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Modern Methods in Drug Discovery Ziele dieser Vorlesung: • Umfassende Kenntnisse der Vorgänge in einer drug discovery pipeline • Im Besonderen die in silico Methoden des drug designs 1. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 1 Informationsfluß in einer drug discovery pipeline Bioinformatik Stoff dieser Vorlesung 1. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 2 Medizinische Chemie Organische Synthese Biopharmazeutische Aspekte (Hautmodelle, nicht orale Applikationen) Klinische Aspekte Molecular Modelling Theorie Homology Modelling Theorie Docking Grundlagen, Anwendungen Computational Chemistry Genom, Proteom, Metabolom Bioethik und Patentrecht 1. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 separate Vorlesungen Was diese Vorlesung nicht behandelt 3 Erforderliche Kenntnisse Umgang mit Sequenzanalyse-Tools, z.B. BLAST, CLUSTALW Umgang mit Visualisierungs-Tools, z.B. RASMOL, BALL, VMD Homologymodelling, z.B. Swissmodel, WHATIF, … Empfohlene Veranstaltungen: Softwarewerkzeuge der Bioinformatik Computational Chemistry Bioinformatik I + II Konkrete Anwendungen in den Übungen: Multiples Alignment, Homologie in Sequenzen Einfaches Homologymodelling Protein-Ligand Wechselwirkungen Suche in Datenbanken 1. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 4 Was ist drug discovery ? Gezielte Wirkstoffsuche Therapeutic Target Lead Discovery Lead Optimization drug design Clinical Candidate Commerical Drug 1. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 5 Typische Targets Anteil am menschlichen Genom und Pharmaka am Markt 1. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 6 Typische Targets drug targets by biochemical class Enzymes 47% GPCRs 30% Ion Channels 7% DNA 1% Intergrins 1% Miscellaneous 2% Other Receptors 4% Transporters 4% Nuclear Receptors 4% Aufteilung der auf dem Markt befindlichen Pharmaka bezüglich ihrer biochemischen targets Quelle: Hopkins & Groom, Nat.Rev.Drug.Disc. 1 (2002) 727 1. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 7 Vorlesungsplan 1. Einleitung, Überblick 2. Typische Krankheiten 3. Wirkstoffeigenschaften 4. Substanzbibliotheken und Bioisostere 5. QSAR, Statistik und Deskriptoren 6. ADME-Modelle 7. Metabolismus und Toxikologie 1. Vorlesung 8. Target Identification, Animal Models 9. Cytochrom P450, Polymorphismus, Transporter 10. Komplexe Krankheiten Malaria, Obesity 11. Vorhersage von Moleküleigenschaften 12. Aktuelle Trends, disease vs. lifestyle drugs Doping Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 8 Datenbanken Vorhandene Substanzbibliotheken ACD World Drug Index USAN virtual library >100,000 chemicals 58,000 compounds <10,000 in clinical trial 100,000 compounds Pubchem > 3,000,000 compounds commercial in house NCBI Investment per new chemical entity: >500,000 $ New chemical entities per year: ca. 15 1. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 9 Kominatorische Synthesemethoden für das High Throughput Screening (HTS) S R1 1. Vorlesung R4 O H N N R2 H Cl S + R3 H R4 R3 R2 N R1 Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 N + H2O, HCl 10 Komponentenauswahl für das High Throughput Screening (HTS) R2 R1 N 1. Vorlesung R3 Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 11 Predictive ADME Absorption Distribution Metabolism Elimination 1. Vorlesung Pharmacokinetic Bioavailability Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 12 Von der pipeline bis zur Marktzulassung Rechnet man von den tatsächlich zugelassenen neuen Medikamenten (new chemical enitity, NCE) auf die Anzahl der in vitro gescreenten Verbindungen zurück, so kommt man auf über 1000 pro Medikament. Ohne die verfügbaren computerbasierten ADMET Filter würde diese Zahl noch höher sein. 1. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 13 Warum ist die Voraussage der ADME Parameter so wichtig ? Gründe die zum Fehlschlag eines potentiellen Wirkstoffs führen 1. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 14 Pharmakokinetik und Bioverfügbarkeit 1. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 15 Molekülbasierte Deskriptoren zur Voraussage der ADME Eigenschaften logP Wasser/Octanol Verteilungskoeffizient Lipinski‘s rule of five Topologische Indices Polar surface area Similarität / Dissimilarität QSAR quantitative structure activity relationship QSPR quantitative structure property rel. 1. