Lékařská chemie

Úvod

Lékařská chemie je obor, který zahrnuje návrh, vývoj a syntézu léčiv. Obor kombinuje odborné znalosti z chemie, zejména syntetické organické chemie, farmakologie a dalších biologických věd. Součástí medicinální chemie je také hodnocení vlastností stávajících léčiv.

Používání rostlin, minerálů a částí živočichů jako léčiv je zaznamenáno již od nejstarších civilizací. S rozvojem poznání se vyvíjely i prostředky pro objevování léčiv. Nové molekuly s potenciálním farmaceutickým zájmem, „hity‘, jsou přírodní produkty nebo sloučeniny vytvořené výpočetní chemií nebo sloučeniny ze screeningu chemických knihoven, z kombinatorické chemie a z farmaceutické biotechnologie. U „hitové“ sloučeniny se zlepšují její farmakologické, farmakodynamické a farmakokinetické vlastnosti chemickými úpravami nebo úpravami funkčních skupin, čímž se z ní stává hlavní sloučenina. Hlavní sloučenina by měla mít známou strukturu a známý mechanismus účinku. Vedoucí sloučenina je dále optimalizována tak, aby byla kandidátním léčivem, které je bezpečné pro použití v klinických studiích na lidech (obrázek 1) .

Medicínská chemie obrázek 1

Obrázek 1. Časový rámec pro objevování léčiv.

Objevování léčiv
Přírodní produkty

Přírodní produkty jsou hlavním zdrojem hlavních sloučenin při objevování nových léčiv pro léčbu infekčních onemocnění, poruch lipidů, neurologických onemocnění, kardiovaskulárních a metabolických onemocnění, imunologických, zánětlivých a souvisejících onemocnění a onkologických onemocnění (tabulka 1) . Z farmaceutických entit schválených celosvětově v letech 1981-2006 bylo 5,7 % přírodních produktů a 27,6 % molekul odvozených od přírodních produktů, zatímco v letech 2005-2010 bylo pro použití v klinické praxi schváleno sedm přírodních produktů a 12 derivátů přírodních produktů . Tradiční medicína však může také vytvářet falešné stopy, jak bylo nedávno přezkoumáno v případě kurkuminu .

.

Oblast onemocnění Generický název (obchodní název) Vedlejší sloučenina Rok Vedlejší sloučenina Vedlejší sloučenina
Antibakteriální Doripenem (Finibax/Doribax®) Thienamycin 2005
Antiparazitika Fumagilin (Flisint®) Fumagilin 2005
Onkologie Romidepsin (Istodax®) Romidepsin 2009
Alzheimerova choroba Galantamin (Reminyl®) Galantamin 2002
Imunosuprese Mikofenolát sodný (Myfortic®) kyselina mykofenolová 2003
dyslipidemie rosuvastatin (Crestor®) Mevastatin 2003
Bolest Kapsaicin (Istodax®) Kapsaicin 2009
Diabetes Exenatid (Byetta®) Exenatid 2006
Tabulka 1. Příklady přírodních produktů a derivátů přírodních produktů, které se v současné době klinicky používají

Výběr organismu

Přírodní sloučeniny se vyznačují vysokou chemickou rozmanitostí. Pocházejí z různých organismů. Výběr rostlin, mikroorganismů, hub nebo jiných organismů pro zkoumání nových sloučenin bývá založen na náhodném screeningu, výběru specifických taxonomických skupin, chemotaxonomické skupiny sekundárních metabolitů, jako jsou alkaloidy, databázovém sledování sbírky druhů nebo etnomedicínském přístupu. Některé drogy mají svůj původ v etnobotanickém využití .

