Giovanni Greco » 10.Approcci alla ottimizzazione del composto guida

Quali sostanze sintetizzare?

Nella lezione precedente abbiamo definito il composto guida come una struttura prototipo da “ottimizzare” nella ricerca di alcuni suoi derivati e analoghi dotati di caratteristiche farmacologiche migliori.

Quali sono le strategie adottate dai chimici farmaceutici nella progettazione di nuovi composti?
In altre parole, quali criteri deve seguire il chimico farmaceutico per decidere quale sostanza deve essere la prossima ad essere sintetizzata?

In figura: nello schema di ottimizzazione di un composto guida è consigliabile adottare dei criteri razionali per progettare le nuove sostanze.

Criterio della fattibilità sintetica

Progettare derivati e analoghi di un composto guida abbastanza facili da sintetizzare consente di delineare in tempi ragionevoli le prime relazioni struttura-attività (SAR).

Ad esempio, nella classe dei sulfamidici antibatterici l’inserimento di funzioni aciliche e alchiliche sugli atomi d’azoto N¹ (solfonamidico) ed N⁴ (anilinico) della sulfanilamide, preso come composto guida, era un procedimento sintetico relativamente semplice.
Lo schema riportato nella diapositiva successiva illustra la preparazione di alcuni di questi derivati, alcuni dei quali sono attivi ed altri inattivi come antibatterici (vedi strutture a lato).
Presto divenne evidente che:

• l’azoto N⁴ non tollera sostituenti
• l’azoto N¹ può essere legato ad un solo sostituente e in alcuni casi si ottengono composti più attivi

Queste SAR indirizzarono il lavoro successivo dei ricercatori sui sulfamidici N¹-monosostituiti alcuni dei quali sono ancora oggi usati in terapia.

In figura: dal confronto tra composti attivi e composti inattivi, tutti derivati di un composto guida, emergono le prime SAR.

Sintesi di analoghi della sulfanilamide

In figura: sintesi della sulfanilamide e di alcuni suoi analoghi. Le molecole in blu e in rosso sono, rispettivamente, attive o inattive come agenti antibatterici.

Derivatizzazione e semplificazione molecolare (segue)

Quando il composto guida è un prodotto di origine naturale con una struttura complessa, il chimico farmaceutico ha di fronte a sé due strade.

1) Preparare derivati semisintetici del composto guida (es. esteri, eteri, prodotti di idrolisi, di riduzione o di ossidazione) utilizzando lo stesso composto guida come materia prima. Questo approccio è noto come derivatizzazione o funzionalizzazione.

2) Preparare dei prodotti interamente per sintesi, caratterizzati possibilmente da una struttura più semplice di quella del composto guida. Questo approccio è noto come semplificazione molecolare.

L’antibatterico eritromicina e l’antimalarico chinina, (isolati dall’attinomicete Streptomyces erythreus e, rispettivamente, dalla corteccia di alberi del genere Cinchona) sono stati utilizzati come composti guida nella preparazione di derivati e analoghi semisintetici.

Derivatizzazione e semplificazione molecolare (segue)

Un esempio di approccio di derivatizzazione di un composto guida è offerto dalla trasformazione della eritromicina nel suo O⁶-metiletere claritromicina. Rispetto all’antibiotico naturale eritromicina, la claritromicina offre il vantaggio di essere meglio tollerata a livello gastrointestinale grazie alla sua maggiore stabilità al pH acido del succo gastrico.

Un esempio di approccio di semplificazione molecolare è la sintesi completa della meflochina, progettata avendo come riferimento la struttura della chinina. Rispetto alla chinina, la meflochina è un antimalarico altrettanto efficace ma molto più maneggevole.

Concetto di farmacoforo

La sintesi e il saggio dei primi derivati e analoghi di un composto consente di evidenziare il farmacoforo, ossia l’insieme dei raggruppamenti chimici essenziali per una determinata attività farmacologica.

Nella serie degli antibatterici chinolonici il farmacoforo è rappresentato da un sistema biciclico planare, dai gruppi C=O e COOH e da un azoto endociclico legato a un sostituente alchilico o arilico (vedi strutture a lato).

In figura: Il farmacoforo degli antibatterici chinolonici è evidenziato in grassetto. I composti inattivi mancano di uno o più elementi farmacoforici.

Farmacoforo tridimensionale

Se le strutture appartenenti ad una classe di farmaci sono flessibili è importante stabilire la disposizione spaziale degli elementi che compongono il farmacoforo. In questi casi si parla di farmacoforo tridimensionale.

Per derivare un farmacoforo tridimensionale è necessario evidenziare sia i raggruppamenti chimici fondamentali per l’attività ma anche determinare le conformazioni bioattive dei composti esaminati.

In figura sono riportati i modelli molecolari di alcuni agonisti del recettore k-oppioide sovrapposti a livello dei raggruppamenti farmacoforici. Ciascuno di questi composti è stato modellato nella sua presunta conformazione bioattiva.

Analoghi rigidi

Nella lezione n. 6, dedicata alle interazioni farmaco-recettore, è stato accennato al fatto che i composti conformazionalmente più rigidi sono di solito più attivi di quelli flessibili. Ciò si verifica se l’analogo rigido è caratterizzato da una corretta disposizione dei suoi elementi farmacoforici e se non presenta una porzione stericamente incompatibile con il recettore.

Inoltre, un analogo rigido è spesso più selettivo nei confronti del suo recettore poiché è meno adattabile alle esigenze steriche di altri siti di legame.

