazina (antipsicotico).

Questa evenienza è particolarmente frequente per i farmaci che interagiscono con i recettori dove piccole differenze strutturali rispetto alla molecola di partenza possono limitare, per esempio, l'interazione ad un solo sottotipo recettoriale incrementando la specificità di azione e migliorando l'uso terapeutico. Questo caso è ben esemplificato dal passaggio da adrenalina (agonista adrenergico non specifico) a isoproterenolo (agonista β-adrenergico).

Un caso particolare di questo approccio può essere considerato l'identificazione e lo studio di metaboliti che è del resto una delle tappe fondamentali nello sviluppo di un farmaco. Poiché in genere i metaboliti sono meno tossici, la loro eventuale alta attività farmacologica può portare all'individuazione di una nuova entità molecolare. Inoltre questo studio può mettere in evidenza trasformazioni che sono essenziali per l'attività e quindi aprire la via allo studio e all'utilizzazione di nuove strutture molecolari. Il paracetamolo, un metabolita della acetanilide, ed il cicloguanil, un metabolita della clorguanide, sono due farmaci identificati in seguito allo studio di metaboliti.

Scoperta casuale

Molti prodotti farmacologicamente attivi sono stati scoperti casualmente. Più spesso la scoperta casuale riguarda l'attività biologica o farmacologica di un lead che poi attraverso opportune manipolazioni è trasformato nel prodotto ad attività ottimale e, più raramente, nel farmaco. Deve essere ben chiaro che la parola casuale non rende il dovuto riconoscimento alla preparazione ed all'intuito del ricercatore che fa la scoperta e che deve esser pronto ad immaginare le possibilità della scoperta stessa. I farmaci che sono stati scoperti più o meno casualmente sono numerosi. La storia della penicillina è ormai un classico, ma il caso è intervenuto anche nella scoperta di farmaci appartenenti a classi molto diverse quali isoniazide, iproniazide, clonidina, antabuse, ciclosporina A e molti altri.

Per fare un esempio che resti nel campo dei recettori basterà ricordare la storia delle benzodiazepine raccontata dal suo scopritore L.H. Sternbach. Negli anni cinquanta il suo gruppo di ricerca presso la Hoffmann-La Roche era impegnato nella ricerca di tranquillanti del tipo del meprobamato e a questo scopo aveva progettato la sintesi di una serie di derivati benzoossadiazepinici per poi passare a derivati del tipo chinazolinico 3-ossido quando si verificò che i prodotti ottenuti non erano quelli attesi. Vennero sintetizzati molti derivati, tutti inattivi come tranquillanti. Fu quindi deciso di abbandonare il progetto inviando alla sperimentazione farmacologica gli ultimi campioni tra i quali uno della cui struttura non si era completamente sicuri. Si trattava del clordiazepossido, ottenuto da una reazione inaspettata e con una struttura del tutto originale rispetto al meprobamato, che avrebbe aperto la strada alla sintesi di una miriade di congeneri ed all'identificazione di un nuovo meccanismo di azione e di un nuovo tipo di recettori.

Malgrado i progressi nello screening di massa e nella razionalizzazione degli approcci, il caso molto probabilmente continuerà ad avere un ruolo nella scoperta dei farmaci anche per il futuro.

Screening a tappeto e mirato

È un approccio essenzialmente empirico che ha avuto un grande uso nel passato, era stato abbandonato perché antieconomico, ma è di nuovo largamente usato in quanto il perfezionamento e l'automazione delle metodologie di screening hanno permesso di abbattere i costi. D’altra parte il metodo ha l'enorme vantaggio di permettere l'individuazione di entità molecolari con strutture molto diverse da quelle dei farmaci in uso.

Può essere utilizzato fondamentalmente in due modi opposti:

• Provando un prodotto su un elevato numero di saggi biologici.
• Provando molti prodotti su un solo test biologico.

Naturalmente sono possibili soluzioni intermedie a seconda delle necessità. I prodotti saggiati possono avere le più diverse origini, naturale o sintetica, possono essere prodotti unici o miscele di prodotti.

