Modern Methods in Drug Discovery

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.
3. Vorlesung
Modern Methods in Drug Discovery WS04/05
1
Informationsfluß in einer
drug discovery pipeline
3. Vorlesung
Modern Methods in Drug Discovery WS04/05
2
Rational drug design
Nach welchen Prinzipien geht man vor ?
•
•
•
•
Erhöhung der Affinität
Spezifität
Ermöglicht niedrigere
Erhöhung der Selektivität
Dosierung
Erhöhung der Bioverfügbarkeit
Verminderung der Toxizität und Nebenwirkungen
Oft nur durch Tiermodelle und klinische Studien machbar
Was sind rationelle Strategien ?
•
•
•
•
Systematische Veränderung der Leitstruktur
High Throughput Screening
Kombinatorische Synthese
Bioisostere
Lit: H.Gohlke & G.Klebe, Angew.Chem. 114 (2002) 2764.
3. Vorlesung
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3
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 = DG = DH - TDS
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 DG bei
der Bindung an das target von -4 bis -17 kcal / mol
3. Vorlesung
Modern Methods in Drug Discovery WS04/05
4
Verbesserung der Spezifität (II)
Wie macht man ein Molekül affiner zu seinem Rezeptor ?
Bindungsenergie DH muß günstiger werden
Dazu müßen die energetischen Wechselwirkungen
zwischen Ligand und Rezeptor besser werden
H3C
O
CH3
N H O
N H O
Br
N
O
H
N
O
H
O
3. Vorlesung
H
O
H3C
H
O
O
N
N
H
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H
O
H
O
5
Verbesserung der Spezifität (III)
Die energetischen Terme lassen sich wie in einem Kraftfeld
berechnen
E  Estretch  Ebend  Etors  EvdW  E ES

k ( ij )
( ij )
 
rij  r0
bonds ( ij ) 2


k (ijk )
 
ij  0 (ijk )
angles ( ijk ) 2
2

k ( ijkl)
( ijkl )
 
