Chimica medicinale

Introduzione

La chimica medicinale è una disciplina che racchiude la progettazione, lo sviluppo e la sintesi di farmaci. La disciplina combina le competenze della chimica, in particolare della chimica organica sintetica, della farmacologia e di altre scienze biologiche. Fa anche parte della chimica medicinale la valutazione delle proprietà dei farmaci esistenti.

L’uso di piante, minerali e parti animali come medicinali è stato registrato fin dalle civiltà più antiche. Con l’evoluzione della conoscenza si sono evoluti anche i mezzi per la scoperta dei farmaci. Nuove molecole con potenziale interesse farmaceutico, “hits”, sono prodotti naturali, o composti generati dalla chimica computazionale, o composti da uno screening di librerie chimiche, dalla chimica combinatoria, e dalla biotecnologia farmaceutica. Il composto “hit” viene migliorato per le sue proprietà farmacologiche, farmacodinamiche e farmacocinetiche mediante modifiche chimiche o di gruppi funzionali, trasformandolo in un composto principale. Un composto principale dovrebbe avere una struttura nota e un meccanismo d’azione noto. Il composto principale è ulteriormente ottimizzato per essere un candidato farmaco che è sicuro da usare negli studi clinici umani (Figura 1).

Figura di Chimica Medica 1

Figura 1. Un quadro temporale per la scoperta dei farmaci.

Drug Discovery
Prodotti naturali

I prodotti naturali sono stati le principali fonti di composti guida nella scoperta di nuovi farmaci per il trattamento di malattie infettive, disturbi lipidici, malattie neurologiche, malattie cardiovascolari e metaboliche, malattie immunologiche, infiammatorie e correlate, e malattie oncologiche (Tabella 1) . Delle entità farmaceutiche approvate a livello mondiale tra il 1981 e il 2006, il 5,7% erano prodotti naturali e il 27,6% erano molecole derivate da prodotti naturali, mentre dal 2005 al 2010, sette prodotti naturali e 12 derivati di prodotti naturali sono stati approvati per l’uso nella pratica clinica. La medicina tradizionale, tuttavia, può anche produrre false piste, come recensito di recente per la curcumina .

Area di malattia Nome generico (nome commerciale) Composto di riferimento Anno
Antibatterico Doripenem (Finibax/Doribax®) Thienamycin 2005
Antiparassitari Fumagillina (Flisint®) Fumagillina 2005
Oncologia Romidepsina (Istodax®) Romidepsina 2009
Malattia di Alzheimer Galantamina (Reminyl®) Galantamina 2002
Immunosoppressione Micofenolato sodico (Myfortic®) Acido micofenolico 2003
Dislipidemia Rosuvastatina (Crestor®) Mevastatina 2003
Dolore Capsaicina (Istodax®) Capsaicina 2009
Diabete Exenatide (Byetta®) Exenatide 2006
Tabella 1. Esempi di prodotti naturali e derivati di prodotti naturali attualmente in uso clinico.

Selezione di un organismo

I composti naturali hanno un’alta diversità chimica. Provengono da diversi organismi. La scelta di piante, microrganismi, funghi o altri organismi per l’indagine di nuovi composti tende ad essere basata su uno screening casuale, sulla selezione di gruppi tassonomici specifici, su un gruppo chemiotassonomico di metaboliti secondari come gli alcaloidi, sulla sorveglianza del database di una collezione di specie o su un approccio etnomedico. Diverse droghe rintracciano la loro origine all’uso etnobotanico.