Sběr vzorků

Z různých částí organismu by mělo být odebráno 0,3 až 1 kg sušené rostliny nebo 1 kg mokré hmotnosti mořských vzorků. Pokud je třeba vzorek odebrat znovu, měl by být proveden ve stejné lokalitě a ve stejnou denní dobu, protože různá stanoviště mohou vést k odlišným sekundárním metabolitům. Důležité je také uložení reprezentativního voucherového vzorku do centrálního úložiště pro pozdější přístup . Kromě rostlin vedl v posledním desetiletí zájem o houby, sinice mořského původu a vývoj technik „genome mining“ pro kultivaci mikroorganismů v laboratoři k objevu nových přírodních produktů .

Extrakce

Extrakční protokoly se v jednotlivých laboratořích liší. Počáteční extrakce rostlin se obvykle provádí polárním rozpouštědlem, jako je methanol nebo ethanol. Poté se podrobí procesu odtučnění rozdělením nepolárním rozpouštědlem, jako je hexan nebo petrolether. Extrakt se rozdělí mezi semipolární rozpouštědlo, jako je chloroform nebo dichlormethan, a polární vodné rozpouštědlo. Mořské a vodní organismy se extrahují čerstvé methanolem nebo dichlormethanem. Z extraktů je třeba odstranit rostlinné třísloviny. Jejich přítomnost může vést ke srážení bílkovin a inhibici enzymů, což narušuje biologické testy .

Purifikace a izolace

Separace účinné látky se provádí pomocí několika chromatografických technik. Vysokotlaká kapalinová chromatografie (HPLC) a její spojení s vysoce výkonnými screeningovými testy (HST) zjednodušují purifikaci a izolaci účinných sloučenin. Sloučeniny se identifikují pomocí nukleární magnetické rezonance (NMR) a hmotnostní spektrometrie (MS). Tyto techniky ve spojení s kapalinovou chromatografií (LC) umožňují současnou purifikaci a objasnění struktury biologicky aktivních sloučenin . Purifikace a izolace účinné sloučeniny se měří biologickými testy. HTS testy mohou hodnotit velké množství extraktů nebo sloučenin v buněčném nebo nebuněčném kontextu.

Krom HPLC byla k extrakci neuroprotektivních sloučenin z mořské hnědé řasy Ecklonia maxima účinně použita nová metoda kombinující vysokorychlostní protiproudou chromatografii (HSCCC) a velikostně vylučovací chromatografii se Sephadexem LH-20 . Struktura izolovaných sloučenin byla ověřena pomocí NMR a MS.

Hlavní výzvou při vývoji přírodních sloučenin je získání významného množství pro další vývoj. Opětovným sběrem původních druhů nebo pěstováním rostlinných tkání nebo kultivací a fermentací ve velkém měřítku u mikrobů suchozemského původu lze získat sloučeniny ve velkém měřítku . Přírodní sloučeniny lze také syntetizovat. Například Kawano S a spol. dosáhli úplné syntézy jednoho z halichondrinů, skupiny strukturně složitých přírodních produktů izolovaných z různých mořských hub, a vyřešili tak problém omezené nabídky materiálu .

Výpočetní chemie

Molekulární modelování nebo obecněji výpočetní chemie se stala zavedenou součástí vývoje léčiv. Molekulární modelování vyhledává nové molekuly na základě teoretické platformy nebo pomocí screeningu knihovny. Krystalografické a/nebo NMR informace o receptorech a specifických cílech, například o regulátoru transmembránového vedení cystické fibrózy (CFTR) , umožňují prostřednictvím technik molekulárního modelování navrhovat nové molekuly pro daný cíl. Jiné přístupy používají známé aktivní molekuly jako cíl a navrhují nové molekuly nebo hledají v knihovnách podobné molekuly (obrázek 2).

Modelování interakcí protein-protein (PPI) se stává cenným nástrojem pro vývoj nových terapeutických strategií zaměřených na selektivní modifikátory PPI. Například nová metoda kombinuje křížovou hmotnostní spektrometrii s modelovacími přístupy k vytvoření protilátkových inhibitorů interakce mezi R7BP, regulátorem pocitu svědění, a RGS7/Gβ5 . Inhibiční aktivita byla hodnocena pomocí spektroskopie povrchové plazmonové rezonance.

