Slides File - Università di Torino

Il problema ADME nella
progettazione di farmaci
antitumorali: linee guida e
applicazione di strategie chimicofarmaceutiche nella predizione
dell’uptake cellulare di complessi del
platino
Giulia Caron
Dip.to Biotecnologie Molecolari e Scienze per la Salute
Università di Torino
[email protected]
www.cassmedchem.unito.it
1
Informazioni pratiche sul
materiale delle lezioni
• Lezione organizzate in due parti
• Parte teorica
• Parte metodologica
• Su Moodle
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• Materiale multimediale
• Bibliografia e sitografia
2
Il problema ADME nella
progettazione di farmaci
antitumorali: linee guida
3
INTRODUZIONE
4
Farmaci antitumorali
Tradizionali
•
•
•
•
Big Pharma
Peso molecolare < 1000Da
Es. complessi del platino
Sintesi chimica: stesso lab
stesso risultato
• Purificazione: strategie std
• Stabilità: possibile la
degradazione
• Immunogenicità: non
dipende dal tipo di
produzione
Biotecnologici
•
•
•
•
Biotech
Peso molecolare > 5000Da
Es. rituximab (2OSL)
Sintesi biotech: lab diversi,
risultato diverso
• Purificazione: dipende da
m.o. utilizzato
• Stabilità
• Immunogenicità: dipende
dal tipo di produzione
5
Farmaci antitumorali tradizionali
6
Foye's Principles of Medicinal Chemistry , VI Ed
Farmaci antitumorali biotech
INDICAZIONE TERAPEUTICA
PRIONCIPO ATTIVO
NOME COMMERCIALE
Diagnostica malattie
Sulesomab, Nofetumomab,
Capromab Pendetide
Leukoscan®, Verluma®, Prostascin®
Tumori
Rituximab, Trastuzumab,
Rituxan®, Mabthera®, Herceptin®,
Alemtuzumab, Cetuximab,
MabCampath®, Erbitux®, Zevalin®,
Ibritumomab
Avastin®
tiuxetan, Bevacizumab, Panitumu
mab, Vectibix
Artrite reumatoide
Infliximab, Adalimumab,
Certolizumab Pegol, Golimumab
Remicade®, Humira®, Trudexa®,
Cimzia®, Simponi®
Anti-rigetto
Basiliximab, Daclizumab
Simulect®, Zenapax®
Psoriasi
Virus
Asma
Malattie rare (AMD, PNH, CAPS)
Efalizumab
Palivizumab
Omalizumab
Ranibizumab,
EculizumabCanakinumab
Raptiva®
Synagis®
Xolair®
Lucentis®, Soliris®, Ilaris®
7
Drug Discovery moderno
Trend
T
B
Soluzione
T
B
8
peptidi o peptidomimetici
Peptidi come farmaci
Vantaggi
Alta potenza
Alta selettività
Ampio spettro di bersagli
Minore tossicità delle piccole
molecole (teorica)
Basso accumulo nei tessuti
Ampia diversità chimica e
biologica
Svantaggi
Bassa stabilità a seguito del
metabolismo
Bassa permeabilità attraverso le
membrane
Bassa biodisponibilità per via
enterale
Alti costi di produzione
Rapida rimozione dal circolo
(clearance alta)
Bassa solubilità (alcuni composti)
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La tecnologia del DNA ricombinante
• Consiste
nell’inserire
un
segmento di DNA all'interno
di un organismo ospite,
permettendo la combinazione
di geni provenienti da specie
molto distanti tra loro:
• Es. inserimento di un gene
umano che codifica per la
proteina da produrre come
farmaco, in un organismo
ospite, fatto poi crescere in
un fermentatore industriale
per produrre la proteina
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ADME E SUA PREDIZIONE
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Le diverse anime di un farmaco
Attività farmacologica
• Potenza e selettività
Profilo ADME
•
•
•
•
Assorbimento
Distribuzione
Metabolismo
Escrezione
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Quello che il farmaco da all’organismo
Quello che l’organismo fa al farmaco
Il profilo chimico-fisico per
predirre il profilo ADME
• Provato da molti studi che alcune proprietà chimico-fisiche
sono necessarie per relazionare la struttura chimica alle
caratteristiche ADME.
