Objev drog - Drug discovery

Schéma cyklu objevování léčiv

V oblasti medicíny, biotechnologie a farmakologie , výzkumu léků je proces, při kterém nové kandidátní léky jsou objeveny.

Historicky byly drogy objeveny identifikací účinné látky z tradičních léčiv nebo serendipitous objevem, jako u penicilinu . V nedávné době byly chemické knihovny syntetických malých molekul , přírodních produktů nebo extraktů testovány v neporušených buňkách nebo celých organismech za účelem identifikace látek, které měly žádoucí terapeutický účinek v procesu známém jako klasická farmakologie . Po sekvenování z lidského genomu nechá rychlé klonování a syntézu velkých množství purifikovaných proteinů, se stalo běžnou praxí používat vysokovýkonný screeningknihoven velkých sloučenin proti izolovaným biologickým cílům, u nichž se předpokládá, že modifikují onemocnění v procesu známém jako reverzní farmakologie . Hity z těchto screeningů se poté testují na buňkách a poté na zvířatech na účinnost .

Moderní objev léčiv zahrnuje identifikaci screeningových přístupů, lékařskou chemii a optimalizaci těchto pozitivních nálezů za účelem zvýšení afinity , selektivity (za účelem snížení potenciálu vedlejších účinků), účinnosti/ účinnosti , metabolické stability (za účelem prodloužení poločasu ) a orálního podání. biologická dostupnost . Jakmile bude identifikována sloučenina, která splňuje všechny tyto požadavky, může proces vývoje léčiv pokračovat. Pokud budou úspěšné, budou vyvinuty klinické studie .

Moderní objevování léčiv je tedy obvykle proces náročný na kapitál, který zahrnuje velké investice korporací farmaceutického průmyslu i národních vlád (které poskytují granty a záruky za půjčky ). Přes pokroky v technologii a chápání biologických systémů je objevování léků stále zdlouhavý, „drahý, obtížný a neefektivní proces“ s nízkou mírou nových terapeutických objevů. V roce 2010 činily náklady na výzkum a vývoj každé nové molekulární entity přibližně 1,8 miliardy USD. V 21. století je výzkum základního objevu financován především vládami a filantropickými organizacemi, zatímco vývoj v pozdní fázi je financován především farmaceutickými společnostmi nebo rizikovými kapitalisty. Aby mohly být léky uvedeny na trh, musí projít několika úspěšnými fázemi klinických zkoušek a projít novým procesem schvalování léčiv, který se v USA nazývá New Drug Application .

Objevování léků, které mohou představovat komerční úspěch nebo úspěch v oblasti veřejného zdraví, zahrnuje komplexní interakci mezi investory, průmyslem, akademickou obcí, patentovými zákony, exkluzivitou regulace, marketingem a potřebou vyvážit utajení s komunikací. Mezitím u poruch, jejichž vzácnost znamená, že nelze očekávat žádný velký komerční úspěch nebo účinek na veřejné zdraví, proces financování léčiv pro vzácná onemocnění zajišťuje, že lidé, kteří tyto poruchy zažijí, mohou mít určitou naději na farmakoterapeutický pokrok.

Dějiny

Myšlenka, že účinek léčiva v lidském těle je zprostředkován specifickými interakcemi molekuly léčiva s biologickými makromolekulami ( ve většině případů proteiny nebo nukleové kyseliny ), vedla vědce k závěru, že pro biologickou aktivitu lék. Tím byl zahájen moderní věk ve farmakologii , protože čisté chemikálie se místo surových extraktů z léčivých rostlin staly standardními léky. Příklady sloučenin léčiv izolovaných ze surových přípravků jsou morfin , aktivní látka v opiu a digoxin , stimulátor srdce pocházející z Digitalis lanata . Organická chemie také vedla k syntéze mnoha přírodních produktů izolovaných z biologických zdrojů.

Historicky byly látky, ať už surové extrakty nebo čištěné chemikálie, testovány na biologickou aktivitu bez znalosti biologického cíle . Až poté, co byla identifikována účinná látka, bylo vyvinuto úsilí k identifikaci cíle. Tento přístup je známý jako klasická farmakologie , forwardová farmakologie nebo fenotypový objev léčiv.

