Medicinsk kemi

Indledning

Medicinsk kemi er en disciplin, der omfatter design, udvikling og syntese af farmaceutiske stoffer. Disciplinen kombinerer ekspertise fra kemi, især syntetisk organisk kemi, farmakologi og andre biologiske videnskaber. Det er også en del af medicinalkemien at evaluere eksisterende lægemidlers egenskaber.

Anvendelsen af planter, mineraler og dyredele som lægemidler er blevet registreret siden de ældste civilisationer. I takt med udviklingen af viden udviklede midlerne til opdagelse af lægemidler sig også. Nye molekyler med potentiel farmaceutisk interesse, “hits”, er naturprodukter eller forbindelser genereret ved beregningskemi eller forbindelser fra en screening af kemiske biblioteker, fra kombinatorisk kemi og fra farmaceutisk bioteknologi. “Hit”-forbindelsen forbedres med hensyn til dens farmakologiske, farmakodynamiske og farmakokinetiske egenskaber ved hjælp af kemiske ændringer eller ændringer af funktionelle grupper, hvorved den omdannes til en ledende forbindelse. En ledende forbindelse skal have en kendt struktur og en kendt virkningsmekanisme. Den ledende forbindelse optimeres yderligere til at blive en lægemiddelkandidat, der er sikker til brug i kliniske forsøg på mennesker (figur 1) .

Medicinsk kemi figur 1

Figur 1. En tidsramme for lægemiddelopdagelse.

Lægemiddelopdagelse
Naturlige produkter

Naturlige produkter har været vigtige kilder til ledende forbindelser i forbindelse med opdagelsen af nye lægemidler til behandling af infektionssygdomme, lipidforstyrrelser, neurologiske sygdomme, kardiovaskulære og metaboliske sygdomme, immunologiske, inflammatoriske og relaterede sygdomme samt onkologiske sygdomme (tabel 1) . Af de farmaceutiske enheder, der blev godkendt på verdensplan mellem 1981 og 2006, var 5,7 % naturprodukter og 27,6 % afledte molekyler af naturprodukter, mens der fra 2005 til 2010 blev syv naturprodukter og 12 naturproduktderivater godkendt til brug i klinisk praksis . Traditionel medicin kan imidlertid også give falske spor, som det for nylig blev gennemgået for curcumin .

Sygdomsområde Generisk navn (handelsnavn) Ledende stof År
Antibakteriel Doripenem (Finibax/Doribax®) Thienamycin 2005
Antiparasitisk Fumagillin (Flisint®) Fumagillin 2005
Onkologi Romidepsin (Istodax®) Romidepsin 2009
Alzheimer-sygdom Galantamin (Reminyl®) Galantamin 2002
Immunosuppression Mycophenolatnatrium (Myfortic®) Mycophenolsyre 2003
Dyslipidæmi Rosuvastatin (Crestor®) Mevastatin 2003
Smerter Capsaicin (Istodax®) Capsaicin 2009 2009
Diabetes Exenatid (Byetta®) Exenatid 2006
Tabel 1. Eksempler på naturprodukter og naturproduktderivater, der i øjeblikket er i klinisk brug.

Selektion af en organisme

Naturlige forbindelser har en stor kemisk diversitet. De stammer fra forskellige organismer. Valget af planter, mikroorganismer, svampe eller andre organismer til undersøgelse for nye forbindelser er ofte baseret på tilfældig screening, udvælgelse af specifikke taksonomiske grupper, en kemotaksonomisk gruppe af sekundære metabolitter som f.eks. alkaloider, databaseovervågning af en artssamling eller en etnomedicinsk tilgang. Flere lægemidler har deres oprindelse i etnobotanisk brug .

Proveindsamling

Der bør indsamles 0,3 til 1 kg tørret plante eller 1 kg vådvægt af marine prøver fra forskellige dele af organismen. Hvis prøven skal indsamles igen, bør det ske på samme lokalitet og på samme tidspunkt i løbet af dagen, da forskellige levesteder kan føre til forskellige sekundære metabolitter. Det er også vigtigt, at der deponeres et repræsentativt bilagsprøveeksemplar i et centralt depot med henblik på senere adgang . Ud over planter har interessen for svampe, cyanobakterier af marin oprindelse og udviklingen af “genome mining”-teknikker til dyrkning af mikroorganismer i laboratoriet i det sidste årti ført til opdagelse af nye naturprodukter.