• Per scoprire nuovi farmaci (non nuovi composti
farmacologicamente attivi) bisogna determinare ed
ottimizzare il loro profilo chimico-fisico (=proprietà molecolari
rilevanti) .
13
14
Proprietà molecolari e profilo
chimico-fisico
• Ionizzazione
+1.0
log P
• Solubilità (e
velocità di
dissoluzione)
• Lipofilia
• log Poct
• log DpHoct
• Capacità di formare
legami idrogeno
• Pemeabilità
log D
• pKa
0.00
log D5.0
-1.0
log D7.4
-2.0
2
4
6
8
10
12
pH
Determinazione in silico ed in
vitro dei descrittori molecolari
15
Equilibri acido-base
16
Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 485
La regola di Lipinski (e varianti)
• Lipinski (1997) individuò 2245 farmaci attivi per os nel World
Drug Index (WDI)
• L’analisi delle proprietà molecolari mostrò che un povero
assorbimento è più probabile quando
•
•
•
•
Mol. Weight > 500
ClogP > 5
Nr. of H-bond donors > 5
Nr. of H-bond acceptors > 10
• Veber: aggiunta di regole
• PSA ≤ 140 Å
• Rotatable bonds ≤10
• Altre più o meno generali varianti
Advanced Drug Delivery Reviews, Volume 46, 2001, Pages 3–26
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ADME E FARMACI ANTITUMORALI
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Profilo chimico-fisico di
antitumorali
Tradizionali
• Poco studiato: farmaci
ormai in commercio da
molti anni e sviluppati
secondo un approccio
chimico-farmaceutico
tradizionale
• Dati
• chemicalize
• chemidplus
Biotecnologici
• ?
• Cell penetrating peptides
(CPPs)
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Bortezomib
• Farmaco biotecnologico
• Dipeptide N-protetto
• Pyz-Phe-boroLeu: acido
pirazinoico, fenilalanina e
leucina con acido boronico e
sostituisce l’acido carbossilico
• Dati
• chemicalize
• chemidplus
20
21
CPP
• Definizione: ‘CPPs are a class of diverse peptides with no
sequence homology, typically with 5–30 amino acids, that
unlike most peptides can cross the cellular membrane’
• Nessun motivo strutturale comune per spiegare la capacità di
penetrare all’interno delle cellule
• Utilizzo
• Per trasportare molecole all’interno delle cellule
• Come farmaci
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• Classificazione
• Cationici
• Anfipatici
• Idrofobici
23
Drug Discov Today. 2012 Aug;17(15-16):850-60
Nuovi antitumorali peptidici
•
•
•
•
Quali sono le proprietà molecolari cruciali per i peptidi?
Come le determino?
Si può applicare la regola di Lipinski ai peptidi?
Così tal quale probabilmente no ma l’idea che esistano delle
regole si
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Applicazione: metodo per il calcolo e
l’interpretazione di log P e log D
• Criticità:
• struttura peptidi non come sequenze di amino acidi o come
stringhe ma molecole organiche (piccoli peptidi)
• descrittori basati su GRID sviluppato per proteine
• relazione tra log P/log D sperimentali e descrittori molecolari
basata sia su PLS sia su algoritmi di machine learning
25
0.76
0.79
0.88
0.72
26
Conclusioni
• La ricerca di nuovi farmaci antitumorali è tradizionalmente
portata avanti da ricercatori con formazione BIO secondo
metodologie diverse da quelle usate per la ricerca di altri
farmaci.
• Le metodologie BIO includono solo la ricerca dell’attività
farmacologica
• Bisogna imparare da quanto emerso da altri settori di ricerca
ed in particolare dal drug discovery portata avanti da
ricercatori con formazione CHIM
• Interesse di Big Pharma verso la ricerca biotecnologica può
favorire l’integrazione dei mondi BIO e CHIM
• End point : ottimizzazione della multidisciplinarietà
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Il problema ADME nella
progettazione di farmaci
antitumorali: applicazione di
strategie chimico-farmaceutiche
nella predizione dell’uptake
cellulare di complessi del platino
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UNA METODOLOGIA DI MOLECULAR
MODELING: I MIFS
29
MIFs: Classificazione di farmaci
antitumorali
Agenti alchilanti
DNA antimetaboliti
Antimitotici
DNA/RNA antimetaboliti
Inibitori topoisomerasi II
30
European Journal of Medicinal Chemistry 39 (2004) 281–289
ADME e interazioni
intermolecolari
• Le interazioni intermolecolari giocano un ruolo fondamentale
nel processo farmaceutico
• Lo xenobiotico interagisce con le molecole endogene
• Il processo ADME può essere considerato come il risultato di
un’interazione non covalente tra lo xenobiotico e il target (es.
