Transcript Nowoczesne metody projektowania leków

Nowatorska technika jednoczesnego wytwarzania wielu
pokrewnych substancji
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.
Po zidentyfikowaniu dobrze rokującej
substancji (nazwijmy ją wyjściową) chemicy
pracowicie krok po kroku modyfikują początkową
strukturę i badają chemiczne i biologiczne
właściwości nowego związku.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
B1
A1
B2
A2
A1-B1
A1-B2
A2-B1
A2-B2
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-).
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
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.
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.
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.
Płytki 96, 384 i 1536 dołkowe
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.
1
A
B
C
D
E
F
G
H
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
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.
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.
 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
Przykładowe łączniki
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.
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.
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.
Synteza równoległa
- dziel i mieszaj
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 ChemTech w Louisville (Kentucky).
Inaczej
niż w syntezie równoległej, podczas której
każdy związek pozostaje w odrębnym
naczyniu, w technice split-and-mix
otrzymujemy mieszaninę wielu produktów.
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.
Synteza typu split-and-mix
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.
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.
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.
Kłopoty
z identyfikacją związków są jednak poważne,
dlatego większość•firm poprzestaje
dziś raczej na syntezie równoległej.
ROBOT w Arris Pharmaceutical automatycznie przesuwa płytki mikromiareczkowe z
bibliotekami kombinatorycznymi do urządzenia, które testuje ich aktywnośćbiologiczną.
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.
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.
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).
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.
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 11 200
związków w ciągu zaledwie dwóch miesięcy.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Chociaż głównym nurtem jest
uzyskiwanie nowych leków, chemia
kombinatoryczna zaczyna wywierać
wpływ również na dziedziny pokrewne
- zwłaszcza chemię nowych materiałów.
Peter G. Schultz i jego
współpracownicy z University of California
w Berkeley użyli procedur kombinatorycznych
do określenia składu nadprzewodników
wysokotemperaturowych.
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.