Ekstraktion

Ekstraktionsprotokollerne er forskellige fra laboratorium til laboratorium. Den indledende ekstraktion af planter sker normalt med et polært opløsningsmiddel som f.eks. methanol eller ethanol. Derefter underkastes den en affedtningsproces ved fordeling med et upolært opløsningsmiddel, f.eks. hexan eller petroleumsether. Ekstraktet fordeles mellem et semipolært opløsningsmiddel, f.eks. chloroform eller dichlormethan, og et polært vandigt opløsningsmiddel. Marine og akvatiske organismer ekstraheres frisk med methanol eller dichlormethan. Vegetabilske tanniner skal fjernes fra ekstrakterne. Deres tilstedeværelse kan føre til proteinudfældning og enzymhæmning og dermed forstyrre de biologiske analyser .

Purificering og isolering

Selektion af det aktive stof sker ved hjælp af flere kromatografiske teknikker. Højtryksvæskechromatografi (HPLC) og dens kobling med HST-analyser (high-throughput screening) forenkler oprensningen og isoleringen af aktive forbindelser. Forbindelserne identificeres ved hjælp af kernemagnetisk resonans (NMR) og massespektrometri (MS). Disse teknikker, når de er kombineret med væskekromatografi (LC), muliggør samtidig oprensning og strukturopklaring af biologisk aktive forbindelser . Rensning og isolering af den aktive forbindelse måles ved hjælp af biologiske analyser. HTS-analyser kan evaluere et stort antal ekstrakter eller forbindelser i en cellebaseret eller ikke-cellebaseret sammenhæng.

Ud over HPLC er en ny metode, der kombinerer højhastigheds modstrømskromatografi (HSCCC) og størrelseseksklusionskromatografi med en Sephadex LH-20, blevet anvendt effektivt til at udvinde neuroprotektive forbindelser fra den marine brunalge Ecklonia maxima . Strukturen af de isolerede forbindelser blev verificeret ved NMR og MS.

Den største udfordring i forbindelse med udvikling af naturforbindelser er at opnå betydelige mængder til videreudvikling. Genindsamling af de oprindelige arter eller plantevævskultur eller dyrkning og fermentering i stor skala for mikrober af terrestrisk oprindelse kan producere forbindelserne i stor skala . De naturlige forbindelser kan også syntetiseres. Kawano S et al. opnåede f.eks. totalsyntesen af et af halichondrinerne, en gruppe strukturelt komplekse naturprodukter, der er isoleret fra forskellige havsvampe, og løste problemet med begrænset materialeforsyning .

Computationel kemi

Molekylær modellering, eller mere generelt computationel kemi, er blevet en veletableret del af lægemiddeludviklingen. Molekylær modellering søger nye molekyler, baseret på en teoretisk platform eller ved at screene et bibliotek. Krystallografiske og/eller NMR-oplysninger om receptorer og specifikke mål, som f.eks. cystisk fibrose transmembran-konduktansregulator (CFTR) , gør det muligt gennem molekylære modelleringsteknikker at udforme nye molekyler til målet . Andre metoder anvender kendte aktive molekyler som mål og designer nye molekyler eller søger i bibliotekerne efter lignende molekyler (figur 2).

Modellering af protein-protein-interaktioner (PPI) er ved at blive et værdifuldt værktøj til udvikling af nye terapeutiske strategier, der er rettet mod selektive PPI-modifikatorer. For eksempel kombinerer en ny metode tværbindingsmassespektrometri med modelleringstilgange til at generere antistofinhibitorer af samspillet mellem R7BP, en regulator af kløefornemmelse, og RGS7/Gβ5 . Den inhiberende aktivitet blev evalueret ved hjælp af overfladeplasmonresonansspektroskopi.

