Het geneesmiddel I
H1: SOORTEN GENEESMIDDELEN EN ONTDEKKING VAN GENEESMIDDELEN
Proces van identificatie van nieuwe lead-producten -> reeks moleculen
werkingsmechanismen -> ‘wat je wil aanpakken’
--> meer moleculen ontwikkelen die potenter, minder toxisch -> selectiever zijn
--> farmacokinetiek: wat je lichaam ermee kan doen (absorptie/plaats/distributie/metabolisatie/afbraakmechanisme/…)
2.1 ONTDEKKING
toevalligheden ----------------------> rationele ontwikkeling (meer kennis)
- Toevallige observatie
- Gelukkige vindingen
- Van “horen zeggen”
- Screening van grote aantallen moleculen
2.1 STRATEGIEËN OM NIEUWE GENEESMIDDELEN TE ONTDEKKEN
1. MODIFICATIE/VERBETERING BESTAANDE MIDDELEN (“me-too”-products/kopieën)
- geneesmiddel vinden -> analoge maken -> testen -> beste gevonden -> patenteren! (middel is van u, monopolie/alleenrecht)
- beter = makkelijker/veilig/actiever/aanvaardbaar voor patiënt
- bv. producten voor hoge bloeddruk van verschillende firma’s -> zelfde profiel (enalapril, ramipril, perinopril…)
- Testen -> dieren klinisch testen -> menselijke patiënten
VOORDELEN: NADELEN:
- meer zekerheid van resultaat - Oorspronkelijke uitvinder heeft technologische en
- vergelijkbare/betere activiteit wetenschappelijke voorsprong
- gemakkelijker (farmacologische- en klinische studies - Gebruik van zelfde testsystemen -> zelfde type producten
- testen in bestaande testsystemen (niet innovatief)
- eigen product: geen licentierechten - Oorspronkelijke product al op de markt ->
- investering in fundamenteel onderzoek is lager naambekendheid
- op lange termijn ver van origineel
- onverwachte ontdekkingen
2. SYSTEMATISCHE SCREENING
A. UITGEBREIDE-
Originele chemie: nieuwe reactie -> nieuwe molecule (-> testen op zoveel mogelijk verschillende zaken)
- Tijdrovend & duur
- Kostbare producten
- Nieuw -> geen aanknopingspunt
VOORDEEL: leidt tot ontdekking originele moleculen
NADEEL: succes hangt af van intuïtie en talent farmacologen
B. RANDOM-
Groot aantal moleculen testen op vooraf bepaald therapeutisch doel
VOORDEEL: met succes toegepast in het verleden (bv. antibiotica)
NADEEL: wisselend resultaat (bv. antimalaria middelen)
C. HIGH-THROUGHPUT-
Nieuwe technologieën: robotica (automatisatie), miniaturisatie (minder testproduct), informatica (aansturen, data analyseren)…
Groot aantal moleculen -> uitgebreide studie
Testen met geïnfecteerde cellen: kleurmethode -> activiteit en toxiteit testen -> selectief product
VOORDELEN:
- combinatie voordelen uitgebreide- en random screening
- verhogen van de synthesecapaciteit
NADELEN:
- Hoe kan ik blijven voor voldoende interessante moleculen zorgen?
- Hoe moet ik omgaan met de fenomenale hoeveelheid informatie?
