Nowoczesne metody projektowania leków - chemia kombinatoryczna

Prezentacja na temat: "Nowoczesne metody projektowania leków - chemia kombinatoryczna"— Zapis prezentacji:

1 Nowoczesne metody projektowania leków - chemia kombinatoryczna

2 Chemia kombinatoryczna
Nowatorska technika jednoczesnego wytwarzania wielu pokrewnych substancji

3 Metody klasyczne Tradycyjna strategia odkrywania leków polega na poszukiwaniu choćby śladów żądanej aktywności niemal we wszystkim, co badacz napotka. Testowane są zatem przeróżne związki syntetyczne, a także naturalne – izolowane z bakterii, roślin i innych źródeł.

4 Po zidentyfikowaniu dobrze rokującej substancji (nazwijmy ją wyjściową) chemicy pracowicie krok po kroku modyfikują początkową strukturę i badają chemiczne i biologiczne właściwości nowego związku.

5 Metoda ta prowadzi często do leków o zadowalającej skuteczności i bezpieczeństwie stosowania. Jednak każdy niemal specyfik wymaga gigantycznego wysiłku badaczy, którzy wcześniej musieli przetestować i odrzucić tysiące innych związków. Jest to zatem strategia zabierająca czas i bardzo kosztowna.

6 Wraz z rozwojem medycyny wzrasta jednak zapotrzebowanie na nowe farmaceutyki. Aby je wynaleźć, naukowcy muszą mieć znacznie więcej związków do testowania, jak również więcej możliwości wyszukania substancji wyjściowych, które będą wymagać jak najmniej modyfikacji.

7 Chemia kombinatoryczna odpowiada na te potrzeby, pozwalając na szybką syntezę nawet milionów strukturalnie pokrewnych cząsteczek. Co więcej, nie są to jakieś dowolne substancje, lecz te, po których chemik, znając cechy elementów wyjściowych, oczekuje określonych właściwości.

8 CHEMIA KOMBINATORYCZNA
Mieszanie i łączenie molekularnych cegiełek, pozwala na szybkie wytwarzanie wielkiej liczby rozmaitych struktur. Wyspecjalizowany robot dawkuje odczynniki, z których powstanie obszerny zbiór związków chemicznych.

9 Badanie aktywności otrzymywanych produktów wskazuje, które z kombinacji są najtrafniejsze. Potencjalne leki szybciej niż kiedykolwiek przedtem trafiają do prób klinicznych, a koszt ich uzyskania również maleje.

10 Biblioteki kombinatoryczne – czyli jak znaleźć właściwą substancję
W tym celu wykorzystuje się standardowe reakcje chemiczne, dzięki którym ze zbioru elementów wyjściowych powstają rozmaite większe struktury. Jako uproszczony przykład rozważmy cztery cząsteczki: A1, A2, B1 i B2. Przyjmujemy, że A1 i A2 mają podobną budowę, czyli należą do tej samej klasy. Natomiast B1 i B2 przypisujemy do innej klasy związków chemicznych.

11 A1 B2 A2 A2-B2 A2-B1 A1-B2 A1-B1 B1 Zakładamy, że cząsteczki z klasy A i B mogą wzajemnie reagować, tworząc nowe związki typu A-B. Spodziewamy się, że niektóre z nich mogłyby się okazać  skutecznymi lekami. Procedury chemii kombinatorycznej pozwalają nam z łatwością otrzymać wszystkie możliwe kombinacje: A1-B1, A1-B2, A2-B1 i A2-B2.

12 W rzeczywistości chemicy pracują ze znacznie większą liczbą cząsteczek
W rzeczywistości chemicy pracują ze znacznie większą liczbą cząsteczek. Możemy na przykład wybrać 30 strukturalnie pokrewnych związków, które łączy obecność grupy aminowej (-NH2), oraz 30 innych zawierających grupę karboksylową (-COOH). Następnie, zapewniwszy odpowiednie warunki reakcji, „krzyżujemy” każdą aminę z każdym kwasem karboksylowym. Otrzymujemy 30 x 30 = 900 różnych kombinacji, związków, które będą amidami (-CONH-).