Medicinsk kemi figur 2

Figur 2. Computerkemiske tilgange til udvikling af nye lægemidler.

De fundne “hit”-molekyler kan enten syntetiseres i laboratoriet eller købes. Efter evaluering og afsløring af struktur-aktivitetsrelationer (SAR) kan der udføres nye undersøgelser af molekylær modellering for at finde et mere aktivt molekyle eller for at optimere det fundne molekyle (figur 2).

Computational chemistry er baseret på visualisering og manipulation af tredimensionelle molekylære modeller. Rotation af bindinger, strukturopbygning, molekylære mekanismer og/eller dynamik, konformationsanalyse, elektroniske egenskaber, visning af molekylære overflader og beregning af forskellige fysiske egenskaber er mulig gennem molekylær modellering. De anvendte teknikker er simuleringer af molekylære mekanismer og molekylær dynamik, Monte Carlo-teknikker, ligand-docking og virtuelle screeningsmetoder.

De nuværende avancerede systemer gør det muligt at arbejde med mere end 20 molekyler og tusindvis af molekylære overfladepunkter i realtid. Hvert molekyle kan farvemærkes og kontrolleres i tre dimensioner, hvor de intramolekylære afstande og de ikke-sammenhængende dihedralvinkler kan justeres og overvåges. Form, ladning og hydrofobicitet af atomerne i molekylet kan også simuleres. Den elektrostatiske potentialegradient eller det elektriske felt kan også vises grafisk ved hjælp af korte vektorer. Molekylær modellering kræver make-bond, break-bond, fuse rings, delete-atom, add-atom, add-hydrogens, invert chiralt center osv. Disse operationer skal muliggøre en forfinet struktur for et udvalgt mål.

En fragmentbaseret forstærkningsindlæringsmetode er blevet implementeret til at designe nye forbindelser med specifikke funktioner . Denne metode, dyb fragmentbaseret multiparameteroptimering, anvender netværk med lang korttidshukommelse til at skabe nye molekyler med de krævede egenskaber fra ledforbindelser ved at ændre deres dele. En aktør-kritisk model, der er grundlaget for denne metode, implementerer tidslig differensindlæring.

Der er udviklet flere systemer til lagring og hentning af de oplysninger, der genereres ved molekylær modellering. Antallet af nye molekyler, der genereres ved molekylær modellering, kan være flere tusinde for et mål, hvilket gør syntesen og den biologiske evaluering af alle disse nye molekyler til en udfordring. Udviklingen af virtuelle screeninger gjorde det muligt at overvinde det tidligere problem. Efter den virtuelle screeningsevaluering vil kun de molekyler med den ønskede biologiske aktivitet blive syntetiseret eller indkøbt med henblik på yderligere biologisk evaluering.

Klikkekemi

Klikkekemi er en ny metode til at syntetisere lægemiddellignende forbindelser, som kan potentialisere opdagelsen af lægemidler ved at udnytte praktiske og ukomplicerede reaktioner. Der er f.eks. syntetiseret biomimetiske hydrogeler til hydrogelgel geleringsbaseret celleindkapsling . Syntesen er udført ved at forbinde hyaluronsyre og chondroitinsulfat med polyethylenglycoldiacrylat og ved at ændre glykosaminoglykanernes thiolindhold. Indkapsling har vist den høje celleviabilitet og har været effektiv til at studere 3D-cellulære reaktioner.

Der er også anvendt klik-kemiteknikker kombineret flowcytometri-baseret screening til at generere aptamere . Denne fremgangsmåde viser flere fordele, såsom evnen til at udføre en række kemiske modifikationer og til at screene et stort antal aptamere. Der er navnlig blevet genereret aptamere med høj affinitet for epinephrin og concavaline A.

Kemiske databaser

Næsten dagligt syntetiseres og vurderes en overflod af forbindelser biologisk. I de seneste år er der blevet offentliggjort omkring 2000-3000 forbindelser i de vigtigste tidsskrifter inden for medicinalkemi.