Později byly syntetizovány malé molekuly, aby se specificky zaměřily na známou fyziologickou/patologickou cestu, čímž se zabránilo hromadnému screeningu bank uložených sloučenin. To vedlo k velkému úspěchu, jako například práce Gertrude Elion a George H. Hitchings o metabolismu purinů , práce Jamese Blacka na beta blokátorech a cimetidinu a objev statinů od Akiry Endo . Dalším zastáncem přístupu k vývoji chemických analogů známých účinných látek byl Sir David Jack ve společnosti Allen and Hanbury's, později Glaxo , který byl průkopníkem prvního inhalačního selektivního agonisty beta2-adrenergního astmatu, prvního inhalačního steroidu pro astma, ranitidinu jako nástupce cimetidin, a podporoval vývoj triptanů.

Gertrude Elion, pracující většinou se skupinou méně než 50 lidí na purinových analogech, přispěla k objevu prvního antivirového programu; první imunosupresivum ( azathioprin ), které umožňovalo transplantaci lidských orgánů; první lék k navození remise dětské leukémie; stěžejní protirakovinné léčby; antimalarik; antibakteriální; a léčba dny.

Klonování lidských proteinů umožnilo screening velkých knihoven sloučenin na specifické cíle, o nichž se předpokládá, že jsou spojeny se specifickými chorobami. Tento přístup je známý jako reverzní farmakologie a je dnes nejčastěji používaným přístupem.

Cíle

„Cíl“ se vyrábí ve farmaceutickém průmyslu. Obecně je "cílem" přirozeně existující buněčná nebo molekulární struktura zapojená do požadované patologie, kde má vyvíjet léčivo působit. Rozdíl mezi „novým“ a „zavedeným“ cílem však lze provést bez úplného pochopení toho, co je „cíl“. Toto rozlišení obvykle dělají farmaceutické společnosti zabývající se objevováním a vývojem terapeutik. V odhadu z roku 2011 bylo 435 produktů lidského genomu identifikováno jako terapeutické cíle léčiv schválených FDA.

"Stanovené cíle" jsou ty, u nichž existuje dobré vědecké porozumění, podporované dlouhou historií publikování, jak jak cíl funguje v normální fyziologii, tak jak je zapojen do lidské patologie. To neznamená, že je plně pochopen mechanismus účinku léků, u nichž se předpokládá, že působí prostřednictvím určitého stanoveného cíle. „Stanovené“ se spíše týká přímo množství základních informací dostupných o cíli, zejména funkčních informací. Obecně „nové cíle“ jsou všechny ty cíle, které nejsou „stanovenými cíli“, ale které byly nebo jsou předmětem úsilí o objevování drog. Většina cílů vybraných pro objevování léčiv jsou proteiny, jako jsou receptory spřažené s G-proteinem (GPCR) a protein kinázy .

Promítání a design

Proces hledání nového léčiva proti zvolenému cíli pro konkrétní onemocnění obvykle zahrnuje vysoce účinný screening (HTS), kde se velké knihovny chemikálií testují na schopnost modifikovat cíl. Například, v případě, že cíl je nový GPCR , budou sloučeniny vyšetřovány na svou schopnost inhibovat nebo stimulovat, že receptor (viz antagonisty a agonisty ): v případě, že je cílem protein kináza , chemikálie budou testovány na svou schopnost blokování této kinázy.

Další důležitou funkcí HTS je ukázat, jak selektivní jsou sloučeniny pro zvolený cíl, protože člověk chce najít molekulu, která bude interferovat pouze se zvoleným cílem, ale ne s jinými, příbuznými cíli. Za tímto účelem budou provedeny další testy, aby se zjistilo, zda „zásahy“ proti zvolenému cíli budou interferovat s jinými souvisejícími cíli-toto je proces křížového screeningu. Křížový screening je důležitý, protože čím více nesouvisejících cílů sloučenina zasáhne, tím je pravděpodobnější, že se s touto sloučeninou objeví toxicita mimo cíl , jakmile se dostane na kliniku.