Raccolta dei campioni

Da 0,3 a 1 Kg di pianta essiccata o 1 Kg di peso umido di campioni marini dovrebbero essere raccolti da diverse parti dell’organismo. Se il campione deve essere ri-raccolto, dovrebbe essere eseguito nella stessa localizzazione e alla stessa ora del giorno, poiché habitat diversi possono portare a metaboliti secondari diversi. Importante è anche il deposito di un campione rappresentativo in un deposito centrale, per un accesso successivo. Oltre alle piante, nell’ultimo decennio l’interesse per i funghi, i cianobatteri di origine marina e l’evoluzione delle tecniche di “genome mining” per la coltura di microrganismi in laboratorio hanno portato alla scoperta di nuovi prodotti naturali

Estrazione

I protocolli di estrazione differiscono da laboratorio a laboratorio. L’estrazione iniziale delle piante di solito è fatta con un solvente polare, come il metanolo o l’etanolo. Viene poi sottoposto a un processo di sgrassatura attraverso la partizione con un solvente non polare, come l’esano o l’etere di petrolio. L’estratto viene partizionato tra un solvente semipolare, come il cloroformio o il diclorometano, e un solvente acquoso polare. Gli organismi marini e acquatici sono estratti a fresco con metanolo o diclorometano. I tannini vegetali devono essere rimossi dagli estratti. La loro presenza può portare alla precipitazione delle proteine e all’inibizione degli enzimi, interferendo con i saggi biologici.

Purificazione e isolamento

La separazione del composto attivo viene effettuata utilizzando diverse tecniche cromatografiche. La cromatografia liquida ad alta pressione (HPLC) e il suo accoppiamento con saggi di high-throughput screening (HST) semplificano la purificazione e l’isolamento dei composti attivi. I composti sono identificati dalla risonanza magnetica nucleare (NMR) e dalla spettrometria di massa (MS). Queste tecniche, quando accoppiate con la cromatografia liquida (LC), permettono la purificazione simultanea e l’elucidazione della struttura dei composti biologicamente attivi. La purificazione e l’isolamento del composto attivo sono misurati da saggi biologici. I saggi HTS possono valutare un gran numero di estratti o composti in un contesto basato su cellule o non basato su cellule.

Oltre all’HPLC, un nuovo metodo che combina la cromatografia in controcorrente ad alta velocità (HSCCC) e la cromatografia di esclusione dimensionale con un Sephadex LH-20 è stato efficacemente applicato per estrarre composti neuroprotettivi dall’alga marrone marina, Ecklonia maxima. La struttura dei composti isolati è stata verificata tramite NMR e MS.

La sfida principale nello sviluppo dei composti naturali è quella di ottenere quantità significative per un ulteriore sviluppo. La ri-raccolta delle specie di origine, o la coltura di tessuti vegetali, o la coltivazione e la fermentazione su larga scala per i microbi di origine terrestre possono produrre i composti su larga scala. I composti naturali possono anche essere sintetizzati. Per esempio, Kawano S et al hanno ottenuto la sintesi totale di una delle alicondrine, un gruppo di prodotti naturali strutturalmente complessi isolati da varie spugne marine, e hanno affrontato il problema della fornitura di materiale limitato.

Chimica computazionale

La modellazione molecolare, o più in generale, la chimica computazionale, è diventata una parte consolidata dello sviluppo dei farmaci. La modellazione molecolare ricerca nuove molecole, sulla base di una piattaforma teorica o attraverso lo screening di una libreria. Le informazioni cristallografiche e/o NMR su recettori e bersagli specifici, come quello del regolatore di conduttanza transmembrana della fibrosi cistica (CFTR), permettono attraverso tecniche di modellazione molecolare, la progettazione di nuove molecole per il bersaglio. Altri approcci utilizzano molecole attive note come bersaglio, e progettano nuove molecole o cercano nelle librerie molecole simili (Figura 2).

La modellazione delle interazioni proteina-proteina (PPI) sta diventando uno strumento prezioso per lo sviluppo di nuove strategie terapeutiche che puntano a modificatori PPI selettivi. Per esempio, un nuovo metodo combina la spettrometria di massa di cross-linking con approcci di modellazione per generare inibitori anticorpali dell’interazione tra R7BP, un regolatore della sensazione di prurito, e RGS7/Gβ5 . L’attività inibitoria è stata valutata mediante spettroscopia di risonanza plasmonica di superficie.

