H1: INTRODUCTION
1. Course content
2. Medicinal chemistry: a definition
3. Pharmaceutical innovation
- A short history
- Future
4. Modern drug discovery & development
- DPP IV example
5. Pharmaceutical productivity and efficiency
Doelstellingen
● Kennis & inzicht van
- farmacodynamische en farmacokinetische eigenschappen van GM die
bijdragen aan hun werking
- het proces van onderzoek en ontwikkeling van nieuwe GM
● Bespreken van alle GM op de markt alsook nieuwste trends
● Indeling volgens doelwit
- Herhaling biochemie/farmacologie
- Scheikundige eigenschappen
- Ontwikkeling
- SAR
- Werkingsmechanisme op moleculair niveau
- Inleiding tot het therapeutisch gebruik
Medicinale chemie is een chemie-gebaseerde discipline met aspecten van biologische,
medische en farmaceutische wetenschappen. Het draait om de ontdekking, ontwerp,
identificatie en bereiding van biologisch actieve verbindingen, de studie van hun
metabolisme, de interpretatie van hun mechanisme op moleculair niveau en de constructie
van structuur-activiteit relaties.
● Biologisch actieve verbindingen: ontwerp, ontdekking, identificatie, bereiding
↓
● Farmaceutische fase:
- Galenica: fysicochemische eigenschappen van biologisch actief product
verder onderzoeken
- Opschaling = actief product op multi-kg tot ton schaal produceren
↓
● Farmacokinetische fase:
- ADMET (T = toxicologie)
- SPR (structure-property relationship): oplosbaarheid, pKa, logD, H-bindingen:
chemische & metabole stabiliteit
↓
● Farmacodynamische fase:
- Molecule bereikt na reis het doelwit, resulteert in therapeutische werking
- Mechanisme op moleculair niveau
- SAR (structure-activity relationship)
,Modern drug discovery & development
1. DPP IV voorbeeld
In drug discovery & development zijn 3 grote onderverdelingen:
Target discovery:
- Vertrekt van bepaalde ziekte
- Dan komt men bij identificatie van nieuw doelwit
- Validatie
- Screening assay
Drug discovery
Drug development
Target discovery
Disease: type 2 diabetes
- Maaltijd: carboyhydraten, AZ, vetten in darmkanaal
- Maaltijd: signaal aan pancreas om insuline te secreteren
I. Bestgekende signaal tussen darm & betacellen pancreas: verhoging
glucoseconcentratie
II. Neurotransmissie
III. Hormonale weg via incretine hormonen: GLP-1 (glucogen like peptide)
- Insuline werkt in op perifere weefsels (bv lever) zodat minder glucose wordt
aangemaakt & meer glucose wordt opgenomen: bloedsuikerspiegel daalt
- In spiercellen wordt glucose opgeslagen worden ovv glycogen
- In vetcellen wordt glucose opgeslagen ovv energie: triglyceriden.
Bij type 2 diabetes: insuline resistentie! Gedreven door ouderdom, obesitas,.. Insuline is
aanwezig in lichaam maar werkt minder goed in op perifere weefsels door
insulineresistentie, verliest effect grotendeels dus bloedsuikerspiegel verhoogt. Later in
ziekte zien we ook dat minder insuline wordt vrijgesteld, dus 2 effecten samen.
Werking van GLP-1 vermindert ook, minder GLP-1, dit triggerde nieuw GM-onderzoek:
Doelwitidentificatie: GLP-1 & DPP IV
- Maaltijd: L-cellen dunne darm secreteren actief GLP-1 = peptidehormoon bestaande
uit 30 AZ waarbij N-terminaal His, Ala & Glu voorkomen
- GLP-1 verhoogt insuline-secretie & B-cel massa, vermindert glucagon-secretie,
vertraagt maaglediging (gunstig want geleidelijker glucose in bloed & patiënt sneller
voldaan), zorgt thv perifere weefsels dat insuline beter werkt waardoor verbetering
glucose-opname & glycogen-synthese
- Actief GLP-1 heel korte T1/2, snel gehydroliseerd door DPP IV: dipeptidyl peptidase
(peptidase = enzym die peptidebinding hydroliseert)
- DPP splitst dipeptide af: His & Ala afgesplitst van Glu & rest, gebeurt heel snel (2’)
- Dus inhibitoren voor DPP IV ontwikkelen waardoor actief GLP-1 langer bestaat.
Doelwit validatie: DPP IV
Hier: DPP (-/-) muizen: knock-out muizen waar men een bepaald gen uitschakelt, zo muizen
ontwikkelen die op beide chromosomen DPP-vorm die niet enzymatisch actief was.