Medicínská chemie obrázek 2

Obrázek 2. Přístupy výpočetní chemie k vývoji nových léčiv.

Nalezené „hitové“ molekuly lze buď syntetizovat v laboratoři, nebo zakoupit. Po vyhodnocení a odhalení vztahu mezi strukturou a aktivitou (SAR) lze provést nové studie molekulárního modelování s cílem nalézt aktivnější molekulu nebo nalezenou molekulu optimalizovat (obrázek 2).

Výpočetní chemie je založena na vizualizaci a manipulaci s trojrozměrnými molekulárními modely. Pomocí molekulárního modelování je možné provádět rotaci vazeb, budování struktury, molekulární mechanismy a/nebo dynamiku, konformační analýzu, elektronické vlastnosti, zobrazení molekulárního povrchu a výpočet různých fyzikálních vlastností. Používanými technikami jsou simulace molekulárních mechanismů a molekulární dynamiky, techniky Monte Carlo, dokování ligandů a metody virtuálního screeningu.

Současné nejmodernější systémy umožňují pracovat s více než 20 molekulami a tisíci body molekulárního povrchu v reálném čase. Každou molekulu lze barevně označit a kontrolovat ve třech rozměrech, kde lze upravovat a sledovat intramolekulární vzdálenosti a nesouvislé dihedrální úhly. Lze také simulovat tvar, náboj a hydrofobicitu atomů v molekule. Pomocí krátkých vektorů lze graficky zobrazit také gradient elektrostatického potenciálu nebo elektrické pole. Modelování molekul vyžaduje make-bond, break-bond, fuse rings, delete-atom, add-atom, add-hydrogens, invertovat chirální centrum atd. Tyto operace by měly umožnit zpřesnění struktury pro vybraný cíl.

K návrhu nových sloučenin se specifickými funkcemi byla implementována metoda učení s posilováním založená na fragmentech . Tato metoda, hluboká víceparametrová optimalizace založená na fragmentech, využívá sítě s dlouhou krátkodobou pamětí k vytváření nových molekul s požadovanými vlastnostmi z hlavních sloučenin úpravou jejich částí. Aktérsko-kritický model, který je základem tohoto přístupu, implementuje učení s časovými rozdíly.

Bylo vyvinuto několik systémů pro ukládání a vyhledávání informací vytvořených při molekulárním modelování. Počet nových molekul vygenerovaných molekulárním modelováním se může pro jeden cíl počítat na tisíce, takže syntéza a biologické vyhodnocení všech těchto nových molekul je výzvou. Vývoj virtuálních screeningů umožnil překonat předchozí problém. Po vyhodnocení virtuálního screeningu by byly syntetizovány nebo zakoupeny pro další biologické hodnocení pouze molekuly s požadovanou biologickou aktivitou.

Klick chemie

Klick chemie je nová metoda syntézy sloučenin podobných léčivům, která může potencovat objevování léčiv využitím praktických a jednoduchých reakcí. Byly například syntetizovány biomimetické hydrogely pro zapouzdření buněk na bázi hydrogelů . Syntéza byla provedena spojením kyseliny hyaluronové a chondroitin sulfátu s polyethylenglykol diacrylátem a modifikací thiolových stupňů glykosaminoglykanů. Enkapsulace prokázala vysokou životaschopnost buněk a byla účinná pro studium 3D buněčných reakcí.

Také byly použity techniky click chemistry v kombinaci se screeningem založeným na průtokové cytometrii pro generování aptamérů . Tento přístup vykazuje několik výhod, například možnost provádět různé chemické modifikace a provádět screening velkého počtu aptamérů. Zejména byly generovány aptamery s vysokou afinitou k epinefrinu a konkavalinu A.

Chemické databáze

Téměř denně je syntetizováno a biologicky hodnoceno nepřeberné množství sloučenin. V posledních letech bylo v hlavních časopisech lékařské chemie publikováno přibližně 2000-3000 sloučenin.

