Medicinsk kemi

Introduktion

Medicinsk kemi är en disciplin som omfattar design, utveckling och syntes av läkemedel. Disciplinen kombinerar expertis från kemi, särskilt syntetisk organisk kemi, farmakologi och andra biologiska vetenskaper. Det är också en del av läkemedelskemin utvärderingen av egenskaperna hos befintliga läkemedel.

Användningen av växter, mineraler och djurdelar som läkemedel har registrerats sedan de äldsta civilisationerna. I takt med kunskapsutvecklingen utvecklades också metoderna för läkemedelsupptäckt. Nya molekyler med potentiellt farmaceutiskt intresse, ”hits”, är naturprodukter, eller föreningar som genererats genom beräkningskemi, eller föreningar från en screening av kemiska bibliotek, från kombinatorisk kemi och från farmaceutisk bioteknik. En ”hit”-substans förbättras med avseende på sina farmakologiska, farmakodynamiska och farmakokinetiska egenskaper genom ändringar av kemiska eller funktionella grupper, vilket gör den till en ledande substans. En ledande substans bör ha en känd struktur och en känd verkningsmekanism. Den ledande substansen optimeras ytterligare för att bli en läkemedelskandidat som är säker att använda i kliniska prövningar på människor (figur 1) .

Medicinsk kemi figur 1

Figur 1. En tidsram för upptäckt av läkemedel.

Drogupptäckt
Naturliga produkter

Naturliga produkter har varit viktiga källor till ledande föreningar vid upptäckten av nya läkemedel för behandling av infektionssjukdomar, lipidstörningar, neurologiska sjukdomar, kardiovaskulära och metaboliska sjukdomar, immunologiska, inflammatoriska och relaterade sjukdomar samt onkologiska sjukdomar (tabell 1) . Av de läkemedel som godkändes i världen mellan 1981 och 2006 var 5,7 % naturprodukter och 27,6 % naturproduktderivat, medan sju naturprodukter och tolv naturproduktderivat godkändes för användning i klinisk praxis mellan 2005 och 2010 . Traditionell medicin kan emellertid också ge upphov till falska ledtrådar, vilket nyligen har granskats när det gäller kurkumin .

Sjukdomsområde Generiskt namn (handelsnamn) Spårämne År
Antibakteriell Doripenem (Finibax/Doribax®) Thienamycin 2005
Antiparasitära Fumagillin (Flisint®) Fumagillin 2005
Onkologi Romidepsin (Istodax®) Romidepsin 2009
Alzheimers sjukdom Galantamin (Reminyl®) Galantamin 2002
Immunosuppression Mykofenolatnatrium (Myfortic®) Mykofenolsyra 2003
Dyslipidemi Rosuvastatin (Crestor®) Mevastatin 2003
Smärta Capsaicin (Istodax®) Capsaicin 2009
Diabetes Exenatid (Byetta®) Exenatid 2006
Tabell 1. Exempel på naturprodukter och naturproduktderivat som för närvarande används kliniskt.

Selektion av en organism

Naturliga föreningar har hög kemisk mångfald. De kommer från olika organismer. Valet av växter, mikroorganismer, svampar eller andra organismer för undersökning av nya föreningar tenderar att baseras på slumpmässig screening, val av specifika taxonomiska grupper, en kemotaxonomisk grupp av sekundära metaboliter som alkaloider, databasövervakning av en artsamling eller etnomedicinsk metod. Flera läkemedel har sitt ursprung i etnobotanisk användning .

Provsamling

0,3 till 1 kg torkad växt eller 1 kg våtvikt av marina prover bör samlas in från olika delar av organismen. Om provet måste samlas in på nytt bör det ske i samma lokalisering och vid samma tidpunkt under dagen, eftersom olika livsmiljöer kan leda till olika sekundära metaboliter. Det är också viktigt att deponera ett representativt exemplar i ett centralt arkiv för senare åtkomst. Förutom växter har under det senaste decenniet intresset för svampar, cyanobakterier av marint ursprung och utvecklingen av tekniker för ”genome mining” för odling av mikroorganismer i laboratoriet lett till upptäckten av nya naturprodukter .