D. EVALUEREN V.D. ACTIVITEIT TUSSENPRODUCTEN
- Geneesmiddel ontwikkelen: reeks chemische stappen
-> tussenproducten, (eigenlijk ook “me-too’s”) ook testen
- Beschermdoppen (roze bollen) -> chemische reactie op de juiste plaats krijgen
1
,3. GEBRUIK BIOLOGISCHE INFORMATIE
A. EFFECTEN VASTGESTELD BIJ DE MENS
1. Ethnofarmacologie: natuurlijke producten als (vroeger enige) bron van geneesmiddelen
bv. aspirine (wilg), atropine, nicotine, efedrine, cocaïne, theophylline…
2. Klinische observatie nevenwerkingen: nevenwerkingen -> enorm aanbod lead-producten
bv. promethazine -> antihistaminicum met als nevenwerking: slaperigheid -> ontdekking chlorpromazine (= antipsychoticum)
3. Toevallige vaststellingen in industrie:
bv. Dynamiet -> bloedvatverwijding (nitroglycerine)
Latex + tetraethylthiuram (vulkaniseren) -> verharde rubber
-> na contact met tetraethylthiuram kon men geen alcohol meer verdragen
-> verklaring: disulfiram inhibeert het enzym (aldehydedehydrogenase) dat acetaldehyde naar azijnzuur omzet
-> dit leidt tot braken, hartkloppingen… -> nu: middel tegen alcoholmisbruik
B. EFFECTEN VASTGESTELD BIJ DIEREN
bv. Vergisting honingklaver -> fatale maagbloedingen koeien
-> verklaring: dicoumarol --> synthetische warfarine: rattenvergif
-> bloed verdunnende werking (juiste dosering)
-> vitamine K (bv. broccoli) = tegengif
C. EFFECTEN VASTGESTELD IN PLANTENRIJK EN MICROBIOLOGIE
bv. penicilline (Flemming ≠ ontdekker)
-> wel: 1878 Louis Pasteur (idee), Emile Roux (leerling), Ernest Duchesne (onderzoeker) -> in de ‘vergeethoek’
-> Flemming: schimmels op oude petriplaten remden de groei van de bacteriën -> penicilline
4. GEPLAND ONDERZOEK
- Mogelijk o.w.v. betere kennis van chemische structuren, receptoren…
- Kennis van de oorzaak van een aandoening = basis
bv. ziekte van Parkinson -> vaststelling: dopaminetekort in bepaald deel van de hersenen
-> oplossing: dopamine toedienen
-> probleem: hersen-bloedbarrière
-> omzetting: L-dopa + dopa-decarboxylase -> dopamine (L-dopa raakt wel door barrière)
-> oplossing: L-dopa toedienen -> lost te snel op -> inhibitor dopa-decarboxylase toedienen, die enkel
de omzetting buiten de hersenen tegengaat omdat die niet door barrière geraakt.
bv. angiotensine-converting enzyme (ACE) inhibitoren
-> ACE katalyseert twee reacties:
1. Angiotensine I (inactief) --> Angiotensine II (vaatvernauwend)
2. inactivitei van bradykinine (vaatverwijdend)
-> hoge bloeddruk: - converting enzyme herkent Angiotensine I
- knipt 2 blokjes eraf
- Angiotensine II
- vaatvernauwing -> bloeddruk daalt (en omgekeerd…)
H2: RATIONELE DRUG DESIGN
- Ontdekking nieuw geneesmiddel: toeval/screening/rationele ontwikkeling
- Moleculaire modelling:
-> binding/interacties molecule
-> vorm/structuur molecule
-> rekening houden met ALLE bewegingen
2.1 INTERACTIES TUSSEN MOLECULEN
2.1.1 OP LANGE AFSTAND
Elektrostatische interactie:
- tegengestelde ladingen trekken elkaar aan en gelijke ladingen stoten elkaar af (Cloulomb)
- neutrale atomen: atomaire partiële ladingen (o.w.v. ∆EN)
2.1.2 OP GEMIDDELDE AFSTAND
Waterstofbruggen:
- niet-covalente waarbij H (gebonden aan sterk E.N. atoom) elektrostatisch wordt aangetrokken tot een ander
- E.N. atoom met een vrij elektronenpaar ter beschikking
- EN = neiging van een atoom om elektronen naar zich toe te trekken
2
, 2.1.3 OP KORTE AFSTAND
Van der Waals interactie:
- Atomen naderen -> tijdelijke dipolen -> zwakke niet specifieke aantrekkingskracht ontstaat
- Na overlapping -> afstoting
- Som aantrekking + afstoting -> er is een punt waar de energie minimaal is (ɛ) -> elektronen vibreren rond dit optimum
Hydrofobe interactie:
- Water: polair, sterk cohesief, H-brugdoner en -acceptor
- Apolaire molecule in water -> wil zo weinig mogelijk contact -> H2O-moleculen organiseren zicht (vergt energie!)
- Twee apolaire moleculen in water -> stijging entropie -> stoffen aggregeren -> scheiding in polaire en apolaire laag
Aromatische interactie:
- Buitenkant benzeenring -> meer pos. (H) en binnenkant -> meer neg. (C)
- 𝜋 - 𝜋 -interactie tussen twee aromatische systemen
-> 3 manieren (1. edge to face, 2. face to face, 3. face to face)
1. 2. 3.