PubChem, CheMBL a BindingBD jsou veřejné databáze sloučenin a jejich biologické aktivity. K dispozici jsou také další databáze, například ChemBank a IUPHARDB (tabulka 2). Databáze Drug Repurposing Hub a ZINC15 se používají pro virtuální screening, například pro nová antibiotika .

Národní institut zdraví (NIH) založil v roce 2004 databázi PubChem, veřejnou knihovnu obsahující více než 33 milionů sloučenin. Hlavním účelem této databáze je shromažďovat a šířit informace o biologických aktivitách malých molekul. Začala shromažďováním biologických testů prováděných v NIH, dnes přijímá údaje i z jiných zdrojů, například z depozit. PubChem nezahrnuje informace získané z literatury, avšak začlenění údajů z CheMBL a BindingBD umožňuje přístup k několika souborům kurátorovaných literárních údajů . K září 2019 databáze obsahuje 96 324 655 sloučenin, 235 712 478 látek, 1 067 644 biologických testů, 268 177 463 bioaktivit, 17 847 proteinových cílů a 58 029 genových cílů.

Název databáze Počet sloučenin Webová stránka
PubChem 96 milionů http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/
CheMBL 1.87 milionů https://www.ebi.ac.uk/chembl/
BindingBD 0.76 milionů http://www.bindingdb.org/bind/index.jsp
ChemSpider 76 milionů http://www.chemspider.com/
DrugBank 13,370 http://www.drugbank.ca/
SwissADME http://www.swissadme.ch/
Tabulka č. 2. Vybrané příklady chemických databází, stav k září 2019.

CheMBL vznikla se souborem komerčních produktů, zveřejněna byla v lednu 2010. Tato knihovna zachycuje údaje z literatury z oblasti medicinální chemie. V rozsahu této databáze jsou afinity proteinů a ligandů a údaje z buněk. Nedávno byly do databáze ChEMBL kromě údajů o malých molekulách začleněny terapeutické proteiny a další typy léčiv . Vydání ChEMBL24_1 obsahuje k září 2019 1 879 206 sloučenin, 1 125 387 testů, 12 481 cílů a 72271 dokumentů.

BindingBD vznikla v akademickém prostředí, na konci 90. let 20. století. Tato databáze se zpočátku zaměřovala na malé molekuly s hlášenou biologickou aktivitou. BindingBD se zaměřuje na podmínky testování a faktory, které podle zpráv ovlivňují výsledek testu, jako je pH, teplota a substráty. Virtuální screening lze provádět přímo pomocí nástrojů na webových stránkách BindingBD . K září 2019 obsahuje BindingDB 1 714 438 vazebných dat, a to pro 7 336 proteinových cílů a 761 317 malých molekul.

S rostoucím počtem každoročně publikovaných sloučenin je význam chemických knihoven s volným přístupem při objevování léčiv zásadní.

Kombinační chemie

Kombinační chemie je definována jako laboratorní syntéza nebo výpočetně podporovaný návrh velkého počtu molekul vycházející z jednoho scaffoldu. Scaffold by měl mít různá místa pro modifikaci kombinací se známými molekulami nebo molekulami odvozenými ze studie molekulárního modelování. Kombinatorická chemie byla použita k optimalizaci hlavní sloučeniny .

Jedním z nejlepších přístupů v kombinatorické chemii je použití centrálního scaffoldu s několika substituenty, které lze nezávisle modifikovat. Tento přístup zvyšuje možnost nalezení „hitové“ molekuly, protože syntetizované molekuly mají vyšší molekulární rozmanitost .

Paralelní syntéza, metoda kombinatoriální chemie, umožňuje vytvořit velký soubor sloučenin. Vzniklou směs lze testovat na biologickou aktivitu. Pokud směs nevykazuje aktivitu, lze ji archivovat a později testovat na další biologické aktivity. Pokud se ukáže, že směs je aktivní, stává se úkolem izolovat aktivní sloučeninu. Jednou z nevýhod syntetizovaných molekul v kombinační chemii je, že ve srovnání s přírodními sloučeninami má malou rozmanitost .