Extraktion

Extraktionsprotokollen skiljer sig åt från laboratorium till laboratorium. Den första extraktionen av växter sker vanligtvis med ett polärt lösningsmedel, som metanol eller etanol. Den utsätts sedan för en avfettningsprocess genom separation med ett opolärt lösningsmedel, till exempel hexan eller petroleumeter. Extraktet fördelas mellan ett halvpolärt lösningsmedel, t.ex. kloroform eller diklormetan, och ett polärt vattenlösningsmedel. Marina och akvatiska organismer extraheras färska med metanol eller diklormetan. Vegetabiliska tanniner måste avlägsnas från extrakten. De kan leda till proteinutfällning och enzymhämning, vilket stör de biologiska testerna.

Purifiering och isolering

Separation av den aktiva substansen sker med hjälp av flera kromatografiska tekniker. Högtrycksvätskekromatografi (HPLC) och dess koppling till screeninganalyser med hög genomströmning (HST) förenklar rening och isolering av aktiva föreningar. Föreningarna identifieras med hjälp av kärnmagnetisk resonans (NMR) och masspektrometri (MS). När dessa tekniker kombineras med vätskekromatografi (LC) kan biologiskt aktiva föreningar renas samtidigt och få sin struktur klarlagd. Den aktiva föreningens rening och isolering mäts genom biologiska tester. HTS-analyser kan utvärdera ett stort antal extrakt eller föreningar i ett cellbaserat eller icke-cellbaserat sammanhang.

Inom HPLC har en ny metod som kombinerar motströmskromatografi med hög hastighet (HSCCC) och storleksuteslutningskromatografi med Sephadex LH-20 tillämpats effektivt för att extrahera neuroprotektiva föreningar från den marina brunalgen Ecklonia maxima . De isolerade föreningarnas struktur kontrollerades med NMR och MS.

Den stora utmaningen vid utveckling av naturliga föreningar är att få fram betydande mängder för vidare utveckling. Återinsamling av ursprungsarter, eller växtvävnadskultur, eller odling och jäsning i stor skala för mikrober av terrestriskt ursprung kan producera föreningarna i stor skala . Naturliga föreningar kan också syntetiseras. Kawano S et al har till exempel lyckats med totalsyntesen av en av halichondrinerna, en grupp strukturellt komplexa naturprodukter som isolerats från olika marina svampar, och har löst problemet med begränsad materialförsörjning .

Kalkylkemi

Molekylärmodellering, eller mer generellt, beräkningskemi, har blivit en väletablerad del av läkemedelsutvecklingen. Molekylär modellering söker nya molekyler, baserat på en teoretisk plattform eller genom screening av ett bibliotek. Kristallografisk och/eller NMR-information om receptorer och specifika mål, t.ex. om CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator), gör det möjligt att med hjälp av molekylärmodelleringsteknik utforma nya molekyler för målet. Andra metoder använder kända aktiva molekyler som mål och utformar nya molekyler eller söker i biblioteken efter liknande molekyler (figur 2).

Modellering av protein-proteininteraktioner (PPI) håller på att bli ett värdefullt verktyg för utveckling av nya terapeutiska strategier som är inriktade på selektiva PPI-modifierare. En ny metod kombinerar till exempel tvärbindande masspektrometri med modelleringsmetoder för att generera antikroppshämmare av samspelet mellan R7BP, en regulator av klåda, och RGS7/Gβ5 . Den hämmande aktiviteten utvärderades med hjälp av ytplasmonresonansspektroskopi.

Medicinsk kemi figur 2

Figur 2. Beräkningskemiska metoder för utveckling av nya läkemedel.