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 16 Metabolismus (I) (Bio-)chemische Reaktionen von Xenobiotica im Körper First pass effect: Extensive Umsetzung von vorwiegend lipophilen Molekülen, solchen mit MW>500, oder die eine spezifische Affinität zu bestimmten Transportern haben, bei der ersten Passage durch die Leber Phase I: Oxidation, Reduktion und Hydrolyse v.a. Cytochrom P450 Enzyme Phase II: Konjugation mit kleinen Molekülen (z.B. Glutamin) Phase III: Elimination durch Transporter 1. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 17 Cytochrom P450 Enzyme (I) Flavin Monooxygenase Isoenzme Alkohol Dehydrogenase Aldehyd Oxidase Monoamin Dehydrogenase (MAO) Drug-R + O2 CYP NADPH 1. Vorlesung Die Redoxaktivität wird durch ein Eisenporphyrin im aktiven Zentrum ermöglicht Drug-OR + H2O NADP Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 18 Cytochrom P450 Gene families Human 14+ Molluscs 1 CYP450 Plants 22 Insects 3 Fungi 11 1. Vorlesung Bacteria 18 Yeasts 2 Nematodes 3 Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 19 Cytochrom P450 Polymorphismus „Jeder Mensch ist (mehr oder minder) anders“ Der Phenotyp läßt sich anhand der tatsächlichen Aktivität oder der Menge des exprimierten Enzyms unterscheiden Der Genotyp widerum ist durch die individuelle DNA Sequenz bestimmt. D.h. der gleiche Genotyp läßt verschiedene Phänotypen zu Entsprechend der metabolischen Aktivität unterscheidet man bei CYP normale (extensive metabolizer), schwache (poor metabolizer), und verstärkte (ultra-rapid metabolizer) Umsetzer. Lit: K. Nagata et al. Drug Metabol. Pharmacokin 3 (2002) 167 1. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 20 Genotypisierung von CYP P450 Allelen Die Firma Affymetrix (USA) hat unter Verwendung von immobilisierten synthetischen Kopien von P450 Nukleotiden Microarrays (Gen Chips) entwickelt, die die Indentifizierung aller klinisch relevanten Allele erlauben. 1. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 21 Vorhersage von Moleküleigenschaften (I) Leitmotiv beim rational drug design Prinizipielle Frage ist: Wie hängt der biologische Raum (Aktivität) mit dem chemischen Raum (Struktur) bei Verbindungen zusammen ? Lassen sich aus der Struktur Voraussagen treffen ? QSAR und QSRP 1. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 22 Vorhersage von Moleküleigenschaften (II) Observablen Was sind Moleküleigenschaften ? 1. Vorlesung Molekülmasse MW (aus der Summenformel C12H11N3O2) Schmelzpunkt Siedepunkt Dampfdruck Wasserlöslichkeit Ladung Dipolmoment Unmittelbar aus der Wellenfunktion des Polarisierbarkeit Moleküls Ionisationspotential berechenbar Elektrostatisches Potential Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 23 BBB-Model mit 12 Deskriptoren Deskriptoren hauptsächlich aus QM Rechnungen: Elektrostatische Oberfläche, Hauptkomponenten der Geometrie,H-Brücken Eigenschaften 2.5 r2=0.866, adj. r2=0.844, se=0.308, n=90 predicted logBB 1.5 0.5 CNS+ -0.5 CNS– -1.5 -2.5 -2.5 -1.5 -0.5 0.5 1.5 2.5 observed logBB Lit: M. Hutter J.Comput.-Aided.Mol.Des. 17 (2003) 415. 1. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 24 Optimierungszyklus in der drug discovery pipeline Source: D.K. Agrafiotis et al. Nature.Rev.Drug.Discov. 1 (2002) 337. 1. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 25 Begleitendende und weiterführende Bücher Andrew R. Leach* Molecular Modelling. Principles and Applications 2nd edition, Prentice Hall, 2001 Rolf Knippers* Molekulare Genetik 8. Auflage, Thieme, 2001 The Merck Index* 13th edition, Merck & CO., Inc., 2001 J.M. Berg, L. Stryer Biochemie, Spektrum Verlag *Im Semesterapparat vorhanden 1. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 26 Voraussetzungen zum Erlangen des Scheins / der Leistungspunkte 1. 50% der erreichbaren Punkte aus den Übungsblättern Zwei Drittel (66.7%) der Übungsblätter müssen abgegeben werden. Die Übungsblätter müssen bis zum Beginn der jeweils nächsten Übungseinheit eingereicht werden. 2. 50% der erreichbaren Punkte aus der Klausur. Termin gegen Ende des Vorlesungszeitraumes. Falls erforderlich Nachklausur oder mündliche Prüfung. 1. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 27 1. Übungsaufgabe (I) „Lesen Sie Packungsbeilage“ eines Medikamentes Notieren Sie sich den wirksamen Bestandteil Versuchen Sie dessen Molekülstruktur zu ermitteln : http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/ 1. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 28 1. Übungsaufgabe (II) 1. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 29 1. Übungsaufgabe (III) Überlegen Sie sich, warum das Medikament völlig anders benannt ist als der eigentliche Wirkstoff. Versuchen Sie etwa über das zugehörige target herauszufinden: z.B. über PubMed http://www.ncbi.nlm.nih.gov Oder schlagen Sie im Merck Index nach 1. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS05/06 30