Chimica Medica figura 2

Figura 2. Approcci di chimica computazionale per lo sviluppo di nuovi farmaci.

Le molecole trovate “hit” possono essere sintetizzate in laboratorio o acquistate. Dopo la valutazione e la divulgazione della relazione struttura-attività (SAR), nuovi studi di modellazione molecolare possono essere eseguiti per trovare una molecola più attiva o per ottimizzare la molecola trovata (Figura 2).

La chimica computazionale si basa sulla visualizzazione e manipolazione di modelli molecolari tridimensionali. La rotazione dei legami, la costruzione della struttura, i meccanismi molecolari e/o la dinamica, l’analisi conformazionale, le proprietà elettroniche, la visualizzazione della superficie molecolare e il calcolo di varie proprietà fisiche sono possibili attraverso la modellazione molecolare. Le tecniche utilizzate sono meccanismi molecolari e simulazioni di dinamica molecolare, tecniche Monte Carlo, docking dei ligandi e metodi di screening virtuale.

Gli attuali sistemi all’avanguardia permettono di lavorare con più di 20 molecole e migliaia di punti di superficie molecolare in tempo reale. Ogni molecola può essere colorata e controllata in tre dimensioni, dove le distanze intramolecolari e gli angoli diedri non contigui possono essere regolati e monitorati. Forma, carica e idrofobicità degli atomi nella molecola possono anche essere simulati. Il gradiente di potenziale elettrostatico o il campo elettrico può anche essere visualizzato graficamente usando brevi vettori. La modellazione molecolare richiede make-bond, break-bond, fuse rings, delete-atom, add-atom, add-hydrogens, invertite chiral center, ecc. Queste operazioni dovrebbero permettere di ottenere una struttura raffinata per un obiettivo selezionato.

Un metodo di apprendimento di rinforzo basato sui frammenti è stato implementato per progettare nuovi composti con funzioni specifiche. Questo metodo, l’ottimizzazione multi-parametro basata sul frammento profondo, utilizza reti di memoria a breve termine per creare nuove molecole con le proprietà richieste da composti di piombo modificando le loro parti. Un modello attore-critico, la base di questo approccio, implementa l’apprendimento della differenza temporale.

Sono stati sviluppati diversi sistemi per memorizzare e recuperare le informazioni generate dalla modellazione molecolare. Il numero di nuove molecole generate dalla modellazione molecolare può essere di migliaia per un bersaglio, rendendo la sintesi e la valutazione biologica di tutte queste nuove molecole una sfida. Lo sviluppo di screening virtuali ha permesso di superare il problema precedente. Dopo la valutazione dello screening virtuale, solo le molecole con l’attività biologica richiesta verrebbero sintetizzate o acquistate per un’ulteriore valutazione biologica.

La chimica click

La chimica click è un nuovo metodo per sintetizzare composti simili ai farmaci che può potenziare la scoperta dei farmaci utilizzando reazioni pratiche e semplici. Per esempio, sono stati sintetizzati idrogeli biomimetici per l’incapsulamento cellulare basato sulla gelatina di idrogel. La sintesi è stata eseguita collegando l’acido ialuronico e il condroitin solfato con il diacrilato di polietilenglicole e modificando i gradi tiolici dei glicosaminoglicani. L’incapsulamento ha mostrato l’alta vitalità cellulare ed è stato efficace per studiare le risposte cellulari 3D.

Inoltre, le tecniche di click chemistry combinate allo screening basato sulla citometria di flusso sono state applicate per generare aptamers. Questo approccio mostra diversi vantaggi, come la capacità di eseguire una varietà di modifiche chimiche e di vagliare un gran numero di aptamers. In particolare, sono stati generati aptamers con alta affinità per epinefrina e concavalina A.

Basi di dati chimici

Un’abbondanza di composti sono sintetizzati e valutati biologicamente, quasi ogni giorno. Negli anni passati circa 2000-3000 composti sono stati pubblicati nelle principali riviste di chimica medicinale.