Většina kombinatorické syntézy se provádí technikami na pevné fázi. Výchozí materiál je přímo nebo prostřednictvím linkeru navázán na kuličku. Přidají se činidla a vznikne produkt. Tento postup lze několikrát opakovat s použitím dříve vytvořeného produktu jako výchozího materiálu (obrázek 3). Produkt lze z kuličky odstranit nebo jej lze přímo testovat s připojenou kuličkou na biologickou aktivitu. Kulička omezuje vedlejší reakce a tvorbu vedlejších produktů. Linkery by měly být odolné vůči reakčním podmínkám a po syntéze snadno odstranitelné.

Medicínská chemie obrázek 3

Obrázek 3. Zjednodušené schéma kombinatoriální chemie.

Jednoduché techniky kombinatoriální chemie umožňují syntézu jednoho produktu v jedné nádobě. Složitější metody, jako je smíšená kombinatorická syntéza, umožňují syntézu složitých směsí. Stále se používají manuální techniky syntézy jedné sloučeniny na nádobu, jako je Houghtonův postup s čajovým sáčkem. V současné době je nejpoužívanější metodou automatizovaná paralelní syntéza.

Při syntéze velkého množství různorodých sloučenin se často využívá technika mix and split. Při této metodě se první syntetizovaná směs sloučenin rozdělí na n částí, n částí se opět podrobí nové modifikaci, čímž se syntetizuje z nových směsí (z = n × počet různých modifikací). Tento postup lze opakovat, dokud není dosaženo požadovaného počtu modifikací. Před provedením nové modifikace lze směsi otestovat. Tím se vyloučí směsi, u nichž není pozorována žádná biologická aktivita, a zabrání se další modifikaci.

Pokud je směs biologicky aktivní, lze k oddělení aktivní(-ých) sloučeniny(-in) použít mikromanipulaci, rekurzivní dekonvoluci a techniky sekvenčního uvolňování. Identifikace a strukturní objasnění se provádí po izolaci aktivní(-ých) sloučeniny(-in).

Vyhodnocení knihoven vytvořených kombinatorickou chemií se obvykle provádí pomocí HTS . Vyvíjejí se screeningové metody využívající fluorescenci a chemoluminiscenci; které umožňují současnou identifikaci aktivních sloučenin.

Kombinační chemie přináší jasné výhody i pro výzkum nanomateriálů. Zejména pomáhá provádět syntézu řízenou chiralitou. Nedávno vyvinutá metoda umožňuje sestavit prekurzory uhlíkových nanotrubiček s jakoukoli možnou chiralitou v jediném kroku . Po vytvoření prekurzorů následuje fixace na povrchu kovu, cyklodehydrogenace a prodloužení uhlíkových nanotrubiček se stanovenou chiralitou.

Farmaceutická biotechnologie

Farmaceutická biotechnologie je nejnovější oblastí medicinální chemie, která produkuje nové terapeutické a diagnostické produkty. Běžnými produkty jsou peptidy a proteiny, hormony různého původu a enzymy, včetně vakcín a monoklonálních protilátek (tabulka 3). Objevování nových léčiv ve farmaceutické biotechnologii probíhá prostřednictvím genomiky, transkriptomiky, proteomiky, farmakogenomiky a metabolismu.

Oblast onemocnění Generický název (obchodní název) Typ bioproduktu
Typ II. diabetes Exenatid (Byetta®) Peptid
Onkologie (rakovina prostaty) Degarelix (Firmagon®) Peptid
Osteoporóza Teriparatid (Forteo®) Hormon
Typ I. diabetes Glukagon (GlucaGen®) Hormon
Hepatitida C Konzum interferonu (IFN Alfacon-)1®) Enzym
Rheumatická artritida Anakinra (Kineret®) Enzym
Polio Polio (Ipol®) Vakcína
Meselóza Rubella (Meruvax®) Vakcína
Lupus Belimumab (Benlysta®) Monoklonální protilátka
Astma Omalizumab (Xolair®) Monoklonální protilátka
Tabulka 3. Některé příklady biotechnologických farmaceutických přípravků, které se v současné době klinicky používají.