De funna ”hit”-molekylerna kan antingen syntetiseras i laboratoriet eller köpas in. Efter utvärdering och avslöjande av struktur-aktivitetsförhållandet (SAR) kan nya studier av molekylär modellering utföras för att hitta en mer aktiv molekyl eller för att optimera den funna molekylen (figur 2).

Datorkemi bygger på visualisering och manipulering av tredimensionella molekylära modeller. Rotation av bindningar, strukturuppbyggnad, molekylära mekanismer och/eller dynamik, konformationsanalys, elektroniska egenskaper, visning av molekylära ytor och beräkning av olika fysiska egenskaper är möjliga genom molekylär modellering. De tekniker som används är simuleringar av molekylära mekanismer och molekylär dynamik, Monte Carlo-tekniker, liganddockning och virtuella screeningmetoder.

De nuvarande toppmoderna systemen gör det möjligt att arbeta med mer än 20 molekyler och tusentals molekylära ytpunkter i realtid. Varje molekyl kan färgmärkas och kontrolleras i tre dimensioner, där de intramolekylära avstånden och de icke sammanhängande dihedrala vinklarna kan justeras och övervakas. Form, laddning och hydrofobicitet hos atomerna i molekylen kan också simuleras. Den elektrostatiska potentialgradienten eller det elektriska fältet kan också visas grafiskt med hjälp av korta vektorer. Molekylär modellering kräver make-bond, break-bond, fuse rings, delete-atom, add-atom, add-hydrogens, invert chiral center osv. Dessa operationer bör möjliggöra en förfinad struktur för ett valt mål.

En fragmentbaserad förstärkningsinlärningsmetod har genomförts för att utforma nya föreningar med specifika funktioner . Denna metod, deep fragment-based multi-parameter optimization, använder nätverk med långt korttidsminne för att skapa nya molekyler med erforderliga egenskaper från ledande föreningar genom att modifiera deras delar. En aktör-kritisk modell, som är grunden för denna metod, implementerar temporal difference learning.

Vissa system har utvecklats för att lagra och hämta den information som genereras av molekylär modellering. Antalet nya molekyler som genereras genom molekylär modellering kan uppgå till tusentals för ett mål, vilket gör syntesen och den biologiska utvärderingen av alla dessa nya molekyler till en utmaning. Utvecklingen av virtuella screeningar gjorde det möjligt att övervinna det tidigare problemet. Efter utvärderingen av den virtuella screeningen skulle endast de molekyler som har den önskade biologiska aktiviteten syntetiseras eller köpas in för vidare biologisk utvärdering.

Klickkemi

Klickkemi är en ny metod för att syntetisera läkemedelsliknande föreningar som kan potentiera upptäckten av läkemedel genom att utnyttja praktiska och okomplicerade reaktioner. Till exempel har biomimetiska hydrogeler syntetiserats för hydrogel geleringsbaserad cellinkapsling . Syntesen har utförts genom att hyaluronsyra och kondroitinsulfat kopplas samman med polyetylenglykoldiakrylat och genom att glykosaminoglykanernas tiolgrader modifieras. Inkapslingen har visat hög cellviabilitet och har varit effektiv för att studera 3D-cellresponser.

Det har också tillämpats klickkemiteknik i kombination med flödescytometribaserad screening för att generera aptamerer . Detta tillvägagångssätt uppvisar flera fördelar, t.ex. förmågan att utföra en mängd olika kemiska modifieringar och att screena ett stort antal aptamerer. Framför allt har aptamerer med hög affinitet för epinefrin och concavalin A genererats.

Kemiska databaser

En mängd föreningar syntetiseras och utvärderas biologiskt nästan dagligen. Under de senaste åren har omkring 2 000-3 000 föreningar publicerats i de viktigaste tidskrifterna om läkemedelskemi.