- kation- 𝜋 interactie tussen aromatisch systeem en kation
2.2 STRUCTUUR VAN MOLECULEN
STRUCTUUR ACHTERHALEN
NMR (nucleaire magnetische resonantie):
- Kernen bestuderen (energiepakketjes sturen naar atomen -> bep. hoeveelheid zorgt voor spin up -> daarna
terugvallen/exciteren = magnetisch veldje -> identificeren)
- Voordeel -> flexibele delen
Kristalfotografie (X-ray):
- Molecule opzuiveren, nadien kristalliseren (want de manier waarop molecule kristalliseren hangt af van hun structuur)
- Nadeel -> niet persee een beeld dat overeenkomt met de realiteit
- Voordeel -> grotere gehelen
Homologie modelling:
- Primaire structuur AZ -> homoloog met bekende structuur zoeken
-> onbekend opeenvolging AZ’en op bekende structuur leggen
Geen verwanten met bekende structuren:
- Berekenen wat de meest energetisch gunstige positie/structuur is voor de molecule
WERKELIJKHEID
- Verschillende structuren/conformaties van een molecule komen voor binnen een oplossing
- Deze conformaties vragen verschillende hoeveelheden energie
- Meest waarschijnlijke is die met de laagste energie -> komt het meest voor
- Geneesmiddel: ligand -> bindt op eiwit = bioactieve conformatie (ideaal: ook ligand met laagste energie)
2.3 ONTWERPEN VAN GENEESMIDDELEN
2.3.1 RECEPTOR GEKEND
BINDINGSPLAATSEN
- Doelwit en ligand co-kristalliseren -> structuur complex (bepaald a.d.h.v. kristallografie)
- NMR studie van doelwit in oplossing met ligand
- Voldoende mogelijkheid voor interacties tussen doelwit en ligand!
DOCKING: in elkaar passen van ligand en doelwit
- Binding simuleren -> bindingswijze voorspellen
- Molecule virtueel screenen in databank
- rekening houden met: complementaire elektrostatische eig., waterstofbruggen, hydrofobe-, van der Waals- en 𝜋-𝜋 interacties
Voordelen: - Bestaande databank: slechts enkele producten moeten biochemisch gestest worden
- Bep. producten zijn beschikbaar/aanmaakbaar volgens beschreven methode
Nadeel: Geen nieuwe producten, enkel nieuwe toepassingen voor bestaande producten
‘DE NOVO’: ontwerp van ligand
- Analyseren bindingsplaats door energieminimalisatie en interacties
- Ontwerp ligand : aaneenschakelen of opbouwen vanuit interactieplaats
3
H1: SOORTEN GENEESMIDDELEN EN ONTDEKKING VAN GENEESMIDDELEN
Proces van identificatie van nieuwe lead-producten -> reeks moleculen
werkingsmechanismen -> ‘wat je wil aanpakken’
--> meer moleculen ontwikkelen die potenter, minder toxisch -> selectiever zijn
--> farmacokinetiek: wat je lichaam ermee kan doen (absorptie/plaats/distributie/metabolisatie/afbraakmechanisme/…)
2.1 ONTDEKKING
toevalligheden ----------------------> rationele ontwikkeling (meer kennis)
- Toevallige observatie
- Gelukkige vindingen
- Van “horen zeggen”
- Screening van grote aantallen moleculen
2.1 STRATEGIEËN OM NIEUWE GENEESMIDDELEN TE ONTDEKKEN
1. MODIFICATIE/VERBETERING BESTAANDE MIDDELEN (“me-too”-products/kopieën)
- geneesmiddel vinden -> analoge maken -> testen -> beste gevonden -> patenteren! (middel is van u, monopolie/alleenrecht)
- beter = makkelijker/veilig/actiever/aanvaardbaar voor patiënt
- bv. producten voor hoge bloeddruk van verschillende firma’s -> zelfde profiel (enalapril, ramipril, perinopril…)
- Testen -> dieren klinisch testen -> menselijke patiënten
VOORDELEN: NADELEN:
- meer zekerheid van resultaat - Oorspronkelijke uitvinder heeft technologische en
- vergelijkbare/betere activiteit wetenschappelijke voorsprong
- gemakkelijker (farmacologische- en klinische studies - Gebruik van zelfde testsystemen -> zelfde type producten
- testen in bestaande testsystemen (niet innovatief)
- eigen product: geen licentierechten - Oorspronkelijke product al op de markt ->
- investering in fundamenteel onderzoek is lager naambekendheid
- op lange termijn ver van origineel
- onverwachte ontdekkingen
2. SYSTEMATISCHE SCREENING
A. UITGEBREIDE-
Originele chemie: nieuwe reactie -> nieuwe molecule (-> testen op zoveel mogelijk verschillende zaken)
- Tijdrovend & duur
- Kostbare producten
- Nieuw -> geen aanknopingspunt
VOORDEEL: leidt tot ontdekking originele moleculen
NADEEL: succes hangt af van intuïtie en talent farmacologen
B. RANDOM-
Groot aantal moleculen testen op vooraf bepaald therapeutisch doel
VOORDEEL: met succes toegepast in het verleden (bv. antibiotica)
NADEEL: wisselend resultaat (bv. antimalaria middelen)
C. HIGH-THROUGHPUT-
Nieuwe technologieën: robotica (automatisatie), miniaturisatie (minder testproduct), informatica (aansturen, data analyseren)…
Groot aantal moleculen -> uitgebreide studie
Testen met geïnfecteerde cellen: kleurmethode -> activiteit en toxiteit testen -> selectief product
VOORDELEN:
- combinatie voordelen uitgebreide- en random screening
- verhogen van de synthesecapaciteit
NADELEN:
- Hoe kan ik blijven voor voldoende interessante moleculen zorgen?