PubChem, CheMBL og BindingBD er offentlige databaser over forbindelser og deres bioaktivitet. Andre databaser såsom ChemBank og IUPHARDB er også tilgængelige (tabel 2). Drug Repurposing Hub og ZINC15 anvendes til virtuel screening, f.eks. for nye antibiotika .

Det nationale sundhedsinstitut (NIH) grundlagde i 2004 PubChem-databasen, et offentligt bibliotek, der indeholder mere end 33 millioner forbindelser. Hovedformålet med denne database er at indsamle og formidle oplysninger om små molekylers biologiske aktiviteter. Den startede med at indsamle bioforsøg udført i NIH, men i dag accepterer den data fra andre kilder som f.eks. depositioner. PubChem indeholder ikke oplysninger fra litteraturen, men inkorporeringen af data fra CheMBL og BindingBD giver adgang til flere sæt kuraterede litteraturdata . Pr. september 2019 indeholder databasen 96 324 655 forbindelser, 235 712 478 stoffer, 1 067 644 bioassays, 268 177 463 bioaktiviteter, 17 847 proteinmål og 58 029 genmål.

Databasens navn Antal forbindelser Websted
PubChem 96 millioner http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/
CheMBL 1.87 millioner https://www.ebi.ac.uk/chembl/
BindingBD 0.76 millioner http://www.bindingdb.org/bind/index.jsp
ChemSpider 76 millioner http://www.chemspider.com/
DrugBank 13,370 http://www.drugbank.ca/
SwissADME http://www.swissadme.ch/
Tabel 2. Udvalgte eksempler på kemiske databaser, pr. september 2019.

CheMBL blev indledt med en række kommercielle produkter, den blev offentliggjort i januar 2010. Dette bibliotek indfanger data fra litteraturen inden for medicinalkemi. Inden for rammerne af denne database er protein-ligandaffiniteter og cellebaserede data. For nylig har ChEMBL indarbejdet terapeutiske proteiner og andre lægemiddeltyper ud over data om små molekyler . ChEMBL24_1-udgaven indeholder 1.879.206 forbindelser, 1.125.387 assays, 12.481 mål og 72271 dokumenter, pr. september 2019.

BindingBD opstod i et akademisk miljø, i slutningen af 1990’erne. Denne database fokuserede oprindeligt på små molekyler med rapporteret biologisk aktivitet. BindingBD fokuserer på assaybetingelserne og faktorer, der rapporteres at have indflydelse på resultatet af assayet, såsom pH, temperatur og substrater. Virtuel screening kan udføres direkte ved hjælp af værktøjerne på BindingBD’s websted . Pr. september 2019 indeholder BindingDB 1 714 438 bindingsdata, for 7 336 proteinmål og 761 317små molekyler.

Med det stigende antal forbindelser, der offentliggøres hvert år, er betydningen af kemiske biblioteker med fri adgang i forbindelse med lægemiddelopdagelse afgørende.

Kombinatorisk kemi

Kombinatorisk kemi defineres som laboratoriesyntese eller computerstøttet design af et stort antal molekyler med udgangspunkt i et enkelt stillads. Stilladset skal have forskellige punkter til modifikation gennem kombination med kendte molekyler eller molekyler, der stammer fra en molekylær modelundersøgelse. Kombinatorisk kemi er blevet anvendt til at optimere en ledende forbindelse.

En af de bedste fremgangsmåder inden for kombinatorisk kemi er at anvende et centralt stillads med flere substituenter, som kan modificeres uafhængigt af hinanden. Denne fremgangsmåde øger muligheden for at finde et “hit”-molekyle, da de syntetiserede molekyler har en større molekylær diversitet .

Parallelsyntese, en metode inden for kombinatorisk kemi, gør det muligt at danne et stort sæt af forbindelser. Den dannede blanding kan testes for biologisk aktivitet. Hvis blandingen ikke har aktivitet, kan den arkiveres og senere testes for andre biologiske aktiviteter. Når blandingen viser sig at være aktiv, bliver udfordringen at isolere den aktive forbindelse. En af ulemperne ved syntetiserede molekyler i kombinationskemi er, at de har en ringe diversitet sammenlignet med naturlige forbindelser .

