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3. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05 1

Wirkstoffeigenschaften

Was macht eine chemische Verbindung zum pharmazeutischen Wirkstoff ?

• Hohe Affinität zum target:

Hohe Bindungskonstante (Wirkstoff sollte bereits in micro bis nanomolarer Konzentration an das Enzym binden)

• Selektivität bezüglich des targets:

Der Wirkstoff sollte bevorzugt (spezifisch) an das gewollte Enzym und nicht an andere Enzyme binden.

• Hohe Bioverfügbarkeit und niedrige Toxizität:

Ausreichender Konzentration im Körper mit hoher therapeutischer Bandbreite (Dosierung) und möglichst wenig Nebenwirkungen.

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Informationsfluß in einer drug discovery pipeline

3. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05 3

Rational drug design

Nach welchen Prinzipien geht man vor ?

Was sind rationelle Strategien ?

• Systematische Veränderung der Leitstruktur• High Throughput Screening• Kombinatorische Synthese• Bioisostere

• Erhöhung der Affinität• Erhöhung der Selektivität• Erhöhung der Bioverfügbarkeit• Verminderung der Toxizität und Nebenwirkungen

Spezifität

Oft nur durch Tiermodelle und klinische Studien machbar

Ermöglicht niedrigere Dosierung

Lit: H.Gohlke & G.Klebe, Angew.Chem. 114 (2002) 2764.

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Verbesserung der Spezifität (I)

Wie macht man ein Molekül affiner zu seinem Rezeptor ?

Erhöhung der Bindungskonstante K

K = [E-L] / [E] [L] = 1/Ki =1/KD (Dissoziationskonstante)

-RT lnK = G = H - TS

Die Bindungskonstante läßt sich aus dem Massenwirkungsgesetz ableiten, und wird experimentell mikrokalorimetrisch bestimmt.

Brauchbare Ki -Werte liegen im Bereich zwischen 10-6 und 10-12 M also im micro bis pico molaren Bereich. Das entspricht einer freien Energie G bei der Bindung an das target von -4 bis -17 kcal / mol

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Verbesserung der Spezifität (II)

O

OO

N H

HO

H NH

H

CH3

O

Wie macht man ein Molekül affiner zu seinem Rezeptor ?

Bindungsenergie H muß günstiger werden

Dazu müßen die energetischen Wechselwirkungen zwischen Ligand und Rezeptor besser werden

O

OO

N H

NH

H

N

O

O

N

H

CH3

Br

O

CH3

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Verbesserung der Spezifität (III)

)(0)(6

)(

12

)(

)(

2)(0

)()(

)(

2)(0

)(

)(

2)(0

)(

4

1

cos(12

22

ijpairs ij

ji

ijpairs ij

ij

ij

ij

ijkltorsions

ijklijklijkl

ijkangles

ijkij

ijk

ijbonds

ijij

ij

ESvdWtorsbendstretch

r

qq

r

B

r

A

nk

krr

k

EEEEEE

Die energetischen Terme lassen sich wie in einem Kraftfeld berechnen

Darauf beruhen die meisten Docking Programme

Weitere Voraussetzung ist das Vorliegen einer entsprechend hochaufgelösten molekularen Struktur des targets.

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Verbesserung der Spezifität (IV)

Die Ausbildung folgender intermolekularer Wechselwirkungen führt zur Absenkung der Energie (günstiger) im Bereich von

Wasserstoffbrücken 1-7 kcal mol-1 (um 3 kcal mol-1)

Elektrostatische Wechselwirkungen

(Salzbrücken) >10 kcal mol-1

Viele Aminosäuren können ihren Protonierungszustand ändern !(Welche sind dies ?)

van der Waals WW max. 0.5 kcal mol-1 pro Atompaar

Vergraben von lipophilen Resten (Benzolringe) ermöglich den Wassermolekülen außen im Wasser nun die

Bildung von mehr H-Brücken. (Also auch entropisch günstiger)

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Verbesserung der Spezifität (V)

Es gibt aber auch Wechselwirkungen bei der Enzym-Ligand Bindung die energetisch ungünstig sind:

Vergraben von polaren Resten und geladenen Seitenkettenbis zu 7 kcal mol-1

Übergang von einem Medium hoherDielektrizätskonstante (physiologischesMedium ≈78) zu einer Umgebung mitviel niedrigerer DK (Bindungstasche 2-20)

Verdrängung von Wasser aus der Bindungstasche; Zunächst erfolgt der Bruch von H-Brücken und Ausbildung

einer leeren Kavität in der Bindungstasche bevor der Ligand diese ausfüllen kann.