13 I więcej możliwych kombinacji związków
Gdybyśmy dodali jeszcze trzeci zestaw zawierający 30 elementów, wówczas liczba końcowych struktur wzrosłaby do 27 tys. (30 x 30 x 30). Użycie więcej niż 30 związków w każdym zestawie spowodowałoby dalszy bardzo szybki przyrost liczby możliwych kombinacji. I więcej możliwych kombinacji związków 30 x 30 x 30 = 27 tys 30 x 30 = 900

14 Synteza równoległa

15 Poszukiwacze leków mają do dyspozycji dwie podstawowe techniki kombinatoryczne. Pierwsza nosi nazwę syntezy równoległej; wynalazł ją w połowie lat osiemdziesiątych H. Mario Geysen związany obecnie z Glaxo Wellcome.

16 Geysen stosował początkowo swą metodę do ustalenia, który fragment dowolnego dużego białka wiąże się z przeciwciałem. Wytworzył więc całą gamę krótkich fragmentów białkowych, czyli peptydów, poprzez liczne permutacje aminokwasów.

17 Dzięki dziesiątkom, a czasem setkom reakcji przebiegających jednocześnie i sprawdzaniu, czy uzyskane peptydy wiążą się z badanym przeciwciałem, zdołał szybko wyłowić reaktywne struktury spośród ogromnej liczby cząsteczek.

18 Produkty uzyskiwane techniką syntezy równoległej powstają w oddzielnych naczyniach reakcyjnych. Aby ułatwić sobie zadanie, chemicy stosują często tzw. płytkę mikromiareczkową, plastikowy arkusz z wgłębieniami o pojemności kilku mililitrów uszeregowanymi w 8 rzędów i 12 kolumn. Płytki 96, 384 i 1536 dołkowe

19 Aby otrzymać na przykład serię amidów przez łączenie ośmiu różnych amin z dwunastoma kwasami karboksylowymi, należy wkroplić pierwszą aminę do studzienek w pierwszym rzędzie, drugą do drugiego rzędu itd., a następnie dodać kwasy karboksylowe, każdy z nich do jednej z dwunastu kolumn. Z 20 elementów można zatem w ten sposób otrzymać bibliotekę 96 różnych związków chemicznych.

20 Syntezę kombinatoryczną chemicy zaczynają
często od przyłączenia pierwszego zestawu elementów do chemicznie obojętnych, mikroskopijnych perełek polistyrenowych (często nazywanych podłożem stałym). Nie przereagowany materiał jest odmywany po każdej reakcji; pozostają jedynie zakotwiczone produkty. Korzyści płynące z łatwego oczyszczania przeważają nad komplikacjami związanymi z koniecznością osadzania związków na podłożu i późniejszego ich uwalniania.

21 Core – RDZEŃ – zwykle kulka polistyrenowa
Spacer – ODSTĘPNIK – nie zawsze obecny; jest to zwykle glikol polietylenowy TentaGelTM lub AgroGelTM) Linker – ŁĄCZNIK – nie zawsze obecny; ułatwia uwolnienie zsyntetyzowanej substancji (ustawiając ją w pozycji prostopadłej do rdzenia) Scaffold – SZKIELET – czyli syntetyzowana substancja, uwalniana po syntezie

22 Przykładowe łączniki

23

24 POLISTYRENOWE KULECZKI (widoczne tutaj w około 100-krotnym powiększeniu) to
standardowy rekwizyt chemii kombinatorycznej. Produkty reakcji przyczepione do ich powierzchni łatwo jest odseparować od zbędnego, nie przereagowanego materiału. Fotografia przedstawia wynik testu aktywności biologicznej; kolor czerwony sygnalizuje obecność syntetycznego receptora steroidów.

25 Rutynowe operacje w syntezie równoległej, takie jak wkraplanie odczynników do odpowiednich studzienek, w wielu laboratoriach powierza się dziś wyspecjalizowanym robotom. Dzięki temu proces staje się dokładniejszy i mniej pracochłonny.

26 Czas potrzebny do zakończenia syntezy równoległej zależy od liczby produkowanych związków; jej podwojenie wydłuża go niemal dwukrotnie. Te praktyczne względy ograniczają wielkość tworzonych bibliotek najwyżej do kilkudziesięciu tysięcy związków chemicznych.