De fleste af de kombinatoriske synteser udføres ved hjælp af fastfaseteknikker. Udgangsmaterialet er bundet, direkte eller gennem en linker, til en perle. Reagenserne tilsættes, og produktet dannes. Denne procedure kan gentages flere gange med det tidligere dannede produkt som udgangsmateriale (figur 3). Produktet kan fjernes fra perlen eller testes direkte med perlen fastgjort med henblik på biologisk aktivitet. Perlen reducerer bivirkningsreaktioner og dannelse af biprodukter. Linkere skal være modstandsdygtige over for reaktionsbetingelserne og let at fjerne efter syntesen.

Medicinsk kemi figur 3

Figur 3. Forenklet skema for kombinatorisk kemi.

De enkle teknikker inden for kombinatorisk kemi gør det muligt at syntetisere ét produkt pr. beholder. Mere komplekse metoder, som f.eks. blandet kombinatorisk syntese, gør det muligt at syntetisere komplekse blandinger. Manuelle teknikker til syntese af ét stof pr. beholder, som f.eks. Houghton’s tepose-procedure, anvendes stadig. Automatiseret parallel syntese er i øjeblikket den mest anvendte metode.

Syntesen af store mængder af forskellige forbindelser sker ofte ved hjælp af blandings- og opdelingsteknikken. Ved denne metode opdeles den første blanding af forbindelser, der syntetiseres, i n dele, og de n dele underkastes igen en ny ændring, hvorved der syntetiseres z nye blandinger (z = n × antallet af forskellige ændringer). Denne procedure kan gentages, indtil det ønskede antal modifikationer er nået. Blandingerne kan afprøves, inden der foretages en ny ændring. Herved udelukkes blandinger, hvor der ikke observeres nogen biologisk aktivitet, hvorved yderligere modifikation undgås.

Når en blanding er biologisk aktiv, kan mikromanipulation, rekursiv dekonvolution og sekventielle frigivelsesteknikker anvendes til at adskille de(n) aktive(n) forbindelse(r). Identifikation og strukturel opklaring foretages efter isolering af den/de aktive forbindelse(r).

Evalueringen af de biblioteker, der genereres ved hjælp af kombinatorisk kemi, foretages normalt ved hjælp af HTS . Der er ved at blive udviklet screeningsmetoder ved hjælp af fluorescens og kemoluminescens, som giver mulighed for samtidig identifikation af de aktive forbindelser.

Kombinatorisk kemi giver også klare fordele for forskningen i nanomaterialer. Den bidrager navnlig til at udføre chiralitetskontrolleret syntese. En nyligt udviklet metode gør det muligt at samle kulstofnanorørprækursorer med enhver mulig chiralitet i et enkelt trin . Generering af forløberne efterfølges af fiksering på metaloverfladen, cyclodehydrogenering og forlængelse af kulstofnanorør med en fastlagt chiralitet.

Farmaceutisk bioteknologi

Farmaceutisk bioteknologi er et nyt område inden for medicinalkemi, hvor der fremstilles nye terapeutiske og diagnostiske produkter. De almindelige produkter er peptider og proteiner, hormoner af forskellig oprindelse og enzymer, herunder vacciner og monoklonale antistoffer (tabel 3). Opdagelsen af nye lægemidler inden for farmaceutisk bioteknologi sker ved hjælp af genomik, transkriptomik, proteomik, farmakogenomik og metabolik.

Sygdomsområde Generisk navn (handelsnavn) Type af bioprodukt
Type II diabetes Exenatid (Byetta®) Peptid
Onkologi (Prostatacancer) Degarelix (Firmagon®) Peptid
Osteoporose Teriparatid (Forteo®) Hormon
Type I diabetes Glucagon (GlucaGen®) Hormon
Hepatitis C Consensus Interferon (IFN Alfacon-1®) Enzym
Rheumatisk arthritis Anakinra (Kineret®) Enzym
Polio Polio (Ipol®) Vaccine
Mæslinger Rubella (Meruvax®) Vaccine
Lupus Belimumab (Benlysta®) Monoklonalt antistof
Astma Omalizumab (Xolair®) Monoklonalt antistof
Tabel 3. Nogle eksempler på bioteknologiske farmaceutiske produkter, der i øjeblikket er i klinisk brug.