- Hoe moet ik omgaan met de fenomenale hoeveelheid informatie?
D. EVALUEREN V.D. ACTIVITEIT TUSSENPRODUCTEN
- Geneesmiddel ontwikkelen: reeks chemische stappen
-> tussenproducten, (eigenlijk ook “me-too’s”) ook testen
- Beschermdoppen (roze bollen) -> chemische reactie op de juiste plaats krijgen
1
,3. GEBRUIK BIOLOGISCHE INFORMATIE
A. EFFECTEN VASTGESTELD BIJ DE MENS
1. Ethnofarmacologie: natuurlijke producten als (vroeger enige) bron van geneesmiddelen
bv. aspirine (wilg), atropine, nicotine, efedrine, cocaïne, theophylline…
2. Klinische observatie nevenwerkingen: nevenwerkingen -> enorm aanbod lead-producten
bv. promethazine -> antihistaminicum met als nevenwerking: slaperigheid -> ontdekking chlorpromazine (= antipsychoticum)
3. Toevallige vaststellingen in industrie:
bv. Dynamiet -> bloedvatverwijding (nitroglycerine)
Latex + tetraethylthiuram (vulkaniseren) -> verharde rubber
-> na contact met tetraethylthiuram kon men geen alcohol meer verdragen
-> verklaring: disulfiram inhibeert het enzym (aldehydedehydrogenase) dat acetaldehyde naar azijnzuur omzet
-> dit leidt tot braken, hartkloppingen… -> nu: middel tegen alcoholmisbruik
B. EFFECTEN VASTGESTELD BIJ DIEREN
bv. Vergisting honingklaver -> fatale maagbloedingen koeien
-> verklaring: dicoumarol --> synthetische warfarine: rattenvergif
-> bloed verdunnende werking (juiste dosering)
-> vitamine K (bv. broccoli) = tegengif
C. EFFECTEN VASTGESTELD IN PLANTENRIJK EN MICROBIOLOGIE
bv. penicilline (Flemming ≠ ontdekker)
-> wel: 1878 Louis Pasteur (idee), Emile Roux (leerling), Ernest Duchesne (onderzoeker) -> in de ‘vergeethoek’
-> Flemming: schimmels op oude petriplaten remden de groei van de bacteriën -> penicilline
4. GEPLAND ONDERZOEK
- Mogelijk o.w.v. betere kennis van chemische structuren, receptoren…
- Kennis van de oorzaak van een aandoening = basis
bv. ziekte van Parkinson -> vaststelling: dopaminetekort in bepaald deel van de hersenen
-> oplossing: dopamine toedienen
-> probleem: hersen-bloedbarrière
-> omzetting: L-dopa + dopa-decarboxylase -> dopamine (L-dopa raakt wel door barrière)
-> oplossing: L-dopa toedienen -> lost te snel op -> inhibitor dopa-decarboxylase toedienen, die enkel
de omzetting buiten de hersenen tegengaat omdat die niet door barrière geraakt.