In deze proefdieren merkte men:
- hoger niveau intact GLP-1
- meer insuline secretie
- verbeterde glucose tolerantie (hoe snel bloedsuikerspiegel terug gestabiliseerd
wordt)
, - in muizen die geen maaltijd kregen bleven normale glucoseniveaus bestaan, is
belangrijk omdat bij veel andere GM gebruikt bij type 2 een belangrijke nevenwerking
hypoglycemie is
- vetrijk dieet: deze muizen zijn langer beschermd tegen hyperglycemie, insuline
resistentie & obesitas
Experimentele DPP IV inhibitoren: glucosetolerantie verbeterde bij proefdieren nl. normale
& diabetische knaagdieren waarna varkens & apen.
Target discovery
- Ontwikkelen van screening systeem: zo gemaakt dat op vrij korte tijd heel veel
moleculen getest kunnen worden om vrij snel aangrijpingspunten te vinden om
GM-onderzoek verder te zetten
- Vrij snel: test zo ontwerpen dat die geautomatiseerd kan worden & niet alleen robots
dat uitvoeren maar uitlezing zo makkelijk is dat geautomatiseerd afleessysteem
makkelijk kan meten of er een bepaald effect is in de test of niet
- Hier: dipeptide analoog aangemaakt, na deze hydrolyse zal p-nitroaniline vrijgesteld
worden dat goede chromofoor heeft & makkelijk absorbantie te meten bij 405 nm dus
als DPP IV wordt substraat gehydrolyseerd & kan je het aflezen bij 405 nm
- Als je DPP IV inhibitor die de activiteit helemaal of deels blokkeert krijg je minder
hydrolyse dus minder absorbantie bij 405 nm.
Drug discovery
- hit identification
- lead identification
- lead optimization
- drug candidate selection
Origin of hit and lead compounds
Waar kunnen chemische moleculen vandaan komen?
2 belangrijke bronnen waarbij 1 bron meer random aanpak heeft
gebaseerd op toeval: HTS = high trough-put screening waarbij op zeer snelle manier zeer
veel moleculen getest worden. In farm. bedrijf wordt het bij elke drug discovery gebruikt, in
testsysteem kunnen op korte tijd van dagen enkele 100.000-1 à 2 miljoen moleculen getest
worden komende uit bibliotheken, synthetisch van oorsprong die het bedrijf doorheen de
geschiedenis van het bedrijf heeft opgebouwd.
● Random approach: HTS
Gebaseerd op toeval proberen om hit & lead verbindingen te identificeren
- Synthetische verbinding bibliotheken: vnl (opgebouwd in bedrijven maar
kunnen ook gekocht worden)
- Combinatorial libraries
- Natuurlijke verbindingen: gistextracten, plantenbronnen,..
● Knowledge-based approach
- Literatuur & patenten: als doelwit al langer bestaat is er misschien al
literatuur of patenten waar het in staat
- Endogene ligand: als je substraat van enzym kent dan is dat de endogene
ligand van je doelwit, geeft structuur waarvan je kan vertrekken (ook zo bij
DPP IV)
, - Structuur-gebaseerd ligand design: obv structuur van het doelwit nieuwe
moleculen uitwerpen (3D-structuur op computer & programma’s die nieuwe
moleculen kunnen passen in dat doelwit)
- Mechanisme van het doelwit: peptidase, we weten hoe dat werkt, obv
mechanisme nieuwe moleculen voorstellen
- Geprivilegieerde structuren
- Virtuele screening: itt high throughput screening waar echte moleculen
getest worden, hier virtueel moleculen testen & zien of het bindt, als het bindt
zien hoe goed het bindt
Als je HTS doet van 1 miljoen moleculen dan gaan er een aantal moleculen zijn die positieve
resultaat geven in testsysteem. Deze moleculen testen aan bepaalde concentratie bv 10
micromolair en zeggen dat alle moleculen die aan die concentratie meer dan 50% inhibitie
geven (bij enzym) of meer dan 50% de activiteit van een receptor blokkeren (antagonist)
beschouwen als primaire hit verbindingen. Bij 1 miljoen verbindingen 10.000 positieve
moleculen = 1% van de moleculen die een effect geven.
Belangrijk om dan te bevestigen dat die hit verbinding echt een hit verbinding is: dat test
positief blijft als test herhaald wordt! Confirmed hit: zien of de verbindingen nog altijd actief
zijn en of het niet te wijten is aan niet-specifieke effecten bv je genereert een kleur bij 405
nm maar je molecule geeft zelf absorbantie bij 405 nm dan zal het de test beïnvloeden
zonder het iets te maken heeft met DPP IV want niet-specifiek effect.