=80

=4

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Verbesserung der Spezifität (VI)

Wie macht man ein Molekül affiner zu seinem Rezeptor ?

Entropieverlust S bei der Bindung an den Rezeptor muß geringer werden

Dazu muß die Bindungstasche besser und vollständiger ausgefüllt werden.

Zugleich wird dadurch die Selektivität bezüglich des targets erhöht.

O

OO

N H

HO

H NH

H

CH3

O

O

OO

N H

NH

H

N

O

O

N

H

CH3

Br

O

CH3

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Verbesserung der Spezifität (VII)

NH

H

CH3

O

Entropisch ungünstig sind folgende Vorgänge:

Verlust aller translatorischen Freiheitsgrade

Verlust von rotatorischen Freiheitsgraden

etwa 1 kcal mol-1 pro drehbare Bindung zwischen zwei Nicht-Wasserstoffatomen

O

OO

N H

HO

H NH

H

CH3

O

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Verbesserung der Spezifität (VIII)

Die Erfahrung im rational drug design zeigt:

Wasserstoffbrücken sind für die Selektivität wichtig.

Enthalpie – Entropie Kompensation:

Die Einführung einer OH-Gruppe im Liganden um eine zusätzliche H-Brücke in der Bindungstasche auszubilden wird zur Desolvatation eines Wassermoleküles aus der Bindungstasche führen, aber gleichzeitig wird dieses Wassermolekül im umgebenden Wasser wieder solvatisiert.

Damit wären die Möglichkeiten des ligand design mittels docking ausgeschöpft.

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Bioverfügbarkeit & ADME Vorhersage

Absorption

Distribution

Metabolism

Elimination

Pharmacokinetic

Bioavailability

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Warum ist die Voraussage der ADME Parameter so wichtig ?

Gründe die zum Fehlschlag eines potentiellen Wirkstoffs führen

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In silico ADME Filter

N R3

R1 R2

Mehr zu ADME Modellen in Vorlesung 7

3. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05 15

Welche chemisch-physikalischen Eigenschaften müßen Wirkstoffe nun also

aufweisen ?

Löslichkeit und Absorption: Von einer schlecht löslichen Verbindung geht nur wenig in den Blutkreislauf.

C. Lipinski‘s rule of five:

Molmasse < 500

logP < 5

H-Brückendonoren (N-H, O-H) < 5

H-Brückenakzeptoren (N, O) < 10

Beeinflußen den Druchgang durch Membranen

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Von der Leitstruktur zum Wirkstoff (I)

NH

H

CH3

O

Therapeutic Target

Lead Discovery

Lead Optimization

Clinical Candidate

Commerical Drug

drug design

NH

H

N

O

O

NCH3

Br

O

CH3

H

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Von der Leitstruktur zum Wirkstoff (II)

Im Verlauf der Optimierung von der einer Leitstruktur zum klinischen Wirkstoff werden die Moleküle zumeist größer und lipophiler (füllen die Bindungstasche präziser aus).

Deshalb sind folgenden Eigenschaften von Leitstrukturähnlichen Verbindungen wünschenswert:

Molekülgewicht < 250

Niedrige Lipophilie (logP<3) bei oraler Dareichung

Genügend Möglichkeiten für Seitenketten

Ausreichende Affinität und Selektivität

Mehr zu Substanzbibliotheken in Vorlesung 5

3. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05 18

Wann ist ein Molekül drug-like ?

„Typische“ Pharmaka weisen folgende Eigenschaften auf:

Molekülgewicht < 500

Lipophilie im Bereich von –2 < logP < +5

Wenige H-Brückendonoren (< 5)

Wenige H-Brückenakzeptoren (< 10)

Mindestens eine –OH Gruppe(Ausnahme: psychoaktive Wirkstoffe)

Mehr zu drug/non-drug Erkennung in Vorlesung 12

3. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05 19

Von der Leitstruktur zum Wirkstoff (III)