Il primo di questi approcci è stato quello sostanzialmente usato e perfezionato da Paul Jansen il quale ha utilizzato una batteria di recettori per eseguire prove di binding su molecole di sintesi, ottenute per combinazione di diversi farmacofori. Da questa ricerca sono derivate molte molecole, ottimizzate successivamente in farmaci di successo quali l'aloperidolo, un neurolettico già visto ed il fentanile (analgesico).

Il secondo approccio è quello attualmente più utilizzato, soprattutto nella ricerca sui farmaci dei recettori. Quando un metodo di binding su un sistema recettoriale è stato messo a punto, è possibile provare centinaia e migliaia di sostanze in tempi relativamente brevi. Ciò permette, soprattutto alle industrie, di analizzare le migliaia di prodotti che fanno parte della loro collezione e tutti gli altri che sarà possibile reperire. Non è improbabile che al termine della ricerca si siano individuati alcuni prodotti con una capacità di legame nell'ordine micromolare. Questi prodotti possono essere ottimizzati con i procedimenti che verranno illustrati in seguito, per arrivare ad affinità nell'ordine nanomolare che sono ottimali per lo sviluppo di un farmaco. Un esempio di questo approccio è lo sviluppo di E-2020 (Donepezil), un prodotto ad azione anticolinesterasica che è in fase di registrazione come farmaco anti-Alzheimer. Lo screening a tappeto dei prodotti della collezione della Eisai sull'enzima acetilcolinesterasi, ha permesso di individuare un derivato piperazinico con una IC nel range micromolare che è stato successivamente ottimizzato al prodotto finale che ha attività nel range nanomolare.

Lo screening può riguardare, come già accennato, anche miscele di prodotti. Si può trattare di miscele ottenute attraverso la metodologia della sintesi combinatoriale (librerie sintetiche), che verrà descritta in seguito, ma può anche trattarsi di miscele di origine naturale (librerie naturali) come ad esempio i liquidi di fermentazione di microrganismi. L’asperlicina, un prodotto della fermentazione dell’Aspergillus alliaceus che ha poi originato un farmaco non peptidico in grado di bloccare i recettori della colicistochinina A (CCK-A), è stato identificato in questo modo (vedi sezione 2.3.2).

Il problema principale delle librerie naturali rispetto a quelle sintetiche è nell'isolamento e nella determinazione della struttura del prodotto attivo, che malgrado l'enorme progresso fatto dalle relative metodologie negli ultimi anni è un processo lento, difficile e costoso. Il vantaggio inestimabile è quello di offrire una enorme varietà di strutture, difficilmente immaginabili e realizzabili dal chimico sintetico.

Sostanze di origine naturale

I prodotti di origine naturale, in particolare quelli derivati dal regno vegetale, sono la più antica fonte di sostanze biologicamente attive e di farmaci. L'evoluzione ha creato una miriade di specie differenti che debbono sopravvivere nell'ambiente in competizione tra loro. Ciò ha condotto alla produzione di innumerevoli molecole (metaboliti secondari) dotate di attività biologica che possono essere utilizzate dall'uomo, direttamente o dopo opportune manipolazioni, come farmaci.

La scoperta e l'isolamento di prodotti quali atropina, chinina, morfina, efedrina, d-tubocurarina, reserpina, digitossina, penicillina hanno rappresentato tappe fondamentali nella medicina ed hanno prodotto una miriade di derivati di importanza fondamentale in terapia e nello studio dei meccanismi fisiologici degli organismi viventi.

Dopo un periodo di incertezza, dovuto principalmente alle accennate difficoltà di separazione e identificazione dei principi attivi, questo tipo di approccio sembra aver riacquistato vitalità e dal regno vegetale la ricerca si è allargata in altri settori quale quello delle tossine di origine animale. La ricerca può essere in qualche modo guidata dalle indicazioni della medicina popolare (folk medicine) anche se spesso questo approccio ha portato...