PubChem, CheMBL och BindingBD är offentliga databaser över föreningar och deras bioaktivitet. Andra databaser som ChemBank och IUPHARDB finns också tillgängliga (tabell 2). Drug Repurposing Hub och ZINC15 används för virtuell screening, t.ex. för att hitta nya antibiotika.

National Institute of Health (NIH) grundade 2004 databasen PubChem, ett offentligt bibliotek som innehåller mer än 33 miljoner föreningar. Huvudsyftet med denna databas är att samla in och sprida information om små molekylers biologiska aktiviteter. Databasen började med att samla in de bioassays som utfördes vid NIH, idag accepterar den data från andra källor, t.ex. depositioner. PubChem innehåller inte information från litteraturen, men införlivandet av data från CheMBL och BindingBD gör det möjligt att få tillgång till flera uppsättningar av kurerade litteraturdata . I september 2019 innehåller databasen 96 324 655 föreningar, 235 712 478 ämnen, 1 067 644 bioassays, 268 177 463 bioaktiviteter, 17 847 proteinmål och 58 029 genmål.

Databasens namn Antal föreningar webbplats
PubChem 96 miljoner http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/
CheMBL 1.87 miljoner https://www.ebi.ac.uk/chembl/
BindingBD 0.76 miljoner http://www.bindingdb.org/bind/index.jsp
ChemSpider 76 miljoner http://www.chemspider.com/
DrugBank 13,370 http://www.drugbank.ca/
SwissADME http://www.swissadme.ch/
Tabell 2. Utvalda exempel på kemiska databaser, i september 2019.

CheMBL inleddes med en uppsättning kommersiella produkter och blev offentlig i januari 2010. Detta bibliotek fångar in data från litteraturen inom medicinsk kemi. Inom ramen för denna databas finns protein-ligand-affiniteter och cellbaserade data. På senare tid har ChEMBL införlivat terapeutiska proteiner och andra typer av läkemedel utöver data om små molekyler. ChEMBL24_1 release innehåller 1 879 206 föreningar, 1 125 387 analyser, 12 481 mål och 72271 dokument, per september 2019.

BindingBD har sitt ursprung i en akademisk miljö i slutet av 1990-talet. Denna databas fokuserade ursprungligen på små molekyler med rapporterad biologisk aktivitet. BindingBD fokuserar på analysförhållanden och faktorer som rapporterats påverka resultatet av analysen, t.ex. pH, temperatur och substrat. Virtuell screening kan utföras direkt med hjälp av verktygen på BindingBD:s webbplats . I september 2019 innehåller BindingDB 1 714 438 bindningsdata, för 7 336 proteinmål och 761 317små molekyler.

Med det ökande antalet föreningar som publiceras varje år är betydelsen av kemiska bibliotek med fri tillgång vid upptäckt av läkemedel avgörande.

Kombinatorisk kemi

Kombinatorisk kemi definieras som laboratoriesyntes eller beräkningsstödd design av ett stort antal molekyler med utgångspunkt i en enda stomme. Stommen bör ha olika punkter för modifiering genom att kombineras med kända molekyler eller molekyler som härrör från en molekylärmodelleringsstudie. Kombinatorisk kemi har använts för att optimera en ledande förening.

En av de bästa metoderna inom kombinatorisk kemi är att använda en central ställning med flera substituenter, som kan modifieras oberoende av varandra. Detta tillvägagångssätt ökar möjligheten att hitta en ”hit”-molekyl, eftersom de syntetiserade molekylerna har en högre molekylär mångfald .

Parallelsyntes, en metod inom kombinatorisk kemi, gör det möjligt att bilda en stor uppsättning föreningar. Den bildade blandningen kan testas med avseende på biologisk aktivitet. Om blandningen inte har någon aktivitet kan den arkiveras och senare testas för andra biologiska aktiviteter. När blandningen visar sig vara aktiv blir utmaningen att isolera den aktiva föreningen. En av nackdelarna med syntetiska molekyler i kombinationskemi är att de har dålig mångfald jämfört med naturliga föreningar .

