Chimica farmaceutica - progettazione lead 2

Capitolo 2. Modificazioni molecolari del lead

Introduzione

Come si è già accennato, è piuttosto raro che un lead, quale che sia la sua origine, non debba essere ottimizzato, sia che lo scopo finale sia quello di ottenere un farmaco che di perfezionare un mezzo di indagine farmacologica. Il più delle volte il prodotto viene affidato al chimico farmaceutico per variazioni strutturali che possono avere le motivazioni più diverse. Le principali ragioni per le quali si sottopone un lead a manipolazioni molecolari (che sono costose e richiedono tempo, cosa rilevante soprattutto a livello industriale) sono:

• Il tentativo di ottenere prodotti con proprietà farmacologiche migliori in termini di affinità, efficacia, specificità e di ridurre, se necessario, la tossicità e gli effetti secondari.
• La necessità di variare caratteristiche chimico-fisiche quali la solubilità e la stabilità chimica.
• Ove si tratti di una molecola candidata a diventare un farmaco, la opportunità di ottimizzare caratteristiche farmacocinetiche quali biodisponibilità, stabilità metabolica, distribuzione corporea, durata di azione.

Questo può richiedere il ritorno del farmaco nel laboratorio del chimico farmaceutico e la progettazione ulteriore di prodotti derivati come profarmaci, forme ritardo, forme solubili. Anche problemi relativi alla formulazione e alla via di somministrazione possono imporre un ritorno al laboratorio di sintesi.

Non va dimenticato che la necessità di rendere brevettabile un prodotto è una delle più frequenti ragioni della manipolazione; così come la necessità di rendere disponibile per sintesi un farmaco complesso di origine naturale. L'insieme delle informazioni che si raccolgono in tutte queste variazioni strutturali determina per ogni gruppo omogeneo di prodotti le cosiddette relazioni struttura attività (Structure Activity-Relationships, SAR) che permettono l'identificazione del farmacoforo e sono alla base di ulteriori manipolazioni molecolari.

Il farmacoforo può essere definito come la minima unità strutturale di una molecola che, per la combinazione degli atomi e la disposizione spaziale dei gruppi funzionali che interagiscono con il recettore, è in grado di produrre l'effetto biologico osservato. Nel caso particolare dei recettori in cui, almeno per ora, la gran parte delle informazioni strutturali sul sito di interazione provengono dalle relazioni struttura attività, questo dato è di enorme importanza nella caratterizzazione dei recettori, dei loro sottotipi e nel disegno di farmaci specifici.

Nel corso dello sviluppo della Chimica Farmaceutica i chimici hanno cercato di individuare delle metodologie che evitassero di procedere con manipolazioni casuali, secondo il principio del prova e sbaglia. Questa continua ricerca ha permesso di elaborare una serie di procedimenti, prevalentemente empirici, che pur essendo di affidabilità limitata si sono dimostrati utili nello sviluppo di nuovi farmaci. Al contrario di quanto si fa nella ricerca di nuovi lead, dove è privilegiata la diversità, le modificazioni che tendono alla ottimizzazione di un prodotto di riferimento cercano di mantenere il più possibile la struttura originale.

Questo comportamento discende dalla consapevolezza che l'azione di una sostanza dipende da interazioni specifiche, cosa particolarmente vera nel caso dei recettori, e quindi molecole simili tenderanno ad avere simile attività. Di conseguenza la maggior parte delle metodologie che verranno illustrate di seguito hanno lo scopo di introdurre modificazioni successive e spesso puntiformi, nel senso che è modificato un solo sito della molecola alla volta. È comprensibile come un tale procedimento sia lungo, costoso e, in qualche misura, tedioso. Per questa ragione l'adattamento delle tecniche di sintesi combinatoriale anche alla fase di ottimizzazione è oggetto di intensa sperimentazione.

In alcuni casi tuttavia, la nuova struttura cui si arriva può essere decisamente diversa da quella di partenza; il tutto però avviene solitamente in modo graduale. Un esempio di ciò è lo sviluppo di antagonisti del recettore 5-HT a partire dalla metoclopramide, un prodotto ad azione mista sui recettori D e triptaminergici. Attraverso la sintesi di una serie molto vasta di analoghi progressivamente diversi, si è giunti alla individuazione di antagonisti selettivi per il recettore 5-HT, caratterizzati da alta affinità e selettività ed anche da una decisa differenziazione delle strutture molecolari. Alcuni di questi prodotti sono già in terapia come antiemetici, altri (come l'ultimo prodotto tra quelli riportati qui di seguito, che mostra un'affinità nanomolare ed una alta selettività per il recettore 5-HT) sono recentissimi e in via di sviluppo.