Hit verbindingen valideren: validated hit: 2de test doen, stel je werkt op bacterieel doelwit
en molecule geeft effect op enzym dan testen op bacterie zelf om te zien dat dat effect blijft
bestaan. Men kijkt hier ook bij dosis-afhankelijkheid (hogere dosis meer effect), soms gaat
men iets van selectiviteit meenemen: stel je werkt op receptorsysteem op een bepaald
subtype dan zet je er een ander subtype naast waar je wil dat er geen of minder activiteit is,
zo zekere vorm van selectiviteit bekijken.
Ook eisen qua potentie aanscherpen, bij primaire hit bv 50% inhibitie bij 10 micromolair,
hier bv EC50 of IC50 < 1micromolair. Vragen aan scheikundigen dat structuur bevestigd
wordt dus opnieuw synthese doen van geteste structuur om aan te tonen dat
nieuw-gesynthetiseerde verbinding nog altijd die activiteit heeft. Validated hit: we zijn zeker
dat de activiteit aan de structuur ligt, dat die dosis-afhankelijk, voldoende krachtig en
mogelijk voldoende selectief is al.
Hit series: gevalideerde hitverbindingen clusteren in hitreeksen, structuren met gelijkaardige
structuur bij elkaar steken, geeft preliminaire SAR (structuur-activiteitsrelatie)
Hoe bij DPP IV gedaan: 2 aanpakken gecombineerd (rationeel & random aanpak)
Rationeel gebruikt verschillende kennisbronnen om te komen tot voorstel van mogelijke
DPP IV inhibitor:
Mechanisme: we weten dat het een peptidase is, dipeptide wordt afgesplitst.
3D-structuur: we komen tot voorstel van reversibele serine protease inhibitoren
Specificiteit: als dit de substraatstructuur is
waar P1 de zijketen is van het preferentiële
AZ op deze plaats, en P2 en P3 en zo
verder, en P1’ aan de andere kant van de
amidebinding die wordt gehydroliseerd, heel
eenvoudig doen: rode amidebinding
weglaten waardoor je competitief reversibele
inhibitor ontwikkelt van dat serine protease.
1. Course content
2. Medicinal chemistry: a definition
3. Pharmaceutical innovation
- A short history
- Future
4. Modern drug discovery & development
- DPP IV example
5. Pharmaceutical productivity and efficiency
Doelstellingen
● Kennis & inzicht van
- farmacodynamische en farmacokinetische eigenschappen van GM die
bijdragen aan hun werking
- het proces van onderzoek en ontwikkeling van nieuwe GM
● Bespreken van alle GM op de markt alsook nieuwste trends
● Indeling volgens doelwit
- Herhaling biochemie/farmacologie
- Scheikundige eigenschappen
- Ontwikkeling
- SAR
- Werkingsmechanisme op moleculair niveau
- Inleiding tot het therapeutisch gebruik
Medicinale chemie is een chemie-gebaseerde discipline met aspecten van biologische,
medische en farmaceutische wetenschappen. Het draait om de ontdekking, ontwerp,
identificatie en bereiding van biologisch actieve verbindingen, de studie van hun
metabolisme, de interpretatie van hun mechanisme op moleculair niveau en de constructie
van structuur-activiteit relaties.
● Biologisch actieve verbindingen: ontwerp, ontdekking, identificatie, bereiding
↓
● Farmaceutische fase:
- Galenica: fysicochemische eigenschappen van biologisch actief product
verder onderzoeken
- Opschaling = actief product op multi-kg tot ton schaal produceren
↓
● Farmacokinetische fase:
- ADMET (T = toxicologie)
- SPR (structure-property relationship): oplosbaarheid, pKa, logD, H-bindingen:
chemische & metabole stabiliteit
↓
● Farmacodynamische fase:
- Molecule bereikt na reis het doelwit, resulteert in therapeutische werking
- Mechanisme op moleculair niveau
- SAR (structure-activity relationship)
,Modern drug discovery & development
1. DPP IV voorbeeld
In drug discovery & development zijn 3 grote onderverdelingen:
Target discovery:
- Vertrekt van bepaalde ziekte
- Dan komt men bij identificatie van nieuw doelwit
- Validatie
- Screening assay
Drug discovery
Drug development
Target discovery
Disease: type 2 diabetes
- Maaltijd: carboyhydraten, AZ, vetten in darmkanaal
- Maaltijd: signaal aan pancreas om insuline te secreteren
I. Bestgekende signaal tussen darm & betacellen pancreas: verhoging
glucoseconcentratie
II. Neurotransmissie
III. Hormonale weg via incretine hormonen: GLP-1 (glucogen like peptide)
- Insuline werkt in op perifere weefsels (bv lever) zodat minder glucose wordt
aangemaakt & meer glucose wordt opgenomen: bloedsuikerspiegel daalt
- In spiercellen wordt glucose opgeslagen worden ovv glycogen
- In vetcellen wordt glucose opgeslagen ovv energie: triglyceriden.
