Chimica farmaceutica - progettazione lead ed eventuali

Progettazione dei farmaci

Il punto di partenza (lead)

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 nuova molecola 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 e 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. 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 ed 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 e la formulazione.

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.

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 clorpromazina (antipsicotico) a partire dalla prometazina (antistaminico) e della imipramina (antidepressivo) a partire dalla clorpromazina.

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 dell'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.

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 antipsicotico 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 del Donepezil farmaco anti-Alzheimer. Lo screening a tappeto dei prodotti della collezione della Eisai sull'enzima acetilcolinesterasi, ha permesso di individuare un derivato piperazinico che è stato successivamente ottimizzato al prodotto finale.

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 a risultati deludenti. Tra le più recenti scoperte nel campo delle sostanze di origine vegetale vanno menzionate la artemisinina (antimalarico), il tassolo (antitumorale); tra i prodotti di brodi di cultura di microrganismi la lovastatina (inibitore della sintesi del colesterolo); tra i veleni e le tossine di origine animale la tetrodotossina (bloccante dei canali del sodio), la α-bungarotossina (antagonista dei recettori nicotinici). Questi prodotti sono utilizzati come farmaci o come mezzi farmacologici di indagine e come modelli per lo sviluppo di nuovi farmaci.

Amplificazione di effetti secondari

Durante la sperimentazione preclinica e clinica ma molto più frequentemente in seguito all'uso su migliaia di pazienti, possono venire osservati effetti collaterali che, mentre rappresentano un problema per l'uso del farmaco, possono derivare da meccanismi di azione aventi interesse terapeutico. Ciò può suggerire di tornare a manipolare la struttura molecolare originale allo scopo di produrre molecole nelle quali l'effetto sia massimizzato e possibilmente dissociato dall'effetto iniziale.

Da questo punto di vista i sulfamidici sono stati una vera miniera per lo sviluppo di nuovi farmaci: gli ipoglicemizzanti orali del tipo delle solfoniluree e i diuretici tiadiazinici rappresentano classi di farmaci di importanza fondamentale ottenute dalla manipolazione di sulfamidici in seguito alla osservazione clinica dei loro effetti secondari ipoglicemizzanti e diuretici.

Nel campo dei farmaci che interagiscono con recettori, un classico esempio di questo approccio riguarda lo sviluppo del neurolettico clorpromazina. Questo farmaco, che è usato per il trattamento della schizofrenia ed ha rivoluzionato il trattamento delle malattie psichiatriche, è il frutto dell'osservazione dell'effetto tranquillizzante degli antistaminici fenotiazinici in particolare della prometazina. Un grande vantaggio di questo approccio è che l'effetto secondario è quasi sempre osservato direttamente sull'uomo, il che rappresenta una garanzia per il futuro terapeutico del farmaco eventualmente sviluppato sulla base di queste osservazioni.

Sintesi razionale

In questa sede verranno trattati tutti i tentativi di arrivare ad un farmaco, o ad un lead attendibile, che prendono origine da conoscenze fisiologiche, fisiopatologiche, biochimiche, farmacologiche, chimiche e quindi hanno un ben preciso punto di partenza dal quale muoversi per progettare molecole che si ritengono in grado di risolvere il problema terapeutico o di dare ulteriori informazioni sul funzionamento di un sistema biologico, nel nostro caso un recettore. Definire ciò un approccio razionale è probabilmente un'esagerazione, visti gli insuccessi che anche in questo caso sono frequenti.

Tuttavia è ragionevole ammettere che questo tentativo di risolvere il problema poggia su basi più razionali di quelli descritti precedentemente; il che non vuol assolutamente dire che sia in grado di dare risultati più certi. È del tutto evidente che il successo di una tale strategia dipende in modo essenziale dalla conoscenza della fisiologia, della fisiopatologia e dei processi biochimici che avvengono negli organismi viventi soprattutto a livello cellulare e molecolare, nonché dalla conoscenza della natura chimica e della struttura delle molecole coinvolte in questi processi. Di conseguenza, una volta stabilito lo scopo della ricerca è necessario raccogliere tutti i dati disponibili per poter progettare con la maggiore razionalità possibile le molecole da sintetizzare e valutare. Nel caso questi dati siano largamente insufficienti è probabilmente più opportuno utilizzare uno dei metodi descritti precedentemente.

Naturalmente anche la modifica di un farmaco già noto, razionalizzata sulla base di nuove conoscenze acquisite sul suo target, ricade in questo tipo di approccio. Nel caso dei recettori, come già stato detto in precedenza, non si hanno sufficienti informazioni sulla struttura recettoriale e sul sito di interazione, a differenza di quanto accade per un numero ogni giorno crescente di enzimi. Tuttavia, come per gli enzimi è noto il substrato, così per la maggior parte dei recettori è noto l'agonista fisiologico. Così come si fa per gli enzimi prima che la struttura del sito attivo sia determinata, anche per i recettori è possibile disegnare agonisti ed antagonisti sulla base della conoscenza del mediatore naturale. Questo approccio ha avuto uno straordinario successo ed ha condotto a molti farmaci e a un numero rilevante di utilissimi mezzi di indagine farmacologica. La gran parte dei farmaci adrenergici e i loro antagonisti, di quelli dopaminergici e i loro antagonisti, degli antistaminici, degli anticolinergici, dei farmaci dei recettori triptaminergici, degli aminoacidi, della adenosina, degli steroidi è stata ottenuta partendo dalla struttura dei rispettivi mediatori modificata in modo più o meno razionale. Lo stesso si può dire per i recettori che hanno come mediatori naturali dei peptidi, anche se in questo caso la trasformazione è spesso più radicale a causa della necessità di superare i problemi di stabilità e farmacocinetica cui già si è fatto cenno.

Non esistono regole precise che possano guidare le modificazioni molecolari da effettuare sul mediatore naturale. Tuttavia alcune procedure molto empiriche e non sempre estendibili ai diversi tipi di recettore sono state elaborate durante l'intenso lavoro di ricerca sull'argomento. In genere, per mantenere l'azione agonista la molecola non deve avere una dimensione molto diversa da quella del mediatore naturale; al contrario, l'aggiunta di gruppi ingombranti trasforma molto spesso gli agonisti in antagonisti. L'introduzione di gruppi che modificano la struttura spaziale dell'agonista naturale può indurre una specificità verso uno dei sottotipi recettoriali attivati dallo stesso mediatore.

Seppure ancora largamente imperfetti e molto speculativi, i modelli recettoriali che sono stati elaborati per quasi tutti i recettori più studiati, possono essere di aiuto nell'individuare le regioni che permettono l'inserimento di gruppi che aumentano l'affinità o sono in grado di discriminare tra sottotipi. Nel modulare la struttura di un mediatore naturale non va trascurata la possibilità che i prodotti risultanti possano anche interferire con altri meccanismi collegati al funzionamento dei sistemi recettoriali quali l'accoppiamento con le proteine G, i sistemi di uptake, gli enzimi di degradazione del mediatore. Un'accurata analisi farmacologica del meccanismo di azione dei prodotti ottenuti è di conseguenza assolutamente necessaria per definire il loro meccanismo di azione.

Modificazioni molecolari del lead

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...