È molto importante osservare che le metodologie che verranno descritte in seguito si integrano con i concetti fondamentali familiari ad ogni chimico, quali la natura delle interazioni tra molecole ed il tipo di legami che le determinano e le relazioni tra struttura e proprietà chimico-fisiche. Esse sono normalmente usate in combinazione e la fantasia e l'intuizione del chimico hanno in questo una rilevanza fondamentale.

Isosteria

La sostituzione isosterica è una metodologia tra le più utilizzate nella modulazione molecolare. Il concetto alla base del metodo è quello di introdurre nella molecola di riferimento modificazioni tali che, pur variandone alcune caratteristiche strutturali e chimico-fisiche, ne mantengano intatta la possibilità di riconoscere lo stesso oggetto biologico, nel nostro caso lo stesso recettore. In altri termini, due molecole isosteriche debbono presentare, entro certi limiti, la stessa forma e lo stesso volume.

La conseguenza è che spesso, malgrado le premesse che sono alla base dell’isosteria, le somiglianze di tipo biologico tra due isosteri sono più grandi di quelle di tipo elettronico e, in generale, chimico-fisico. Ovviamente l'interazione può avvenire con conseguenze diverse da quelle del prodotto di riferimento: ad esempio non è infrequente il caso che in seguito ad una trasformazione isosterica un agonista si trasformi in antagonista e viceversa. È questo il caso delle modificazioni isosteriche apportate alla molecola del baclofen, un agonista del recettore GABA-B, che hanno condotto sia ad agonisti che ad antagonisti dello stesso recettore.

Va subito detto che, per le caratteristiche empiriche del metodo, anche semplici modificazioni possono determinare una variazione nel tipo di bersaglio biologico individuato dalla molecola originale; per questo è sempre necessaria una verifica del meccanismo di azione qualora si osservino anomalie nell'attività biologica attesa.

Un'altra cosa essenziale da tenere presente nella valutazione critica di questo approccio è che, pur mantenendo l'interazione con il target originale, la sostituzione isosterica può determinare delle notevoli variazioni in altre proprietà quali la distribuzione elettronica, le distanze e gli angoli di legame (con conseguenze sull'affinità dell'isostere), la solubilità, il metabolismo, la farmacocinetica in generale. Per questo il risultato dell'applicazione di questo metodo può essere qualche volta imprevedibile come nel caso della sostituzione isosterica di un -O- con il gruppo -NH- nell'anestetico locale procaina. Si ottiene infatti un prodotto (procainamide) con azione anestetica locale irrilevante ma con una importante azione antiaritmica. Questo fatto è stato attribuito al netto calo di lipofilia che si ha passando dall'estere all'ammide che rende difficoltoso il raggiungimento del sito di azione (canale del sodio neuronale).

Tuttavia proprio le informazioni che si possono trarre dalle variazioni di attività biologica e di farmacocinetica in seguito a variazioni isosteriche possono essere essenziali per caratterizzare il modo di azione di un farmaco, particolarmente se si tratta di recettori.

Nell'esempio che segue la sostituzione isosterica dell'ossigeno etereo della muscarina (il prototipo degli agonisti muscarinici) con un atomo di zolfo e con un metilene ha permesso di valutare l'importanza sull'azione muscarinica del legame idrogeno coinvolto nell'interazione con il recettore, in funzione sia della distribuzione elettronica che del volume dell'atomo o gruppo di atomi inseriti.

Il concetto di isosteria

Questo concetto è stato introdotto da Langmuir nel 1919 riferendolo ad atomi e gruppi di atomi con struttura elettronica simile e simili proprietà chimico-fisiche. In particolare egli prese in considerazione molecole che contenevano lo stesso numero di atomi e la stessa disposizione e numero di elettroni e che mostravano caratteristiche chimico-fisiche quasi identiche.

Un caso tipico è quello di CO e NO, molecole che contengono entrambe tre atomi e 22 elettroni. Come appare dalla tabella 2.1, le loro proprietà chimico-fisiche sono sorprendentemente simili. Un aspetto interessante per lo sviluppo futuro del principio di isosteria fu che questi prodotti hanno anche lo stesso comportamento biologico su microrganismi come il Mixomiceta Physarum Policefalum.

Comunque, in questi termini, il concetto è molto poco utile al chimico farmaceutico, soprattutto per la sua rigidità. Da questo punto di vista la successiva elaborazione di Grimm (1925) rappresenta un notevole miglioramento in quanto mette a disposizione del chimico dei gruppi sostituenti, isosteri tra di loro normalmente utilizzati nella manipolazione dei farmaci.

Grimm ipotizzò che l'aggiunta di un atomo di idrogeno ad un atomo della riga precedente (per formare quello che egli chiamò uno pseudoatomo) non alterasse la isoelettronicità dell'atomo che segue. In tal modo egli costruì una tabella, detta dello spiazzamento degli idruri (hydridedisplacement) che qui è limitata agli elementi biologicamente interessanti (Tab. 2.2), nella quale tutti i gruppi di una colonna sono considerati isosteri.