Optimering af ledestoffer

Optimering af et ledestof kan foretages, efter at der er fundet et “hit” stof gennem biologisk evaluering. Optimeringen har til formål at forbedre lægemidlets absorption, distribution, metabolisme og udskillelse (ADME-egenskaber), reducere toksiciteten og forbedre virkningen.

Optimeringen kan foretages ved hjælp af kemisk syntese, beregningskemi eller/og kombinatorisk kemi. Disse bør tage hensyn til SAR-undersøgelserne og den foreløbige virkningsmekanisme. Leadoptimering kan lede forskningen til syntese af en ny farmakofore eller et mere aktivt molekyle (figur 1). De teknikker, der anvendes til leadoptimering, overlapper med lægemiddelopdagelse.

En leadforbindelse kan modificeres gennem dens funktionelle grupper for at opnå bedre absorption, undgå enzymatisk nedbrydning og forbedre udskillelsesprofilen. Forbedringen af absorptionen kan ske ved syntese af et pro-drug. For at undgå enzymatisk nedbrydning kan målgruppen modificeres for at blokere virkningen af et centralt metabolisk enzym. Udskillelsesprofilen kan forbedres ved kemisk modifikation af den ledende forbindelse for at reducere f.eks. bindingen til albumin. Organisk syntese kan også forbedre de farmakologiske egenskaber af et ledende molekyle ved at øge bioaktiviteten og reducere bivirkningerne.

Den ledende forbindelse kan modificeres ved at blive kombineret med en række molekyler fra kemiske biblioteker eller fra molekylær modellering. Dette kan opnås ved hjælp af de tidligere beskrevne kombinatoriske kemiteknikker. Denne fremgangsmåde er særlig nyttig i forbindelse med ledninger med forskellige funktionelle grupper, som kan modificeres uafhængigt af hinanden ved hjælp af blandings- og opdelingsteknikker. Ændringer, der foretages ved hjælp af kombinatorisk kemi, kan forbedre ADME-egenskaberne og øge leadmolekylets specificitet og effektivitet.

Computationel modulation af et leadmolekyle kan øge specificiteten, når det strukturelle 3D-billede af målet er tilgængeligt, hvilket tilpasser molekylet til målet. Brugen af beregningskemi til at frembringe næsten perfekte tilpasninger til et mål reducerer også sandsynligheden for bivirkninger og toksicitet. Computerkemi er også nyttig til at skabe og screene næsten ledende forbindelser med bedre absorptionsegenskaber og mindre metabolisk nedbrydning.

Naturlige forbindelser kan være genstand for lead-optimering med kemiske modifikationer, formuleringsoptimering og forbedring af farmakokinetik. Det er relevant at henvise til, at nogle vigtige SAR-konklusioner kan opnås ved observation af den biologiske aktivitet af de forbindelser, der er isoleret parallelt med den ledende forbindelse .

De forbindelser, der er udvalgt ved molekylær modellering og screening af kemiske og kombinatoriske biblioteker, kan optimeres ved hjælp af de beskrevne teknikker. Dette har til formål at forbedre forbindelsernes farmakokinetiske og farmakologiske egenskaber. SAR mellem de forskellige forbindelser kan også udarbejdes i denne fase.

Undersøgelser omkring en potentiel lægemiddelkandidat kan altid vende tilbage til udviklingen af hovedmolekylet på et hvilket som helst tidspunkt i de præ- og kliniske undersøgelser. Samspillet mellem forskellige områder som f.eks. kemi, biologi, biokemi, farmakologi og medicin bidrager til en vellykket lægemiddeldesign.

Deklarationer

Dr. Konstantin Yakimchuk opdaterede artiklen og tilføjede afsnit om klik-kemi i september 2019.

Leave a Reply

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.