fosfolipidi di membrana, etc.)
• Lo xenobiotico interagisce con l’acqua
• Necessità di un metodo computazionale per mimare le
interazioni intermolecolari: problema molto generale!
• Esistono molti approcci nati per risolvere questo problema
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MIFs: campi di interazione
molecolare
• In breve
• Intorno alla molecola viene
costruita una griglia
• Viene calcolata l’energia di
interazione tra la molecola
ed una sonda (probe)
posizionata in un punto della
griglia
• L’ operazione è ripetuta per
ogni punto della grglia
• L’insieme delle energie
costituisce un MIF
32
• Qualche concetto
• Un MIF descrive la variazione dell’energia di interazione tra
una molecola ed un probe nello spazio 3D
• La molecola può essere una grande proteina o un farmaco
• La sonda può essere una molecola o una parte di essa; la
maggior parte delle sonde sono sfere parametrizzate per
rappresentare uno specifico atomo o ione
• La funzione dell’energia che descrive l’interazione molecolaprobe è di tipo empirico
• Esempio
• Se il probe è una carica elettrostatica positiva, il MIF diventa
un MEP
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I MIFs calcolati con GRID
• Il programma GRID (www.moldiscovery. com)
calcola i MIFs usando la seguente funzione di
energia
dove EVDW è l’energia di van der Waals, EEL è
l’energia elettrostatica , EHB è l’energia relative
alle interazioni idrogeno e S è un termine che
tiene conto del contributo entropico.
34
• Sonda N1
• NH neutro e piatto
quindi simula HBD
• Mette in luce HBA della
molecola
• HBA sono calcolate
come il volume
racchiuso dalla superficie
isoenergetica (es. -4.0
kcal/mol)
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• Sonda O
• sp2 ossigeno carbonilico
quindi simula HBA
• Mette in luce HBD della
molecola
• HBD sono calcolate come
il volume racchiuso dalla
superficie isoenergetica
(es. -2.0 kcal/mol)
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• Sonda DRY
• Serve per valutare le
interazioni idrofobiche
• Le caratteristiche
idrofobiche sono
calcolate come il volume
racchiuso dalla superficie
isoenergetica (es. -0.05
kcal/mol)
37
I MIFS ED I COMPLESSI DEL PLATINO
38
Complessi del platino
• Lavori in collaborazione prof. Ravera-Osella
• Il cis-DDP è capace di attraversare la membrana cellulare
mediante un meccanismo di diffusione passiva sebbene non
possa essere escluso un processo misto nel quale abbia parte
anche qualche via specifica di trasporto attivo.
• Una volta nel citoplasma, dove la [Cl-] si riduce fino a ca. 3
mM, hanno luogo processi di idrolisi per formare aquo e
idrossocomplessi.
• Formazione addotti con DNA
• Complessi di Pt(IV) sono meno attivi di quelli di Pt(II), però
sono più solubili in acqua e probabilmente si attivano solo una
volta che vengono ridotti a Pt(II) da qualche riducente
biologico quale la cisteina.