De flesta kombinatoriska synteser utförs med hjälp av tekniker i fast fas. Utgångsmaterialet är bundet, direkt eller genom en länkare, till en pärla. Reagenserna tillsätts och produkten bildas. Detta förfarande kan upprepas flera gånger med den tidigare bildade produkten som utgångsmaterial (figur 3). Produkten kan avlägsnas från pärlan eller testas direkt med pärlan fästad för biologisk aktivitet. Pärlan minskar sidoreaktioner och bildning av biprodukter. Länkarna bör vara motståndskraftiga mot reaktionsförhållanden och lätta att avlägsna efter syntesen.

Medicinsk kemi figur 3

Figur 3. Förenklat schema för kombinatorisk kemi.

De enkla teknikerna för kombinatorisk kemi gör det möjligt att syntetisera en produkt per kärl. Mer komplexa metoder, t.ex. blandad kombinatorisk syntes, gör det möjligt att syntetisera komplexa blandningar. Manuella tekniker för syntes av en förening per kärl, t.ex. Houghtons tepåseförfarande, används fortfarande. Automatiserad parallell syntes är för närvarande den mest använda metoden.

Syntesen av stora mängder av olika föreningar sker ofta med hjälp av mix and split-tekniken. I denna metod delas den första blandningen av syntetiserade föreningar upp i n delar, de n delarna utsätts återigen för en ny modifiering, varvid z nya blandningar syntetiseras (z = n × antalet olika modifieringar). Detta förfarande kan upprepas tills antalet önskade modifieringar är uppnått. Blandningarna kan testas innan en ny modifiering utförs. Detta kommer att utesluta blandningar där ingen biologisk aktivitet observeras, vilket gör att ytterligare modifiering undviks.

När en blandning är biologiskt aktiv kan mikromanipulering, rekursiv dekonvolution och sekventiell frisättningsteknik användas för att separera den/de aktiva föreningen/föreningarna. Identifiering och strukturell belysning utförs efter isolering av den eller de aktiva föreningarna.

Utvärderingen av de bibliotek som genereras med hjälp av kombinatorisk kemi görs vanligen med hjälp av HTS . Screeningmetoder som använder fluorescens och kemoluminescens håller på att utvecklas, vilket gör det möjligt att samtidigt identifiera de aktiva föreningarna.

Kombinatorisk kemi ger också tydliga fördelar för nanomaterialforskningen. Den hjälper särskilt till att utföra kiralitetsstyrd syntes. En nyligen utvecklad metod gör det möjligt att sätta samman kolnanorörprekursorer med alla möjliga kiraliteter i ett enda steg. Generering av prekursorerna följs av fixering på metallytan, cyklodehydrering och förlängning av kolnanorör med fastställd kiralitet.

Farmaceutisk bioteknik

Farmaceutisk bioteknik är ett nytt område inom läkemedelskemin, där nya terapeutiska och diagnostiska produkter framställs. De vanligaste produkterna är peptider och proteiner, hormoner av olika ursprung och enzymer, inklusive vacciner och monoklonala antikroppar (tabell 3). Upptäckten av nya läkemedel inom läkemedelsbiotekniken sker genom genomik, transkriptomik, proteomik, farmakogenomik och metabolik.

Sjukdomsområde Generiskt namn (handelsnamn) Typ av bioprodukt
Typ II diabetes Exenatid (Byetta®) Peptid
Onkologi (Prostatacancer) Degarelix (Firmagon®) Peptid
Osteoporos Teriparatid (Forteo®) Hormon
Typ I diabetes Glukagon (GlucaGen®) Hormon
Hepatit C Consensus Interferon (IFN Alfacon-1®) Enzym
Rheumatisk artrit Anakinra (Kineret®) Enzym
Polio Polio (Ipol®) Vaccin
Mässling Rubella (Meruvax®) Vaccin
Lupus Belimumab (Benlysta®) Monoklonal antikropp
Astma Omalizumab (Xolair®) Monoklonal antikropp
Tabell 3. Några exempel på biotekniska läkemedelsprodukter som för närvarande används kliniskt.