Tenendo conto di queste evidenze, i ricercatori preparano, quando è sinteticamente possibile, analoghi rigidi del composto guida. Ad esempio, l’isoguvacina è un analogo rigido del neurotrasmettitore inibitorio acido Υ-aminobutirrico (GABA).

Analoghi flessibili

In alcuni casi sono stati progettati analoghi flessibili di ormoni o di metaboliti.
Un esempio di questo approccio è la progettazione del farmaco antierpetico aciclovir come analogo a catena aperta del nucleoside naturale deossiguanosina.

Una volta penetrato nelle cellula di mammifero infettata dal virus, l’aciclovir viene fosforilato ad aciclovir trifosfato. Questo nucleotide funge da falso substrato della DNA polimerasi virale poiché viene incorporato nella catena di DNA virale. Dato che l’aciclovir è privo del gruppo 3′-OH, l’allungamento della catena di DNA virale si arresta.

In figura: l’aciclovir è un farmaco antierpetico progettato come analogo flessibile della deossiguanosina.

Isosteria “classica”

Il criterio dell’isosteria è uno dei metodi più diffusi nella progettazione di composti bioattivi. Due composti si definiscono isosteri “classici” se presentano lo stesso numero di elettroni nel guscio di valenza. Le strutture riportate a lato sono in rapporto di isosteria.

La progettazione basata sull’isosteria è piuttosto semplice e conduce alla sintesi di composti molto simili l’uno rispetto all’altro.
Nonostante la sua semplicità, questo metodo ha dato ottimi risultati.

Isosteria “classica” (segue)

Un esempio di applicazione del criterio di isosteria è offerto dalla progettazione del farmaco antineoplastico aminopterina, un inibitore dell’enzima diidrofolato reduttasi. L’aminopterina è derivata dall’acido folico rimpiazzando formalmente l’ossidrile di questo metabolita con un gruppo aminico isosterico.

Bioisosteria

L’isosteria classica si è evoluta nella cosiddetta bioisosteria. Bioisosteri sono composti con simili caratteristiche chimiche e fisiche. Spesso i bioisosteri interagiscono in maniera simile con il recettore.

Il tiamfenicolo è stato progettato come bioisostero dell’antibiotico cloramfenicolo. Infatti i gruppi SO₂CH₃ e NO₂ delle due molecole sono entrambi elettron-attrattori, idrofili e in grado di donare legami ad idrogeno.
Questi due antibiotici inibiscono la sintesi proteica legandosi alla subunità 50S del ribosoma batterico.

Progettazione basata sulla struttura del recettore

Capita sempre più spesso che i ricercatori riescano a determinare la struttura tridimensionale del recettore bersaglio con metodi di diffrattometria ai raggi-X.
Nella maggior parte dei casi le strutture proteiche risolte sono quelle di enzimi idrosolubili anche se, recentemente, sono state ottenute le strutture di due recettori accoppiati alle proteine G di specie umana: il recettore β₂-adrenergico e il recettore A_2A-adenosinico.

Le informazioni più accurate sul sito di legame del recettore si ottengono quando si dispone della struttura tridimensionale di un complesso ligando-recettore. Tali informazioni sono molto utili per progettare composti più potenti rispetto al composto guida. Questo metodo di progettazione (structure-based design) è più efficiente dei metodi basati sulla struttura dei ligandi (ligand-based design).

In figura: struttura tridimensionale della diidrofolato reduttasi (DHFR) di E. coli complessata con l’inibitore metotressato.

Progettazione basata sulla struttura del recettore (segue)

Uno dei farmaci progettati attraverso l’esame dell’interazione ligando-recettore è lo zanamivir. Questo farmaco fu introdotto alla fine degli anni Novanta nella profilassi e nel trattamento delle forme influenzali di tipo A e B grazie alla sua capacità di inibire la neuraminidasi, un enzima che consente il rilascio dei virioni dalle cellule infettate per attaccare altre cellule.

La struttura tridimensionale della neuraminidasi complessata con l’acido 2,3-deidro-N-acetilneuraminico (DANA), un suo debole inibitore, aveva suggerito ai ricercatori della Glaxo-Wellcome che rimpiazzando l’ossidrile nella posizione 4 dell’anello diidropiranico del DANA con un gruppo guanidinico avrebbero ottenuto un inibitore molto più potente. Tale previsione era basata sull’ipotesi che il gruppo guanidinico, protonato al pH fisiologico, poteva instaurare ponti salini con i gruppi COO^- dell’aspartato 151 e del glutammato 227 presenti nel sito catalitico. In accordo con le simulazioni di docking, il composto progettato, lo zanamivir, si rivelò molto più potente del DANA come inibitore della neuraminidasi.

In figura: lo zanamivir è un potente inibitore della neuraminidasi dei virus influenzali A e B. Questo farmaco fu progettato avendo come riferimento la struttura del DANA orientato nel sito catalitico dell’enzima.

Esercizi

Immagina di dover progettare una serie di derivati e analoghi del composto guida riportato a lato.

Quali potrebbero essere le prime 10 molecole che sintetizzeresti e faresti saggiare per ricavare le prime relazioni struttura-attività? Motiva le tue scelte.

Proponi uno schema generale di sintesi applicabile alla maggior parte dei derivati del composto guida.

Quali composti progetteresti per valutare il ruolo della funzione acetilica nell’interazione con il recettore?
Scrivi le strutture di almeno 4 isosteri classici del composto guida.

Quali modifiche apporteresti alla struttura del composto guida al fine di migliorare la sua solubilità in acqua?