Optimalizace hlavní sloučeniny

Optimalizace hlavní sloučeniny může být provedena poté, co je biologickým hodnocením nalezena „hitová“ sloučenina. Cílem optimalizace je zlepšení absorpce, distribuce, metabolismu a vylučování léčiva (vlastnosti ADME), snížení toxicity a zlepšení účinnosti.

Optimalizace může být provedena pomocí chemické syntézy, výpočetní chemie nebo/i kombinatorické chemie. Ty by měly zohlednit studie SAR a předběžný mechanismus účinku. Optimalizace vedení může nasměrovat výzkum k syntéze nového farmakoforu nebo aktivnější molekuly (obrázek 1). Techniky používané pro optimalizaci vedení se překrývají s objevováním léčiv.

Sloučeninu vedení lze upravit prostřednictvím jejích funkčních skupin, aby se dosáhlo lepší absorpce, zabránilo se enzymatické degradaci a zlepšil se profil vylučování. Zlepšení absorpce lze provést syntézou proléčiva. Aby se zabránilo enzymatické degradaci, lze cílovou skupinu modifikovat tak, aby blokovala působení klíčového metabolického enzymu. Profil vylučování lze zlepšit chemickou modifikací hlavní sloučeniny, například za účelem snížení vazby na albumin. Organická syntéza může také zlepšit farmakologické vlastnosti vedoucí molekuly, a to zvýšením bioaktivity a snížením vedlejších účinků.

Olovnatou sloučeninu lze modifikovat kombinací s řadou molekul z chemických knihoven nebo z molekulárního modelování. Toho lze dosáhnout pomocí dříve popsaných technik kombinatorické chemie. Tento postup je zvláště užitečný u svodných látek s různými funkčními skupinami, které lze nezávisle modifikovat technikami mix and split. Modifikace provedené kombinatoriální chemií mohou zlepšit vlastnosti ADME a zvýšit specifičnost a účinnost vedoucí molekuly.

Počítačová modifikace vedoucí molekuly může zvýšit specifičnost, pokud je k dispozici strukturní 3D obraz cíle a molekula se přizpůsobí cíli. Použití výpočetní chemie k vytvoření téměř dokonalého přizpůsobení pro cíl také snižuje pravděpodobnost vedlejších účinků a toxicity. Výpočetní chemie je také užitečná pro vytváření a screening prakticky hlavních sloučenin s lepšími absorpčními vlastnostmi a menší metabolickou degradací.

Přírodní sloučeniny mohou být předmětem optimalizace vedení s chemickými úpravami, optimalizací složení a zlepšením farmakokinetiky. Je vhodné uvést, že některých důležitých závěrů SAR lze dosáhnout pozorováním biologické aktivity sloučenin izolovaných souběžně s hlavní sloučeninou .

Sloučeniny vybrané z molekulárního modelování a screeningu chemických a kombinatorických knihoven mohou být předmětem optimalizace popsanými technikami. Cílem je zlepšit farmakokinetické a farmakologické vlastnosti sloučenin. V této fázi lze také vyvodit SAR mezi jednotlivými sloučeninami.

Studie kolem potenciálního kandidáta na léčivo se mohou vždy vrátit k vývoji hlavní molekuly v kterémkoli bodě před a klinických studií. K úspěšnému návrhu léčiv přispívá souhra různých oborů, jako je chemie, biologie, biochemie, farmakologie a medicína.

Deklarace

Dr. Konstantin Yakimchuk v září 2019 aktualizoval článek a přidal části o klikací chemii.

Leave a Reply

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.