27 Synteza równoległa

28

29

30

31 Synteza typu split-and-mix
- dziel i mieszaj

32 Inny sposób tworzenia kombinatorycznych bibliotek, znany pod angielską nazwą split-and-mix (dziel i mieszaj), zaproponował w końcu lat osiemdziesiątych Arpad Furka, obecnie pracujący w firmie Advanced Chem- Tech w Louisville (Kentucky).

33 Inaczej niż w syntezie równoległej, podczas której każdy związek pozostaje w odrębnym naczyniu, w technice split-and-mix otrzymujemy mieszaninę wielu produktów.

34 Dzięki temu potrzeba mniej naczyń reakcyjnych, a liczba produktów rośnie nawet do kilku milionów. Ceną są trudności z identyfikacją i testowaniem biologicznej aktywności poszczególnych związków w złożonych mieszaninach.

35 Synteza typu split-and-mix

36

37

38

39 Kilka firm farmaceutycznych zautomatyzowało także procedurę split-and-mix. Jedno z pierwszych tego typu urządzeń (opracowane w laboratoriach firmy Chiron) potrafi syntetyzować milion związków w ciągu kilku tygodni. Specjalny robot zajmuje się dozowaniem odczynników, mieszaniem i porcjowaniem stałego podłoża.

40 W celu identyfikacji chemicy mogą odizolować polistyrenowe kuleczki związane z pożądaną substancją aktywną, później zaś posłużyć się czułymi metodami analitycznymi, aby ustalić  jej budowę. Niestety, metoda ta może być stosowana tylko w wypadku niektórych związków, takich jak peptydy lub krótkie fragmenty DNA.

41 Dla innych substancji badacze opracowali metody oznaczania perełek chemicznymi „etykietami” - swego rodzaju odpowiednikiem kodu kreskowego - z których można odczytać historię dodawania kolejnych elementów. Odczytanie etykiety jest jednoznaczne z identyfikacją zakotwiczonych substancji.

42 Kłopoty z identyfikacją związków są jednak poważne, dlatego większość firm poprzestaje dziś raczej na syntezie równoległej.

43 Biblioteki leków

44 ROBOT w Arris Pharmaceutical automatycznie przesuwa płytki mikromiareczkowe z
bibliotekami kombinatorycznymi do urządzenia, które testuje ich aktywność biologiczną.

45 Obie metody syntezy kombinatorycznej debiutowały jako sposób tworzenia peptydów. Cząsteczki te, choć bardzo istotne dla organizmu, nie są zbyt przydatne jako leki, ponieważ rozkładają się w jelitach, trudno się wchłaniają w żołądku i szybko znikają z krwiobiegu.

46 Intensywne zainteresowanie chemią kombinatoryczną pojawiło się wówczas, gdy zrozumiano jej przydatność do syntezy uznanych farmaceutyków, takich jak związki z grupy benzodiazepin. Benzodiazepiny należą do najczęściej przepisywanych leków. Najlepiej znanym przykładem jest diazepam (relanium, valium), lek uspokajająco-nasenny.

47 Aktywność biologiczną przejawia jednak również wiele innych pokrewnych związków, które mogą działać przeciwdrgawkowo, pobudzająco, przeciwzakrzepowo (antagonistycznie do czynnika pobudzającego płytki krwi). Należą też do nich inhibitory enzymu odwrotnej transkryptazy wirusa HIV oraz inhibitory farnezylotransferazy białka Ras (enzymu uczestniczącego w procesach nowotworowych).

48 Wielość zastosowań sprawiła, że benzodiazepiny były pierwszą grupą związków, w której poszukiwano nowych leków metodami chemii kombinatorycznej. Jonathan A. Ellman (z University of California) przedstawił w 1992 roku wraz z Barrym Buninem (także z University of California w Berkeley) sposób syntezy benzodiazepin na stałym podłożu. Otwarto w ten sposób drogę do tworzenia bibliotek zawierających tysiące potencjalnie użytecznych pochodnych.