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senescence / apoptosis / necrosis
chemoresistance
[Cl-]100 mM
nucleus
[Cl-]  5 mM
NER
adduct
recognition
elimination
HMPG
adduct
elimination
blood
HSA
reaction with S-donors
(e.g., GSH, MT, etc.)
passive / active
diffusion
excretion
40
MIFs e complessi con metalli
• Problema: parametrizzazione del metallo (es. Pt(II)) in GRID
Pharm Res (2011) 28:640–646
• Pt(II) introdotto in GRID
con parametri richiesti
• Serie di test iterativi per
valutare i parametri del
Pt(II) che permettono di
ottenere il MIF con la
sonda acqua che predice
correttamente la
posizione delle molecole
di acqua determinate
sperimentalmente per
via cristallografica
• 1I1P
41
MIFs e ADME
MIFs
42
Descrittori molecolari da MIFs
• In MIFs da soli sono poco utili: servono dei descrittori
• Idea
• Risultato: serie di 82 descrittori da 6 MIFs ottenuti con le
sonde Size, DRY, OH2, N1, O e Others
• Due strumenti
• Software commerciale: VolSurf+
• In house software: BIOCUBE4mf
J. Mol. Struct.: THEOCHEM, 2000, 503, pp. 17-30
43
PREDIZIONE DELLA LIPOFILIA
44
Lipofilia di complessi del
platino
• Contesto: complessi del Pt(IV) prodrug dei corrispondenti
derivati del Pt(II) a potenziale attività antitumorale
• Prodrug e lipofilia
• Dati: valori sperimentali di log k’0 per una serie di derivati di
Pt (IV)
• Scopo: valutare quale serie di descrittori molecolari (QM o
MIFs derivati) è in grado di predirre meglio i dati sperimentali
• Lavoro preliminare: parametrizzazione Pt(IV) in GRID (stesso
approccio descritto per Pt(II)
45
Dalton Trans. 2013, 42(10):3482-9
• Strategia 1
• Y = log k’0 (misure sperimentali ottenute per cromatografia)
• X = descrittori molecolari (VolSurf+)
• PLS = algoritmo per relazionare Y e X
Probe
Size
Descriptors
V, S, R, G
OH2 (Water)
W1-8, IW1-4, CW1-8; PSA, PSAR
DRY
D1-8, DD1-8, ID1-4, CD1-8, HSA, PHSAR
O
N1
WO1-6
WN1-6
Others
HL1-2, A, CP, DRDRDR, DRDRAC,
DRDRDO, DRACAC, DRACDO, DRDODO,
ACACAC, ACACDO, ACDODO, DODODO
46
W7
D1
47
• Strategia 1
• Y = log k’0 (misure sperimentali ottenute per cromatografia)
• X = descrittori molecolari (QM, PM6)
• PLS = algoritmo per relazionare Y e X
Descrittore
Metodo
Area di superficie
Geometrie ottimizzate con
Spartan PM6
Volume
PSA
E(HOMO)
E(LUMO)
Momento dipolare
Cariche atomiche parziali
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• Risultati
• Ottimo modello con descrittori VolSurf+
• Nessun modello con descrittori QM
• Prova che i MIFs sono ideali per modellizzare lipofilia
VolSurf+
PLS model: 3LV, R2 = 0.92, RMSE = 0.3, Q2 (LOO) = 0.87
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COMPRENSIONE DI MECCANISMI DI UPTAKE
CELLULARE
50
PSA e uptake cellulare
• Contesto: progettazione di nuovi composti del Pt(II) con
migliori caratteristiche PK
• Dati: valori di IC50 e accumulation ratio (AR, il rapporto tra le
concentrazioni intra ed extracellulare dei complessi del
platino)
• Scopo: comprendere le ragioni della bassa attività
farmacologica dovuta a sua volta a bassi valori di uptake
51
ChemMedChem 2009, 4, 1677 – 1685
• PSA: area della superficie
polare
• PSA e MIFs
CPK
PSA
Slide 16
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Conclusioni
• La determinazione sperimentale e/o computazionale di
descrittori chimico-fisici quali la lipofilia aiuta la
razionalizzazione di risultati farmacologici di serie di derivati
del platino
• Prima di sottomettere complessi metallorganici a software di
molecular modeling bisogna verificare che il metodo usato
supporti correttamente il metallo
• Passo successivo: usare questi risultati nella fase di
progettazione
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Il problema ADME nella
progettazione di farmaci
antitumorali: linee guida e
applicazione di strategie chimicofarmaceutiche nella predizione
dell’uptake cellulare di complessi del
platino
Giulia Caron
Dip.to Biotecnologie Molecolari e Scienze per la Salute
Università di Torino
[email protected]
www.cassmedchem.unito.it
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