Je nepravděpodobné, že z těchto raných screeningových cyklů vzejde dokonalý kandidát na lék. Jedním z prvních kroků je screening sloučenin, u nichž je nepravděpodobné, že by se z nich vyvinuly drogy; například sloučeniny, které jsou úspěšné téměř v každém testu, klasifikované lékařskými chemiky jako " interferenční sloučeniny s pan-testem ", jsou v tomto stádiu odstraněny, pokud již nebyly odstraněny z chemické knihovny. Často se pozoruje, že bylo zjištěno, že několik sloučenin má určitý stupeň aktivity , a pokud tyto sloučeniny sdílejí společné chemické vlastnosti, lze vyvinout jeden nebo více farmakoforů . V tomto okamžiku se lékařští chemici pokusí použít vztahy mezi strukturou a aktivitou (SAR) ke zlepšení určitých vlastností sloučeniny olova :

  • zvýšit aktivitu proti zvolenému cíli
  • snížit aktivitu proti nesouvisejícím cílům
  • zlepšit podobnost léčiva nebo ADME molekuly.

Tento proces bude vyžadovat několik iteračních screeningových běhů, během nichž se doufá, že se vlastnosti nových molekulárních entit zlepší, a umožní oblíbeným sloučeninám pokračovat v in vitro a in vivo testování aktivity na zvoleném modelu onemocnění.

Mezi fyzikálně chemické vlastnosti spojené s absorpcí léčiva patří ionizace (pKa) a rozpustnost; propustnost lze určit pomocí PAMPA a Caco-2 . PAMPA je atraktivní jako raný screening díky nízké spotřebě léčiva a nízkým nákladům ve srovnání s testy jako Caco-2, gastrointestinální trakt (GIT) a hematoencefalická bariéra (BBB), s nimiž existuje vysoká korelace.

K posouzení kvality sloučeniny nebo řady sloučenin lze použít řadu parametrů, jak navrhuje Lipinského pravidlo pěti . Tyto parametry zahrnují vypočítané vlastnosti, jako je cLogP, pro odhad lipofility, molekulové hmotnosti , polárního povrchu a měřené vlastnosti, jako je účinnost, in-vitro měření enzymatické clearance atd. Některé deskriptory, jako je účinnost ligandu (LE) a lipofilní účinnost (LiPE) zkombinujte tyto parametry k posouzení podobnosti drog .

Zatímco HTS je běžně používanou metodou pro objevování nových léčiv, není to jediná metoda. Často je možné začít z molekuly, která již má některé z požadovaných vlastností. Taková molekula může být extrahována z přírodního produktu nebo dokonce může být lékem na trhu, který by bylo možné vylepšit (takzvané léky „i já“). Často se také používají jiné metody, jako je virtuální vysoce výkonný screening , kde se screening provádí pomocí počítačem generovaných modelů a pokouší se „ukotvit“ virtuální knihovny k cíli.

Další důležitou metodou pro objevování léčiv je návrh léku de novo , ve kterém se provádí predikce druhů chemikálií, které by se (např.) Mohly vejít do aktivního místa cílového enzymu. Například virtuální screening a počítačem podporovaný návrh léčiv se často používají k identifikaci nových chemických skupin, které mohou interagovat s cílovým proteinem. Molekulární modelování a simulace molekulární dynamiky lze použít jako vodítko pro zlepšení účinnosti a vlastností nových přívodů léčiv.

V komunitě objevujících léčiva dochází také k posunu paradigmatu, aby se odklonilo od HTS, které je drahé a může pokrývat pouze omezený chemický prostor , ke skríningu menších knihoven (maximálně několik tisíc sloučenin). Patří mezi ně objevování olova na bázi fragmentů (FBDD) a proteinově řízená dynamická kombinatorická chemie . Ligandy v těchto přístupech jsou obvykle mnohem menší a vážou se na cílový protein slabší vazebnou afinitou než zásahy, které jsou identifikovány z HTS. Často jsou vyžadovány další modifikace prostřednictvím organické syntézy na sloučeniny olova. Takové modifikace se často řídí proteinovou rentgenovou krystalografií komplexu protein-fragment. Výhodou těchto přístupů je, že umožňují efektivnější screening a knihovna sloučenin, i když je malá, ve srovnání s HTS typicky pokrývá velký chemický prostor.