Bij type 2 diabetes: insuline resistentie! Gedreven door ouderdom, obesitas,.. Insuline is
aanwezig in lichaam maar werkt minder goed in op perifere weefsels door
insulineresistentie, verliest effect grotendeels dus bloedsuikerspiegel verhoogt. Later in
ziekte zien we ook dat minder insuline wordt vrijgesteld, dus 2 effecten samen.
Werking van GLP-1 vermindert ook, minder GLP-1, dit triggerde nieuw GM-onderzoek:
Doelwitidentificatie: GLP-1 & DPP IV
- Maaltijd: L-cellen dunne darm secreteren actief GLP-1 = peptidehormoon bestaande
uit 30 AZ waarbij N-terminaal His, Ala & Glu voorkomen
- GLP-1 verhoogt insuline-secretie & B-cel massa, vermindert glucagon-secretie,
vertraagt maaglediging (gunstig want geleidelijker glucose in bloed & patiënt sneller
voldaan), zorgt thv perifere weefsels dat insuline beter werkt waardoor verbetering
glucose-opname & glycogen-synthese
- Actief GLP-1 heel korte T1/2, snel gehydroliseerd door DPP IV: dipeptidyl peptidase
(peptidase = enzym die peptidebinding hydroliseert)
- DPP splitst dipeptide af: His & Ala afgesplitst van Glu & rest, gebeurt heel snel (2’)
- Dus inhibitoren voor DPP IV ontwikkelen waardoor actief GLP-1 langer bestaat.
Doelwit validatie: DPP IV
Hier: DPP (-/-) muizen: knock-out muizen waar men een bepaald gen uitschakelt, zo muizen
ontwikkelen die op beide chromosomen DPP-vorm die niet enzymatisch actief was.
In deze proefdieren merkte men:
- hoger niveau intact GLP-1
- meer insuline secretie
- verbeterde glucose tolerantie (hoe snel bloedsuikerspiegel terug gestabiliseerd
wordt)
, - in muizen die geen maaltijd kregen bleven normale glucoseniveaus bestaan, is
belangrijk omdat bij veel andere GM gebruikt bij type 2 een belangrijke nevenwerking
hypoglycemie is
- vetrijk dieet: deze muizen zijn langer beschermd tegen hyperglycemie, insuline
resistentie & obesitas
Experimentele DPP IV inhibitoren: glucosetolerantie verbeterde bij proefdieren nl. normale
& diabetische knaagdieren waarna varkens & apen.
Target discovery
- Ontwikkelen van screening systeem: zo gemaakt dat op vrij korte tijd heel veel
moleculen getest kunnen worden om vrij snel aangrijpingspunten te vinden om
GM-onderzoek verder te zetten
- Vrij snel: test zo ontwerpen dat die geautomatiseerd kan worden & niet alleen robots
dat uitvoeren maar uitlezing zo makkelijk is dat geautomatiseerd afleessysteem
makkelijk kan meten of er een bepaald effect is in de test of niet
- Hier: dipeptide analoog aangemaakt, na deze hydrolyse zal p-nitroaniline vrijgesteld
worden dat goede chromofoor heeft & makkelijk absorbantie te meten bij 405 nm dus
als DPP IV wordt substraat gehydrolyseerd & kan je het aflezen bij 405 nm
- Als je DPP IV inhibitor die de activiteit helemaal of deels blokkeert krijg je minder
hydrolyse dus minder absorbantie bij 405 nm.
Drug discovery
- hit identification
- lead identification
- lead optimization
- drug candidate selection
Origin of hit and lead compounds
Waar kunnen chemische moleculen vandaan komen?
2 belangrijke bronnen waarbij 1 bron meer random aanpak heeft
gebaseerd op toeval: HTS = high trough-put screening waarbij op zeer snelle manier zeer
veel moleculen getest worden. In farm. bedrijf wordt het bij elke drug discovery gebruikt, in
testsysteem kunnen op korte tijd van dagen enkele 100.000-1 à 2 miljoen moleculen getest
worden komende uit bibliotheken, synthetisch van oorsprong die het bedrijf doorheen de
geschiedenis van het bedrijf heeft opgebouwd.