PubChem, CheMBL e BindingBD sono database pubblici di composti e della loro bioattività. Altri database come ChemBank e IUPHARDB sono anche disponibili (Tabella 2). Drug Repurposing Hub e ZINC15 sono usati per lo screening virtuale, per esempio, per nuovi antibiotici.

Il National Institute of Health (NIH) ha fondato nel 2004 il database PubChem, una biblioteca pubblica contenente più di 33 milioni di composti. Lo scopo principale di questo database è quello di raccogliere e diffondere informazioni sulle attività biologiche delle piccole molecole. Ha iniziato raccogliendo i biotest eseguiti in NIH, oggi accetta dati da altre fonti come le deposizioni. PubChem non include informazioni estratte dalla letteratura, tuttavia l’incorporazione di dati da CheMBL e BindingBD permette l’accesso a diversi set di dati curati dalla letteratura . A settembre 2019, il database contiene 96.324.655 composti, 235.712.478 sostanze, 1.067.644 biotest, 268.177.463 bioattività, 17.847 target proteici e 58.029 target genici.

Nome del database Numero di composti Sito web
PubChem 96 milioni http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/
CheMBL 1.87 milioni https://www.ebi.ac.uk/chembl/
BindingBD 0.76 milioni http://www.bindingdb.org/bind/index.jsp
ChemSpider 76 milioni http://www.chemspider.com/
DrugBank 13,370 http://www.drugbank.ca/
SwissADME http://www.swissadme.ch/
Tabella 2. Esempi selezionati di database chimici, a settembre 2019.

CheMBL è stato avviato con un insieme di prodotti commerciali, è diventato pubblico nel gennaio del 2010. Questa biblioteca cattura dati dalla letteratura in chimica medicinale. Nell’ambito di questo database ci sono affinità proteina-ligando e dati basati sulle cellule. Più recentemente ChEMBL ha incorporato proteine terapeutiche e altri tipi di farmaci oltre ai dati sulle piccole molecole. La release ChEMBL24_1 contiene 1.879.206 composti, 1.125.387 saggi, 12.481 target e 72271 documenti, a partire da settembre 2019.

BindingBD ha avuto origine in un ambiente accademico, alla fine degli anni ’90. Questo database si è inizialmente concentrato su piccole molecole con attività biologica riportata. BindingBD si concentra sulle condizioni di test e sui fattori riportati per influenzare il risultato del test, come il pH, la temperatura e i substrati. Lo screening virtuale può essere eseguito direttamente utilizzando gli strumenti del sito web BindingBD . A settembre 2019, BindingDB contiene 1.714.438 dati di legame, per 7.336 obiettivi proteici e 761.317piccole molecole.

Con il crescente numero di composti che vengono pubblicati ogni anno, l’importanza delle librerie chimiche ad accesso libero nella scoperta di farmaci è fondamentale.

Chimica combinatoria

La chimica combinatoria è definita come la sintesi in laboratorio o la progettazione assistita da computer di un gran numero di molecole, a partire da uno scaffold. Lo scaffold dovrebbe avere diversi punti di modifica, attraverso la combinazione con molecole conosciute o molecole derivate da uno studio di modellazione molecolare. La chimica combinatoria è stata utilizzata per ottimizzare un composto principale.

Uno dei migliori approcci nella chimica combinatoria è quello di utilizzare uno scaffold centrale con diversi sostituenti, che possono essere modificati in modo indipendente. Questo approccio aumenta la possibilità di trovare una molecola “hit”, poiché le molecole sintetizzate hanno una maggiore diversità molecolare.

La sintesi parallela, un metodo di chimica combinatoria, permette la formazione di un grande insieme di composti. La miscela formata può essere testata per l’attività biologica. Se la miscela non ha attività può essere archiviata e successivamente testata per altre attività biologiche. Quando la miscela risulta essere attiva, la sfida diventa l’isolamento del composto attivo. Uno degli svantaggi delle molecole sintetizzate nella chimica combinatoria è che ha una scarsa diversità, rispetto ai composti naturali.