Fenotypové obrazovky také poskytly nová chemická východiska při objevování léků. Byla použita řada modelů, včetně kvasinek, zebrafish, červů, imortalizovaných buněčných linií, primárních buněčných linií, buněčných linií odvozených od pacienta a celých zvířecích modelů. Tyto testy jsou navrženy tak, aby nalezly sloučeniny, které zvrátí fenotyp onemocnění, jako je smrt, agregace proteinu, exprese mutantního proteinu nebo buněčná proliferace, jako příklady v holističtějším buněčném modelu nebo organismu. Pro tyto obrazovky se často používají menší stínící sady, zvláště když jsou modely nákladné nebo časově náročné na provoz. V mnoha případech není přesný mechanismus účinku zásahů z těchto obrazovek znám a ke zjištění může vyžadovat rozsáhlé experimenty s dekonvolucí cíle.

Jakmile byla vytvořena řada olověných sloučenin s dostatečnou cílovou účinností a selektivitou a příznivými vlastnostmi podobnými léčivům, bude pro vývoj léčiva navržena jedna nebo dvě sloučeniny . Nejlepší z nich se obecně nazývá olověná směs , zatímco druhá bude označena jako „záloha“. Tato důležitá rozhodnutí jsou obecně podporována inovacemi výpočetního modelování.

Příroda jako zdroj

Tradičně bylo mnoho léků a dalších chemikálií s biologickou aktivitou objeveno studiem chemikálií, které organismy vytvářejí, aby ovlivnily aktivitu jiných organismů za účelem přežití.

Navzdory vzestupu kombinatorické chemie jako nedílné součásti procesu objevování olova stále hrají přírodní produkty hlavní roli jako výchozí materiál pro objevování léčiv. Zpráva z roku 2007 zjistila, že z 974 malých molekul nových chemických entit vyvinutých v letech 1981 až 2006 bylo 63% přírodních nebo polosyntetických derivátů přírodních produktů . V některých oblastech terapie, jako jsou antimikrobiální látky, antineoplasty, antihypertenziva a protizánětlivá léčiva, byl počet vyšší. V mnoha případech se tyto výrobky používají tradičně již mnoho let.

Přírodní produkty mohou být užitečné jako zdroj nových chemických struktur pro moderní techniky vývoje antibakteriálních terapií.

Z rostlin

Mnoho sekundárních metabolitů produkovaných rostlinami má potenciální terapeutické léčebné vlastnosti. Tyto sekundární metabolity obsahují, váží se a modifikují funkci proteinů (receptory, enzymy atd.). V důsledku toho byly přírodní produkty často používány jako výchozí bod pro objevování léků.

Dějiny

Až do renesance byla drtivá většina léků v západní medicíně výtažky z rostlin. Výsledkem je soubor informací o potenciálu rostlinných druhů jako důležitých zdrojů výchozích materiálů pro objevování léčiv. Botanické znalosti o různých metabolitech a hormonech, které jsou produkovány v různých anatomických částech rostliny (např. Kořeny, listy a květiny), jsou zásadní pro správnou identifikaci bioaktivních a farmakologických vlastností rostlin. Identifikaci nových léků a dostat je schválen pro trh se ukázala být přísnější proces kvůli předpisům stanovených národních protidrogových regulačních agentur .

Jasmonáty

Chemická struktura methyl jasmonátu (JA).

Jasmonáty jsou důležité v reakci na poranění a intracelulární signály. Indukují apoptózu a proteinovou kaskádu prostřednictvím inhibitoru proteinázy , mají obranné funkce a regulují reakce rostlin na různé biotické a abiotické stresy . Jasmonáty mají také schopnost přímo působit na mitochondriální membrány indukováním depolarizace membrány uvolňováním metabolitů .

Deriváty jasmonátu (JAD) jsou také důležité při reakci na rány a regeneraci tkání v rostlinných buňkách. Bylo také zjištěno, že mají účinky proti stárnutí na lidskou epidermální vrstvu. Existuje podezření, že interagují s proteoglykany (PG) a polysacharidy glykosaminoglykanu (GAG) , což jsou základní složky extracelulární matrix (ECM), které pomáhají remodelovat ECM. Objev JAD při opravě kůže přinesl nově nalezený zájem o účinky těchto rostlinných hormonů v terapeutické lékařské aplikaci.

Salicyláty

Chemická struktura kyseliny acetylsalicylové, známější jako Aspirin.