Successivamente Erlenmayer (1932) propose che quello che contava per la isosteria non era tanto il numero totale di elettroni quanto il numero e la disposizione degli elettroni del guscio esterno, per cui la tabella poteva essere estesa anche agli atomi delle righe successive (Tab. 2.3). Come si può constatare il numero dei gruppi considerati isosteri diventa cospicuo e molto più utile per il chimico sintetico.

Hinsberg dal canto suo, osservando la stretta somiglianza delle proprietà di benzene e tiofene, propose l'equivalenza dei gruppi –CH=CH– e –S–. Integrando tra di loro le diverse definizioni proposte, diventava possibile ammettere la isosteria di tutta una serie di eterocicli, una piccola selezione dei quali è mostrata di seguito.

Va subito fatto rilevare che la isosteria di questi gruppi e cicli si manifesta soprattutto nella forma e nel volume; infatti sono evidenti diversità chimico-fisiche essenziali, quali la distribuzione elettronica e tutte le conseguenze che questo comporta a livello biologico. Tuttavia, come si è già detto in precedenza, lo scopo principale del chimico farmaceutico è quello di introdurre modificazioni che non alterino la capacità della molecola di essere riconosciuta dal suo partner biologico, in modo tale da conservare il meccanismo di azione. Eventuali variazioni a livello della distribuzione elettronica possono allora essere sfruttate per modulare tale interazione, per ricavare informazioni sul tipo di legami che la determinano (come si è già mostrato in un esempio precedente) per modificare la farmacocinetica o ridurre la tossicità del prodotto di riferimento. Può essere utile suddividere i gruppi isosteri a seconda della loro valenza secondo quanto mostrato nella tabella 2.4.

Un esempio illustrativo dell’uso del concetto di isosteria è nella modificazione apportata alla molecola della aminopirina, un efficace analgesico, che però produce un aumento dei casi di tumore per la sua trasformazione nel N-nitrosoderivato a livello intestinale. La sostituzione isosterica del gruppo dimetilamminico con il gruppo isopropilico, che non può subire tale trasformazione ma che evidentemente non altera l'interazione con il bersaglio biologico, per dare il propifenazone ha condotto ad un farmaco di uso più sicuro.

Bioisosteria

Dalle ricerche degli anni successivi alla definizione del concetto di isosteria classico, si è potuto constatare che il numero degli elettroni periferici non costituiva una caratteristica essenziale e che il tipo di ibridazione condizionava molto di più la capacità di un gruppo di sostituirne opportunamente un altro. Si sono così identificati una serie di gruppi che non rientrano nella definizione originale, ma che per le caratteristiche steriche ed elettroniche possono essere definiti isosteri tra di loro. Questi gruppi, alcuni dei quali sono indicati nella figura 2.1, sono stati chiamati isosteri non classici.

Un esempio di questo tipo di isosteria è quello tra l'ossidrile della fenilefrina e il gruppo metansolfonammidico di un analogo che ha una azione del tutto equivalente. In questo caso la isosteria viene attribuita al fatto che i due idrogeni dei gruppi sostituenti in meta hanno acidità equivalenti.

Il moltiplicarsi di queste situazioni ha infine spinto alla formulazione di un concetto più ampio di isosteria. Così Friedman (1951) ha proposto il termine di bioisosteri per quei gruppi che sostituiti al gruppo originale in una data molecola ne mantengono il tipo di attività; in altri termini mantengono intatta nella molecola la capacità di essere riconosciuta dallo stesso bersaglio biologico.

Un classico esempio di bioisosteria è quello tra estradiolo, un ormone estrogeno, e il dietilstilbestrolo, un ormonoide in grado di interagire con lo stesso recettore degli estrogeni. Questa bioisosteria è stata attribuita alla identica capacità dei due supporti lipofili di tenere i due ossidrili alla distanza necessaria per interagire con il recettore.

Questo esempio offre immediatamente la possibilità di mettere in evidenza alcuni inconvenienti del concetto di bioisosteria. Innanzi tutto questa, almeno fino a qualche tempo fa, veniva verificata il più delle volte a posteriori. Ora, con l'utilizzazione di metodi teorici computerizzati, è spesso possibile prevedere la bioisosteria di gruppi che non sono isosteri classici. Inoltre, una volta determinata la bioisosteria di un gruppo, non è detto che essa valga in una situazione diversa. Per esempio non è detto che l'ingombro sterico e la lipofilia del gruppo stilbenico siano compatibili con un altro tipo di recettore, anche se la distanza richiesta tra i due gruppi interagenti dovesse essere la stessa.