49 Najtrudniejszym zadaniem podczas projektowania syntez kombinatorycznych jest wybranie warunków eksperymentalnych, gwarantujących minimalizację reakcji ubocznych, a tym samym - niski poziom zanieczyszczeń. Przykładowo optymalizacja wszystkich Parametrów zajęła Elmanowi i Buninowi ponad rok, później zdołali wytworzyć  metodą równoległej syntezy związków w ciągu zaledwie dwóch miesięcy.

50 Obiecujące substancje

51 Odkąd została wykazana przydatność technik kombinatorycznych do syntezy potencjalnych leków, przemysł farmaceutyczny zaczął realizować nowe projekty badawcze. W ciągu minionych 5 lat powstały dziesiątki niewielkich firm stosujących wyłącznie tę metodę, a prawie wszystkie duże koncerny mają obecnie własne oddziały chemii kombinatorycznej lub współpracują z mniejszymi, wyspecjalizowanymi w tej dziedzinie przedsiębiorstwami.

52 Metody kombinatoryczne uchodzą dziś często za rutynowe, a zastosowanie ich nie ogranicza się, rzecz jasna, tylko do benzodiazepin. Chemicy wykorzystują kombinatoryczne biblioteki małych cząsteczek organicznych jako źródło obiecujących substancji wyjściowych bądź do optymalizacji aktywności znanego już specyfiku.

53 Podczas poszukiwań nowej substancji wyjściowej powstają często bardzo obszerne biblioteki, z dziesiątkami tysięcy lub nawet milionami produktów końcowych. Natomiast biblioteki służące zwiększeniu skuteczności lub bezpieczeństwa stosowania istniejącego specyfiku są z reguły znacznie mniejsze, kilkusetskładnikowe.

54 Kilka firm farmaceutycznych przystąpiło już do klinicznego testowania leków, które odkryto dzięki metodom chemii kombinatorycznej. Za przykład może służyć preparat opracowany w firmie Pfizer. Tradycyjne metody doprowadziły tam w 1993 roku do odkrycia substancji wyjściowej, która skutecznie zapobiegała miażdżycy tętnic.

55 Następnie dzięki syntezie równoległej w ciągu niecałego roku jedno z laboratoriów Pfizera wytworzyło ponad tysiąc związków pochodnych; niektóre z nich działały nawet 100 razy silniej niż substancja wyjściowa. Warto dodać że naukowcy musieli otrzymać ponad 900 substancji, zanim dostrzegli zwiększenie pożądanej aktywności biologicznej. Prawie 1000 związków wyprodukowano więc na darmo. Przy stosowaniu tradycyjnych metod syntezy, polegających na modyfikacjach krok po kroku, niewiele laboratoriów mogłoby sobie pozwolić  na podobne nieliczenie się z czasem i pieniędzmi.

56 Szukając środka przeciw bólom migrenowym, również chemicy z firmy Eli Lilly Posłużyli się syntezą równoległą. Dysponowali substancją wyjściową, która chętnie łączyła się z docelową strukturą biochemiczną (receptorem). Obawiano się jednak niepożądanych efektów ubocznych, wykazywała ona bowiem także silne powinowactwo do innych, pokrewnych receptorów. Po zsyntetyzowaniu około 500 pochodnych tej substancji wyłowiono obiecujący lek, poddawany obecnie testom klinicznym.

57 Inne zastosowania

58 Chociaż głównym nurtem jest uzyskiwanie nowych leków, chemia kombinatoryczna zaczyna wywierać wpływ również na dziedziny pokrewne - zwłaszcza chemię nowych materiałów.

59 Peter G. Schultz i jego współpracownicy z University of California w Berkeley użyli procedur kombinatorycznych do określenia składu nadprzewodników wysokotemperaturowych.

60 Inni wykorzystują te metody do otrzymywania ciekłych kryształów znajdujących zastosowanie w płaskich wyświetlaczach oraz przy poszukiwaniu substancji do baterii cienkowarstwowych. Zespoły badawcze mają nadzieję szybko i tanio produkować nowe, użyteczne materiały. Bez wątpienia dopiero zaczynamy sobie uświadamiać rzeczywiste możliwości tkwiące w tej technice.

61 KONIEC