La maggior parte della sintesi combinatoria viene eseguita attraverso tecniche di fase solida. Il materiale di partenza è legato, direttamente o attraverso un linker, a una perlina. Si aggiungono i reagenti e si forma il prodotto. Questa procedura può essere ripetuta più volte utilizzando il prodotto precedentemente formato come materiale di partenza (Figura 3). Il prodotto può essere rimosso dal bead o direttamente testato con il bead attaccato, per l’attività biologica. Il bead riduce le reazioni collaterali e la formazione di sottoprodotti. I linkers dovrebbero essere resistenti alle condizioni di reazione e facilmente rimossi dopo la sintesi.

Medicinal Chemistry figura 3

Figura 3. Schema semplificato della chimica combinatoria.

Le tecniche semplici della chimica combinatoria permettono la sintesi di un prodotto per contenitore. I metodi più complessi, come la sintesi combinatoria mista, permettono la sintesi di miscele complesse. Le tecniche manuali per la sintesi di un composto per recipiente, come la procedura della bustina di tè di Houghton, sono ancora utilizzate. La sintesi parallela automatizzata è attualmente il metodo più usato.

La sintesi di grandi quantità di composti diversi fa spesso uso della tecnica mix and split. In questo metodo, la prima miscela di composti sintetizzata viene divisa in n parti, le n parti sono nuovamente soggette a una nuova modifica, sintetizzando z nuove miscele (z = n × numero di modifiche diverse). Questa procedura può essere ripetuta fino a raggiungere il numero di modifiche desiderate. Le miscele possono essere testate prima di eseguire una nuova modifica. Questo escluderà le miscele in cui non si osserva alcuna attività biologica, evitando ulteriori modifiche.

Quando una miscela è biologicamente attiva, la micromanipolazione, la deconvoluzione ricorsiva e le tecniche di rilascio sequenziale possono essere utilizzate per separare i composti attivi. L’identificazione e l’elucidazione strutturale vengono eseguite dopo l’isolamento dei composti attivi.

La valutazione delle librerie generate dalla chimica combinatoria viene solitamente effettuata tramite HTS. Si stanno sviluppando metodi di screening che utilizzano la fluorescenza e la chemioluminescenza; che permettono l’identificazione simultanea dei composti attivi.

La chimica combinatoria porta anche chiari vantaggi alla ricerca sui nanomateriali. In particolare, aiuta a realizzare sintesi a chiralità controllata. Un metodo recentemente sviluppato permette di assemblare precursori di nanotubi di carbonio con qualsiasi chiralità possibile in un unico passaggio. La generazione del precursore è seguita dalla fissazione sulla superficie metallica, dalla ciclodeidrogenazione e dall’allungamento dei nanotubi di carbonio con chiralità stabilita.

Biotecnologia farmaceutica

La biotecnologia farmaceutica è un settore recente della chimica medicinale, che produce nuovi prodotti terapeutici e diagnostici. I prodotti comuni sono peptidi e proteine, ormoni di diversa origine, ed enzimi, inclusi vaccini e anticorpi monoclonali (Tabella 3). La scoperta di nuovi farmaci nella biotecnologia farmaceutica avviene attraverso la genomica, la trascrittomica, la proteomica, la farmacogenomica e la metabolica.

Area di malattia Nome generico (nome commerciale) Tipo di bioprodotto
Tipo II diabete Exenatide (Byetta®) Peptide
Oncologia (cancro alla prostata) Degarelix (Firmagon®) Peptide
Osteoporosi Teriparatide (Forteo®) Ormone
Tipo I diabete Glucagone (GlucaGen®) Ormone
Epatite C Consenso Interferone (IFN Alfacon-1®) Enzima
Artrite reumatica Anakinra (Kineret®) Enzima
Polio Polio (Ipol®) Vaccino
Morbillo Rubella (Meruvax®) Vaccino
Lupo Belimumab (Benlysta®) Anticorpo monoclonale
Asma Omalizumab (Xolair®) Anticorpo monoclonale
Tabella 3. Alcuni esempi di prodotti farmaceutici biotecnologici attualmente in uso clinico.