● Random approach: HTS
Gebaseerd op toeval proberen om hit & lead verbindingen te identificeren
- Synthetische verbinding bibliotheken: vnl (opgebouwd in bedrijven maar
kunnen ook gekocht worden)
- Combinatorial libraries
- Natuurlijke verbindingen: gistextracten, plantenbronnen,..
● Knowledge-based approach
- Literatuur & patenten: als doelwit al langer bestaat is er misschien al
literatuur of patenten waar het in staat
- Endogene ligand: als je substraat van enzym kent dan is dat de endogene
ligand van je doelwit, geeft structuur waarvan je kan vertrekken (ook zo bij
DPP IV)
, - Structuur-gebaseerd ligand design: obv structuur van het doelwit nieuwe
moleculen uitwerpen (3D-structuur op computer & programma’s die nieuwe
moleculen kunnen passen in dat doelwit)
- Mechanisme van het doelwit: peptidase, we weten hoe dat werkt, obv
mechanisme nieuwe moleculen voorstellen
- Geprivilegieerde structuren
- Virtuele screening: itt high throughput screening waar echte moleculen
getest worden, hier virtueel moleculen testen & zien of het bindt, als het bindt
zien hoe goed het bindt
Als je HTS doet van 1 miljoen moleculen dan gaan er een aantal moleculen zijn die positieve
resultaat geven in testsysteem. Deze moleculen testen aan bepaalde concentratie bv 10
micromolair en zeggen dat alle moleculen die aan die concentratie meer dan 50% inhibitie
geven (bij enzym) of meer dan 50% de activiteit van een receptor blokkeren (antagonist)
beschouwen als primaire hit verbindingen. Bij 1 miljoen verbindingen 10.000 positieve
moleculen = 1% van de moleculen die een effect geven.
Belangrijk om dan te bevestigen dat die hit verbinding echt een hit verbinding is: dat test
positief blijft als test herhaald wordt! Confirmed hit: zien of de verbindingen nog altijd actief
zijn en of het niet te wijten is aan niet-specifieke effecten bv je genereert een kleur bij 405
nm maar je molecule geeft zelf absorbantie bij 405 nm dan zal het de test beïnvloeden
zonder het iets te maken heeft met DPP IV want niet-specifiek effect.
Hit verbindingen valideren: validated hit: 2de test doen, stel je werkt op bacterieel doelwit
en molecule geeft effect op enzym dan testen op bacterie zelf om te zien dat dat effect blijft
bestaan. Men kijkt hier ook bij dosis-afhankelijkheid (hogere dosis meer effect), soms gaat
men iets van selectiviteit meenemen: stel je werkt op receptorsysteem op een bepaald
subtype dan zet je er een ander subtype naast waar je wil dat er geen of minder activiteit is,
zo zekere vorm van selectiviteit bekijken.
Ook eisen qua potentie aanscherpen, bij primaire hit bv 50% inhibitie bij 10 micromolair,
hier bv EC50 of IC50 < 1micromolair. Vragen aan scheikundigen dat structuur bevestigd
wordt dus opnieuw synthese doen van geteste structuur om aan te tonen dat
nieuw-gesynthetiseerde verbinding nog altijd die activiteit heeft. Validated hit: we zijn zeker
dat de activiteit aan de structuur ligt, dat die dosis-afhankelijk, voldoende krachtig en
mogelijk voldoende selectief is al.
Hit series: gevalideerde hitverbindingen clusteren in hitreeksen, structuren met gelijkaardige
structuur bij elkaar steken, geeft preliminaire SAR (structuur-activiteitsrelatie)
Hoe bij DPP IV gedaan: 2 aanpakken gecombineerd (rationeel & random aanpak)
Rationeel gebruikt verschillende kennisbronnen om te komen tot voorstel van mogelijke
DPP IV inhibitor:
Mechanisme: we weten dat het een peptidase is, dipeptide wordt afgesplitst.
3D-structuur: we komen tot voorstel van reversibele serine protease inhibitoren
Specificiteit: als dit de substraatstructuur is
waar P1 de zijketen is van het preferentiële
AZ op deze plaats, en P2 en P3 en zo
verder, en P1’ aan de andere kant van de
amidebinding die wordt gehydroliseerd, heel
eenvoudig doen: rode amidebinding
weglaten waardoor je competitief reversibele
inhibitor ontwikkelt van dat serine protease.