Kyselina salicylová (SA), fytohormon , byla původně odvozena z vrbové kůry a od té doby byla identifikována u mnoha druhů. Je důležitým hráčem v imunitě rostlin , i když jeho roli vědci stále plně nechápou. Podílejí se na reakcích nemocí a imunity v rostlinných a živočišných tkáních. Mají proteiny vázající kyselinu salicylovou (SABP), u nichž se prokázalo, že ovlivňují více zvířecích tkání. První objevené léčivé vlastnosti izolované sloučeniny se podílely na zvládání bolesti a horečky. Rovněž hrají aktivní roli v potlačení buněčné proliferace. Mají schopnost vyvolat smrt v lymfoblastické leukémii a dalších lidských rakovinných buňkách. Jedním z nejběžnějších léků odvozených od salicylátů je aspirin , také známý jako kyselina acetylsalicylová, s protizánětlivými a antipyretickými vlastnostmi.

Mikrobiální metabolity

Mikrobi soutěží o životní prostor a živiny. Aby přežili v těchto podmínkách, mnoho mikrobů vyvinulo schopnosti zabránit množení konkurenčních druhů. Mikrobi jsou hlavním zdrojem antimikrobiálních léčiv. Izoláty Streptomyces byly tak cenným zdrojem antibiotik, že se jim říká léčivé plísně. Klasickým příkladem antibiotika objeveného jako obranný mechanismus proti jinému mikrobu je penicilin v bakteriálních kulturách kontaminovaných houbami Penicillium v roce 1928.

Mořští bezobratlí

Mořské prostředí je potenciálním zdrojem nových bioaktivních látek. Arabinózové nukleosidy objevené u mořských bezobratlých v 50. letech 20. století poprvé prokázaly, že cukerné skupiny jiné než ribóza a deoxyribóza mohou poskytovat bioaktivní nukleosidové struktury. Trvalo to až do roku 2004, kdy byl schválen první lék získaný z moře. Například toxin zikonotidu šiškového šneku , známý také jako Prialt, léčí silnou neuropatickou bolest. Několik dalších činidel odvozených z moří je nyní v klinických studiích pro indikace jako rakovina, protizánětlivé použití a bolest. Jednou třídou těchto činidel jsou sloučeniny podobné bryostatinu , které jsou vyšetřovány jako protirakovinová terapie.

Chemická rozmanitost

Jak bylo uvedeno výše, kombinatorická chemie byla klíčovou technologií umožňující efektivní generování velkých screeningových knihoven pro potřeby vysoce výkonného screeningu. Nyní, po dvou desetiletích kombinatorické chemie, bylo poukázáno na to, že navzdory zvýšené účinnosti v chemické syntéze nebylo dosaženo žádného zvýšení kandidátů na olovo nebo léčivo. To vedlo k analýze chemických charakteristik produktů kombinatorické chemie ve srovnání se stávajícími léky nebo přírodními produkty. Chemoinformatika chemická rozmanitost koncept, který je znázorněn jako rozdělení látek v chemickém prostoru na základě jejich fyzikálně-chemických vlastností, se často používá k popisu rozdíl mezi kombinatorické chemie knihoven a přírodních produktů. Syntetické, kombinatorické knihovny se zdají pokrývat pouze omezený a celkem rovnoměrný chemický prostor, zatímco stávající léčiva a zvláště přírodní produkty vykazují mnohem větší chemickou rozmanitost a rovnoměrněji se distribuují do chemického prostoru. Nejvýraznějšími rozdíly mezi přírodními produkty a sloučeninami v knihovnách kombinatorické chemie je počet chirálních center (mnohem vyšší v přírodních sloučeninách), rigidita struktury (vyšší v přírodních sloučeninách) a počet aromatických skupin (vyšší v knihovnách kombinatorické chemie). Mezi další chemické rozdíly mezi těmito dvěma skupinami patří povaha heteroatomů (O a N obohacené o přírodní produkty a atomy S a halogeny jsou častěji přítomny v syntetických sloučeninách), jakož i míra nearomatické nenasycenosti (vyšší u přírodních produktů). Protože tuhost struktury a chiralita jsou dobře zavedenými faktory v lékařské chemii, o nichž je známo, že zvyšují specificitu a účinnost sloučenin jako léčiva, bylo navrženo, aby se přírodní produkty příznivě srovnávaly s dnešními knihovnami kombinatorické chemie jako potenciální olověné molekuly.