Optimering av en ledande substans

Optimeringen av en ledande substans kan göras efter att en ”hit”-substans har hittats genom biologisk utvärdering. Optimeringen syftar till att förbättra läkemedlets absorption, distribution, metabolism och utsöndring (ADME-egenskaper), minska toxiciteten och förbättra effekten.

Optimeringen kan göras genom kemisk syntes, beräkningskemi eller/och kombinatorisk kemi. Dessa bör ta hänsyn till SAR-studierna och den preliminära verkningsmekanismen. Ledningsoptimering kan styra forskningen mot syntesen av en ny farmakofore eller en mer aktiv molekyl (figur 1). De tekniker som används för optimering av ledtrådar överlappar med upptäckt av läkemedel.

En ledande förening kan modifieras genom sina funktionella grupper för att uppnå bättre absorption, undvika enzymatisk nedbrytning och förbättra utsöndringsprofilen. Förbättringen av absorptionen kan ske genom syntes av ett pro-drug. För att undvika enzymatisk nedbrytning kan målgruppen modifieras så att den blockerar verkan av ett viktigt metaboliskt enzym. Utsöndringsprofilen kan förbättras genom kemisk modifiering av huvudföreningen för att t.ex. minska bindningen till albumin. Organisk syntes kan också förbättra de farmakologiska egenskaperna hos en huvudmolekyl genom att öka bioaktiviteten och minska biverkningarna.

Den ledande föreningen kan modifieras genom kombination med en serie molekyler från kemiska bibliotek eller från molekylär modellering. Detta kan åstadkommas med hjälp av de tidigare beskrivna tekniker för kombinatorisk kemi. Detta förfarande är särskilt användbart för ledmolekyler med olika funktionella grupper, som kan modifieras oberoende av varandra genom blandnings- och uppdelningstekniker. Modifieringar som utförs med hjälp av kombinatorisk kemi kan förbättra ADME-egenskaperna och öka ledmolekylens specificitet och effektivitet.

Den beräkningsbaserade moduleringen av en ledande molekyl kan öka specificiteten när den strukturella 3D-bilden av målet finns tillgänglig, vilket anpassar molekylen till målet. Användningen av beräkningskemi för att producera nästan perfekta anpassningar för ett mål minskar också sannolikheten för biverkningar och toxicitet. Beräkningskemi är också användbart för att skapa och screena praktiskt taget ledande föreningar med bättre absorptionsegenskaper och mindre metabolisk nedbrytning.

Naturliga föreningar kan bli föremål för blyoptimering, med kemiska modifieringar, optimering av formuleringen och förbättring av farmakokinetiken. Det är relevant att hänvisa till att vissa viktiga SAR-slutsatser kan uppnås genom observation av den biologiska aktiviteten hos de föreningar som isolerats parallellt med huvudföreningen .

De föreningar som valts ut från molekylär modellering och screening av kemiska och kombinatoriska bibliotek kan bli föremål för optimering med hjälp av de beskrivna teknikerna. Detta syftar till att förbättra föreningarnas farmakokinetiska och farmakologiska egenskaper. SAR mellan de olika föreningarna kan också dras i denna fas.

Studier kring en potentiell läkemedelskandidat kan alltid återvända till utvecklingen av huvudmolekylen vid varje given punkt i de prekliniska och kliniska studierna. Samspelet mellan olika områden som kemi, biologi, biokemi, farmakologi och medicin bidrar till framgångsrik läkemedelsdesign.

Deklarationer

Dr Konstantin Yakimchuk uppdaterade artikeln och lade till avsnitt om klickkemi i september 2019.

Lämna ett svar

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.