Ottimizzazione del lead

L’ottimizzazione di un lead compound può essere fatta dopo aver trovato un composto “hit” attraverso la valutazione biologica. L’ottimizzazione mira a migliorare l’assorbimento, la distribuzione, il metabolismo e l’escrezione del farmaco (proprietà ADME), la riduzione della tossicità e il miglioramento dell’efficacia.

L’ottimizzazione può essere fatta attraverso la sintesi chimica, la chimica computazionale o/e la chimica combinatoria. Questi dovrebbero prendere in considerazione gli studi SAR e il meccanismo d’azione preliminare. La lead optimization può indirizzare la ricerca verso la sintesi di un nuovo farmacoforo o di una molecola più attiva (Figura 1). Le tecniche utilizzate per l’ottimizzazione dei lead si sovrappongono alla scoperta dei farmaci.

Un composto principale può essere modificato attraverso i suoi gruppi funzionali per ottenere un migliore assorbimento, per evitare la degradazione enzimatica e per migliorare il profilo di escrezione. Il miglioramento dell’assorbimento può essere fatto tramite la sintesi di un pro-farmaco. Per evitare la degradazione enzimatica il gruppo target può essere modificato per bloccare l’azione di un enzima metabolico chiave. Il profilo di escrezione può essere migliorato attraverso la modifica chimica del composto principale per ridurre il legame all’albumina, per esempio. La sintesi organica può anche migliorare le proprietà farmacologiche di una molecola di piombo, aumentando la bioattività e riducendo gli effetti collaterali.

Il composto principale può essere modificato dalla combinazione con una serie di molecole da librerie chimiche o dalla modellazione molecolare. Questo può essere ottenuto attraverso le tecniche di chimica combinatoria precedentemente descritte. Questa procedura è particolarmente utile nei lead con diversi gruppi funzionali, che possono essere modificati indipendentemente attraverso tecniche di mix e split. Le modifiche eseguite dalla chimica combinatoria possono migliorare le proprietà ADME e aumentare la specificità e l’efficacia della molecola principale.

La modulazione computazionale di una molecola principale può aumentare la specificità quando l’immagine strutturale 3D del bersaglio è disponibile, adattando la molecola al bersaglio. L’uso della chimica computazionale per produrre adattamenti quasi perfetti per un bersaglio riduce anche la probabilità di effetti collaterali e tossicità. La chimica computazionale è anche utile per creare e vagliare virtualmente composti di piombo con migliori proprietà di assorbimento e meno degradazione metabolica.

I composti naturali possono essere soggetti all’ottimizzazione del piombo, con modifiche chimiche, ottimizzazione della formulazione e miglioramento della farmacocinetica. È importante riferire che alcune importanti conclusioni SAR possono essere raggiunte dall’osservazione dell’attività biologica dei composti isolati in parallelo con il composto principale.

I composti selezionati dalla modellazione molecolare e dallo screening di biblioteche chimiche e combinatorie possono essere sottoposti a ottimizzazione mediante le tecniche descritte. Questo mira a migliorare le proprietà farmacocinetiche e farmacologiche dei composti. Il SAR tra i diversi composti può anche essere disegnato in questa fase.

Gli studi intorno a un potenziale candidato farmaco possono sempre tornare allo sviluppo della molecola principale in qualsiasi punto degli studi pre e clinici. L’interazione di diversi campi come la chimica, la biologia, la biochimica, la farmacologia e la medicina contribuiscono al successo del drug design.

Dichiarazioni

Il dottor Konstantin Yakimchuk ha aggiornato l’articolo e aggiunto sezioni sulla chimica dei clic nel settembre 2019.

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