N

O

NH CH3

COOHH

NH

H O

Beispiel: Inhibitoren des Angiotensin Converting Enzyme

Angiotensin I Angiotensin II + HL

DRVYIHPFHL DRVYIHPF

Leitstruktur: Phe-Ala-Pro

Captopril (1977) X-Ala-Pro

ACE

S

O

NH

H CH3

COOH

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Von der Leitstruktur zum Wirkstoff (IV)

Somatisches ACE (sACE) ist ein membranständiges Protein(noch keine direkte Kristallstruktur)

Dagegen kommt germinales ACE (tACE) – das eine hohe Sequenzhomologie aufweist - löslich vor und diente in modifizierter Form für die Kristallisation. Dies eröffnete, neben den bisherbekannten Inhibitoren, ein struktur-basiertes Herangehen durch Kenntnisder Ausprägung der Bindungstascheum das Zink-Ion.

Lit: K.R.Acharya Nature Rev. Drug Discov. 2 (2003) 891.

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Von der Leitstruktur zum Wirkstoff (V)

N

O

NH

COOHH

NH2

OOH

S

O

NH

H CH3

COOH

Vorhandene Kristallstrukturen von tACE

Inhibitor (Patent im Jahr)

1UZF.pdb Captopril (1977)

1O86.pdb Lisinopril (1980)

1UZE.pdb Enalapril (1980)N

O

NH CH3

COOHH

OOH

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Aktuelle klinische und präklinische ACE Inhibitoren

Trandolapril (1980)

Fosinopril (1982)

MDL 10173 präklinisch

Von der Leitstruktur zum Wirkstoff (VI)

N

O

N

CH3

H

OO

H

H

CH3

OOH

P

O

O

O

N

OOH

O O

CH3

CH3

CH3

O

N

H

NO

O

OH

SH

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Von der Leitstruktur zum Wirkstoff (VII)

Eine weitere Möglichkeit Strukturinformation zu erhalten besteht durch Kristallisation homologer Enzyme aus Modellorganismen und anschließendes Homologiemodelling.

Im Fall von human tACE (E.C. 3.4.15.1) gibt es das orthologe Protein bei Drosophila melanogaster (ANCE) von dem ebenfalls Kristallstrukturen vorliegen.

Möglichkeiten zur in vivo Überprüfung von Inhibitoren sind durch entsprechende Tiermodelle mit dem orthologen Enzym (Maus, Ratte) gegeben.Im Falle des Bluthochdrucks ist das Rattenmodell besonders etabliert.

Lit: K.R.Acharya Nature Rev. Drug Discov. 2 (2003) 891.

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2. Übungsaufgabe

Vergleichen Sie die Kristallstrukturen von tACE mit den gebunden Inhibitoren Lisinopril (1O86.pdb) und Captopril (1UZF.pdb).

Welche Residuen komplexieren das Zink Ion ?

Wie unterscheiden sich Captopril und Lisinopril bezüglich der Zink-Bindung ? (polar, ionisch,... Hinweis: SH-Gruppe von Captopril ist nicht deprotoniert)

Sind die Wechselwirkungen der Inhibitoren mit der Bindungstasche mehr polarer (H-Brücken, usw.) oder hydrophober Natur ? Listen Sie diese auf.

Welche weiteren, spezifischen Interaktionsmöglichkeiten für neue Inhibitoren gibt es in der Bindungstasche noch ?Listen Sie 3 auf.

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Suche in Datenbanken

Problem: Wie stellt man die Strukturinformation von chemischen Verbindungen als alphanumerischen String dar ?

Lösung 1: Gar nicht. Direkte Eingabe als gezeichnete Struktur z.B. in CAS-online (SciFinder) Datenbank.

Zuordnung zu einer sog. CAS-registry number

Captopril [62571-86-2]

Lösung 2: als sog. SMILES oder SMARTS

SMILES (Daylight Chemical Infomation Systems Inc.)

S

O

NH

H CH3

COOH

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SMILES und SMARTS

SMILES (www.daylight.com/dayhtml/smiles/) D. Weininger J. Chem. Inf. Comput. Sci. 28 (1988) 31.