1  cos( n ( ijkl)   0
2
torsions ( ijkl )
 A( ij ) B(ij ) 
   12  6  

rij 
pairs ( ij )  rij
1
40

2

2

pairs ( ij )
qi q j
rij
Darauf beruhen die meisten Docking Programme
Weitere Voraussetzung ist das Vorliegen einer
entsprechend hochaufgelösten molekularen Struktur
des targets.
3. Vorlesung
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6
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)
3. Vorlesung
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7
Verbesserung der Spezifität (V)
Es gibt aber auch Wechselwirkungen bei der Enzym-Ligand
Bindung die energetisch ungünstig sind:
Vergraben von polaren Resten und geladenen Seitenketten
bis zu 7 kcal mol-1
=80
Übergang von einem Medium hoher
Dielektrizätskonstante (physiologisches
Medium ≈78) zu einer Umgebung mit
=4
viel 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.
3. Vorlesung
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8
Verbesserung der Spezifität (VI)
Wie macht man ein Molekül affiner zu seinem Rezeptor ?
Entropieverlust DS 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.
H3C
O
CH3
N H O
N H O
Br
N
O
H
N
O
H
O
3. Vorlesung
H
O
H3C
H
O
O
N
N
H
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H
O
H
O
9
Verbesserung der Spezifität (VII)
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
CH3
CH3
N H O
O
N
H
H
N
O
H
H
H
O
H
O
O
3. Vorlesung
Modern Methods in Drug Discovery WS04/05
10
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.
3. Vorlesung
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11
Bioverfügbarkeit & ADME Vorhersage
Absorption
Distribution
Metabolism
Elimination
3. Vorlesung
Pharmacokinetic
Bioavailability
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12
Warum ist die Voraussage der ADME
Parameter so wichtig ?
Gründe die zum Fehlschlag eines potentiellen Wirkstoffs führen
3. Vorlesung
Modern Methods in Drug Discovery WS04/05
13
In silico ADME Filter
R2
R1
N
R3
Mehr zu ADME Modellen in Vorlesung 7
3. Vorlesung
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14
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
3. Vorlesung
Beeinflußen den
Druchgang durch
Membranen
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15
Von der Leitstruktur zum Wirkstoff (I)
CH3
O
Therapeutic Target
N
Lead Discovery
H
H
Lead Optimization
drug design
Clinical Candidate
H3C
O
O
Commerical Drug
Br
N
O
H3C
N
N
H
3. Vorlesung
H
H
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16
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
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17
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
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18
Von der Leitstruktur zum Wirkstoff (III)
Beispiel: Inhibitoren des Angiotensin Converting Enzyme
Angiotensin I
DRVYIHPFHL
ACE
Angiotensin II
DRVYIHPF
+ HL
Leitstruktur: Phe-Ala-Pro
H
H
N
N
H
O
COOH
O
N
H CH3
COOH
O
Captopril (1977) X-Ala-Pro
H
S
N
H CH3
3. Vorlesung
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19
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 bisher
bekannten Inhibitoren, ein strukturbasiertes Herangehen durch Kenntnis
der Ausprägung der Bindungstasche
um das Zink-Ion.
Lit: K.R.Acharya Nature Rev. Drug Discov. 2 (2003) 891.
3. Vorlesung
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20
Von der Leitstruktur zum Wirkstoff (V)
Vorhandene Kristallstrukturen von tACE
Inhibitor (Patent im Jahr)
1UZF.pdb
Captopril (1977)
COOH
O
H
S
N
H CH3
H
1O86.pdb
Lisinopril (1980)
N
HO
COOH
O
N
H
O
NH2
1UZE.pdb
Enalapril (1980)
H
N
HO
3. Vorlesung
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COOH
O
N
H CH3
O
21
Von der Leitstruktur zum Wirkstoff (VI)
Aktuelle klinische und präklinische ACE Inhibitoren
N
N
O
H
O
OH
CH3
O
P
H3C
H
CH3
O
O
O
H
Trandolapril (1980)
N
O
H3C
O
O
O
OH
Fosinopril (1982)
CH3
O
HO
O
MDL 10173 präklinisch
N
N
HS
3. Vorlesung
O
H
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22
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.
3. Vorlesung
Modern Methods in Drug Discovery WS04/05
23
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.
3. Vorlesung
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24
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
COOH
O
H
S
Captopril [62571-86-2]
N
H CH3
Lösung 2: als sog. SMILES oder SMARTS
SMILES (Daylight Chemical Infomation Systems Inc.)
3. Vorlesung
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25
SMILES und SMARTS
Simplified Molecular Input Line Entry Specification
Darstellung von 2D-Molekülstrukturen (Konfiguration) in 1D-Form
als alphanumerischer String
CC
C=C
C#C
CCO
H3C-CH3
H2C=CH2
HCCH
H3C-CH2OH
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
SMILES (www.daylight.com/dayhtml/smiles/)
D. Weininger J. Chem. Inf. Comput. Sci. 28 (1988) 31.
3. Vorlesung
Modern Methods in Drug Discovery WS04/05
26
SMILES (II)
2) Bindungen und Atome
3. Vorlesung
CC
Einfachbindungen können entfallen
C=C
Doppelbindung
C#C
Dreifachbindung
c:c
aromatische Bindung zwischen aromatischen C‘s
C~C
irgendeine Bindung
C@C
irgendeine Bindung in beliebigem Ring
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27
SMILES (III)
3) Verzweigungen mittels Klammern
CCN(CC)CCC
N
NH2
O
CC(N)C(=O)O
OH
Typ: Zuerst die längste Kette im Molekül finden
3. Vorlesung
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28
SMILES (IV)
4) Cyclische Verbinungen: Werden an einer Bindung aufgeschnitten
Auch hier zuerst die längste Kette im Molekül finden
c1
1
c1ccccc1
c1
1
CC1=CC(Br)CCC1
Br
3. Vorlesung
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29
SMILES (V)
Polycyclische Verbinungen
2
1
c1cc2ccccc2cc1
An einem Atom können auch mehrere Ringschlüße sein:
c12c3c4c1c5c4c3c25
Zahlen größer als 9 werden mit % angegeben: c%11
3. Vorlesung
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30
SMILES (VI)
5) Nicht-kovalent gebundene Fragmente
werden durch . getrennt
O
6) Isotope
13C
13CH
D 2O
3. Vorlesung
Na+
[Na+].[O-]c1ccccc1
[13C]
4
[13CH4]
Wasserstoffe angeben !
[2H]O[H2]
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31
SMILES (VII)
7) Konfiguration an Doppelbindungen
F
F
F/C=C\F
oben, oben
F/C=C/F
oben, unten
FC=CF
unspezifisch
F
F
F
3. Vorlesung
F
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32
SMILES (VIII)
8) Chiralität
O
COOH
OH
H2N
F
CH3
H3C
F
N[C@] (C )(F)C(=O)O
@ Auflistung der Subsituenten im Gegenuhrzeigersinn
@@ Auflistung im Uhrzeigersinn
Hinweis: Hat nichts mit der R/S Nomenklatur an
Stereozentren zu tun.
3. Vorlesung
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33
SMILES (IX)
9) Implizite Wasserstoffatome
H+
[H+]
H2
[H][H]
Proton
H
O
H
H3C
3. Vorlesung
H
CO[H][OH2]
überbrückend
O
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34
SMARTS (I)
Beschreibung von möglichen Substrukturen
SMARTS sind ein Superset der SMILES mit molekularen
Mustern.Ein solches Muster ist in [ ] zusammengefaßt
Beispiel:
[F,Cl,Br,I]
F oder Cl oder Br oder I als Atom
1) Atome
c
aromatischer Kohlenstoff
a
aromatisches Atom (C, N, O, S,...)
A
aliphatisches Atom
*
irgendein Atom
[Rn]
Atom in einem n-gliedrigen Ring
[Fe]
Eisenatom beliebiger Ladung
[X3]
Atom mit drei Bindungen
3. Vorlesung
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35
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]
3. Vorlesung
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
C
[CaaO] C ortho zu O
C
C
O
O
[CaaaN] C meta zu N
[Caa(O)aN]
N
N
C
[Ca(aO)aaN]
O
N
Die Umgebung eines Atoms wird folgendermaßen spezifiziert:
C[$(aaO);$(aaaN)]
C
C
O
N
3. Vorlesung
O
und
auch
Modern Methods in Drug Discovery WS04/05
N
37
SMARTES (IV)
Typische Beispiele für Datenbanksuchen
[s,o]1cccc1
Thiophene und Furane
S
[CX4][NH2]
primäres aliphatisches Amin
[C1OC1]
Epoxide
C(=O)[OH,O-,O-.+]
C
NH2
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.
3. Vorlesung
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