Download
1 / 61
630 likes | 910 Views
Nowoczesne metody projektowania leków - chemia kombinatoryczna. Chemia kombinatoryczna. Nowatorska technika jednoczesnego wytwarzania wielu pokrewnych substancji. Metody klasyczne. Tradycyjna strategia odkrywania leków polega na poszukiwaniu cho ćby śladów żądanej aktywności niemal
E N D
Nowoczesne metody projektowania leków- chemia kombinatoryczna
Chemia kombinatoryczna Nowatorska technika jednoczesnego wytwarzania wielu pokrewnych substancji
Metody klasyczne Tradycyjna strategia odkrywania leków polega na poszukiwaniu choćby 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 przetestować 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 mieć znacznie więcej związków do testowania, jak również więcej możliwości wyszukania substancji wyjściowych, które będą wymagać 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.
B1 Zakładamy, że cząsteczki z klasy A i B mogą wzajemnie reagować, tworząc nowe związki typu A-B. Spodziewamy się, że niektóre z nich mogłyby się okazać skutecznymi lekami. Procedury chemii kombinatorycznej pozwalają nam z łatwością otrzymać wszystkie możliwe kombinacje: A1-B1, A1-B2, A2-B1 i A2-B2.
W rzeczywistości chemicy pracują ze znacznie większą liczbą cząsteczek. Możemy na przykład wybrać 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.
Poszukiwacze leków mają do dyspozycji dwie podstawowe techniki kombinatoryczne. Pierwsza nosi nazwę syntezy równoległej; wynalazł ją w połowie lat osiemdziesiątych H. Mario Geysenzwiązany obecnie z GlaxoWellcome.
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 wyłowić reaktywne struktury spośród ogromnej liczby cząsteczek.
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
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 otrzymać 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
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 typusplit-and-mix - 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 AdvancedChem- Tech 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.
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 odczytać 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 działać 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, później zdołali wytworzyć metodą równoległej syntezy 11 200 związków w ciągu zaledwie dwóch miesięcy.