Darstellung von 2D-Molekülstrukturen (Konfiguration) in 1D-Form als alphanumerischer String

CCO H3C-CH2OH

CC H3C-CH3

C=C H2C=CH2

C#C HCCH

Regeln:

1) Atome werden durch ihren Elementnamen dargestellt

C B N O P S Cl Br I H organisches Subset

Andere: [Fe] [Co]

H kann in der Regel entfallen: C CH4

Simplified Molecular Input Line Entry Specification

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SMILES (II)

2) Bindungen und Atome

CC Einfachbindungen können entfallen

c:c aromatische Bindung zwischen aromatischen C‘s

C=C Doppelbindung

C#C Dreifachbindung

C~C irgendeine Bindung

C@C irgendeine Bindung in beliebigem Ring

3. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05 28

SMILES (III)

3) Verzweigungen mittels Klammern

CCN(CC)CCC N

CC(N)C(=O)OO

OH

NH2

Typ: Zuerst die längste Kette im Molekül finden

3. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05 29

SMILES (IV)

4) Cyclische Verbinungen: Werden an einer Bindung aufgeschnitten

c1ccccc11

Auch hier zuerst die längste Kette im Molekül finden

c1

c1

Br

1

CC1=CC(Br)CCC1

3. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05 30

SMILES (V)

Polycyclische Verbinungen

c1cc2ccccc2cc11 2

c12c3c4c1c5c4c3c25

An einem Atom können auch mehrere Ringschlüße sein:

Zahlen größer als 9 werden mit % angegeben: c%11

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SMILES (VI)

5) Nicht-kovalent gebundene Fragmente

werden durch . getrennt

[Na+].[O-]c1ccccc1

6) Isotope13C [13C]

O Na+

13CH4 [13CH4] Wasserstoffe angeben !

D2O [2H]O[H2]

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SMILES (VII)

7) Konfiguration an Doppelbindungen

F/C=C\F oben, oben

F/C=C/F oben, unten

F F

F

F

FC=CF unspezifischF F

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SMILES (VIII)

8) Chiralität

N[C@] (C )(F)C(=O)O

@ Auflistung der Subsituenten im Gegenuhrzeigersinn

NH2

FCH3

O

OHCOOH

FCH3

@@ Auflistung im Uhrzeigersinn

Hinweis: Hat nichts mit der R/S Nomenklatur an Stereozentren zu tun.

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SMILES (IX)

9) Implizite Wasserstoffatome

H+ [H+] Proton

H2 [H][H]

CO[H][OH2] überbrückend

OCH3

H

H

OH

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SMARTS (I)

Beispiel:

[F,Cl,Br,I] F oder Cl oder Br oder I als Atom

* irgendein Atom

a aromatisches Atom (C, N, O, S,...)

A aliphatisches Atom

Beschreibung von möglichen Substrukturen

SMARTS sind ein Superset der SMILES mit molekularen Mustern.Ein solches Muster ist in [ ] zusammengefaßt

1) Atome

c aromatischer Kohlenstoff

[Rn] Atom in einem n-gliedrigen Ring

[Fe] Eisenatom beliebiger Ladung

[X3] Atom mit drei Bindungen

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SMARTS (II)

2) Logische Operatoren

A,B A oder B

A&B A und B (hoher Vorrang)

A;B A und B (geringe Priorität)

!A nicht A

Beispiele:

[F,Cl,Br,I] F oder Cl oder Br oder I

[!C;R] kein aliphatisches C und im Ring (c, N, O,...)

[CH2] aliphatisches C mit 2 Hs (Methylgruppe)

[c,n&H1] aromatisches C oder aromatischer NH

[c,n;H1] aromatisches C oder N, und genau ein H

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SMARTS (III)

3) Konfiguration von Substituenten. Beispiele

[CaaO] C ortho zu O

[CaaaN] C meta zu N

[Caa(O)aN]

[Ca(aO)aaN]

C

O

C

N

C

N

O

C

O

N

Die Umgebung eines Atoms wird folgendermaßen spezifiziert: C[$(aaO);$(aaaN)] C

O

N

C

O

N

undauch

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SMARTES (IV)

Typische Beispiele für Datenbanksuchen

[s,o]1cccc1 Thiophene und Furane

[CX4][NH2] primäres aliphatisches Amin

S

C NH2

[C1OC1] Epoxide O

C(=O)[OH,O-,O-.+] Carbonsäure, Carboxylat, oder mit Kation

C(=O)[NH1] Peptidbindung

*=*[OH] Säuren und Enole

F.F.F.F.F insgesamt 5 Fluoratome im Molekül

Weitere Beispiele: E.J. Martin J. Comb. Chem. 1 (1999) 32.