Promítání

Pro hledání nových bioaktivních chemických entit z přírodních zdrojů existují dva hlavní přístupy.

První je někdy označován jako náhodný sběr a screening materiálu, ale sběr zdaleka není náhodný. Biologické (často botanické) znalosti se často používají k identifikaci rodin, které slibují. Tento přístup je účinný, protože pouze malá část biologické rozmanitosti Země byla někdy testována na farmaceutickou aktivitu. Také organismy žijící v prostředí bohatém na druhy musí vyvinout obranné a konkurenční mechanismy, aby přežily. Tyto mechanismy by mohly být využity při vývoji prospěšných léků.

Sbírka rostlinných, živočišných a mikrobiálních vzorků z bohatých ekosystémů může potenciálně vést k novým biologickým aktivitám, které stojí za to využít v procesu vývoje léčiv. Jedním příkladem úspěšného použití této strategie je screening protinádorových látek Národním onkologickým institutem , který byl zahájen v šedesátých letech minulého století. Paklitaxel byl identifikován z tisu tichomořského Taxus brevifolia . Paclitaxel vykazoval protinádorovou aktivitu dříve nepopsaným mechanismem (stabilizace mikrotubulů) a nyní je schválen pro klinické použití k léčbě rakoviny plic, prsu a vaječníků, stejně jako pro Kaposiho sarkom . Na počátku 21. století byl Cabazitaxel (vyrobený francouzskou firmou Sanofi ), další příbuzný taxolu, účinný proti rakovině prostaty , také proto, že působí tak, že brání tvorbě mikrotubulů, které rozdělují chromozomy od sebe v dělících se buňkách (např. jako rakovinné buňky). Dalšími příklady jsou: 1. Camptotheca ( Kamptothecin · Topotecan · Irinotekan · rubitecan · Belotecan ); 2. Podophyllum ( Etoposide · Teniposide ); 3a. Antracykliny ( aklarubicin · daunorubicin · Doxorubicin · Epirubicin · Idarubicin · amrubicin · pirarubicin · Valrubicin · zorubicin ); 3b. Antracenediones ( Mitoxantrone · Pixantrone ).

Druhý hlavní přístup zahrnuje etnobotaniku , studium obecného využití rostlin ve společnosti a etnofarmakologii , oblast uvnitř etnobotaniky, která se zaměřuje konkrétně na medicínská využití.

Artemisinin , antimalarikum ze sladkého červu Artemisia annua , používaný v čínské medicíně od roku 200 př. N. L. Je jedním z léků používaných jako součást kombinované terapie multirezistentního Plasmodium falciparum .

Strukturální objasnění

Objasnění chemické struktury je zásadní, aby se zabránilo opětovnému objevení chemického činidla, které je již známé svou strukturou a chemickou aktivitou. Hmotnostní spektrometrie je metoda, při které jsou jednotlivé sloučeniny identifikovány na základě poměru hmotnost/náboj po ionizaci. Chemické sloučeniny existují v přírodě jako směsi, proto se k oddělení jednotlivých chemikálií často používá kombinace kapalinové chromatografie a hmotnostní spektrometrie (LC-MS). Jsou k dispozici databáze hmotnostních spekter pro známé sloučeniny, které lze použít k přiřazení struktury neznámému hmotnostnímu spektru. Spektroskopie nukleární magnetické rezonance je primární technikou pro určování chemických struktur přírodních produktů. NMR poskytuje informace o jednotlivých atomech vodíku a uhlíku ve struktuře, což umožňuje detailní rekonstrukci architektury molekuly.

Nová aplikace léků

Když se vyvine lék s důkazy v celé jeho historii výzkumu, které ukazují, že je bezpečný a účinný pro zamýšlené použití ve Spojených státech, může společnost podat žádost - New Drug Application (NDA) - aby byla droga komercializována a dostupná pro klinickou aplikaci. Stav NDA umožňuje FDA zkoumat všechny předložené údaje o léku, aby dospěl k rozhodnutí, zda schválit nebo neschválit kandidáta na lék na základě jeho bezpečnosti, specifičnosti účinku a účinnosti dávek.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy

Objev drog v Curlie