bv. angiotensine-converting enzyme (ACE) inhibitoren
-> ACE katalyseert twee reacties:
1. Angiotensine I (inactief) --> Angiotensine II (vaatvernauwend)
2. inactivitei van bradykinine (vaatverwijdend)
-> hoge bloeddruk: - converting enzyme herkent Angiotensine I
- knipt 2 blokjes eraf
- Angiotensine II
- vaatvernauwing -> bloeddruk daalt (en omgekeerd…)
H2: RATIONELE DRUG DESIGN
- Ontdekking nieuw geneesmiddel: toeval/screening/rationele ontwikkeling
- Moleculaire modelling:
-> binding/interacties molecule
-> vorm/structuur molecule
-> rekening houden met ALLE bewegingen
2.1 INTERACTIES TUSSEN MOLECULEN
2.1.1 OP LANGE AFSTAND
Elektrostatische interactie:
- tegengestelde ladingen trekken elkaar aan en gelijke ladingen stoten elkaar af (Cloulomb)
- neutrale atomen: atomaire partiële ladingen (o.w.v. ∆EN)
2.1.2 OP GEMIDDELDE AFSTAND
Waterstofbruggen:
- niet-covalente waarbij H (gebonden aan sterk E.N. atoom) elektrostatisch wordt aangetrokken tot een ander
- E.N. atoom met een vrij elektronenpaar ter beschikking
- EN = neiging van een atoom om elektronen naar zich toe te trekken
2
, 2.1.3 OP KORTE AFSTAND
Van der Waals interactie:
- Atomen naderen -> tijdelijke dipolen -> zwakke niet specifieke aantrekkingskracht ontstaat
- Na overlapping -> afstoting
- Som aantrekking + afstoting -> er is een punt waar de energie minimaal is (ɛ) -> elektronen vibreren rond dit optimum
Hydrofobe interactie:
- Water: polair, sterk cohesief, H-brugdoner en -acceptor
- Apolaire molecule in water -> wil zo weinig mogelijk contact -> H2O-moleculen organiseren zicht (vergt energie!)
- Twee apolaire moleculen in water -> stijging entropie -> stoffen aggregeren -> scheiding in polaire en apolaire laag
Aromatische interactie:
- Buitenkant benzeenring -> meer pos. (H) en binnenkant -> meer neg. (C)
- 𝜋 - 𝜋 -interactie tussen twee aromatische systemen
-> 3 manieren (1. edge to face, 2. face to face, 3. face to face)
1. 2. 3.
- kation- 𝜋 interactie tussen aromatisch systeem en kation
2.2 STRUCTUUR VAN MOLECULEN
STRUCTUUR ACHTERHALEN
NMR (nucleaire magnetische resonantie):
- Kernen bestuderen (energiepakketjes sturen naar atomen -> bep. hoeveelheid zorgt voor spin up -> daarna
terugvallen/exciteren = magnetisch veldje -> identificeren)
- Voordeel -> flexibele delen
Kristalfotografie (X-ray):
- Molecule opzuiveren, nadien kristalliseren (want de manier waarop molecule kristalliseren hangt af van hun structuur)
- Nadeel -> niet persee een beeld dat overeenkomt met de realiteit
- Voordeel -> grotere gehelen
Homologie modelling:
- Primaire structuur AZ -> homoloog met bekende structuur zoeken
-> onbekend opeenvolging AZ’en op bekende structuur leggen
Geen verwanten met bekende structuren:
- Berekenen wat de meest energetisch gunstige positie/structuur is voor de molecule
WERKELIJKHEID
- Verschillende structuren/conformaties van een molecule komen voor binnen een oplossing
- Deze conformaties vragen verschillende hoeveelheden energie
- Meest waarschijnlijke is die met de laagste energie -> komt het meest voor
- Geneesmiddel: ligand -> bindt op eiwit = bioactieve conformatie (ideaal: ook ligand met laagste energie)
2.3 ONTWERPEN VAN GENEESMIDDELEN
2.3.1 RECEPTOR GEKEND
BINDINGSPLAATSEN
- Doelwit en ligand co-kristalliseren -> structuur complex (bepaald a.d.h.v. kristallografie)
- NMR studie van doelwit in oplossing met ligand
- Voldoende mogelijkheid voor interacties tussen doelwit en ligand!
DOCKING: in elkaar passen van ligand en doelwit
- Binding simuleren -> bindingswijze voorspellen
- Molecule virtueel screenen in databank
- rekening houden met: complementaire elektrostatische eig., waterstofbruggen, hydrofobe-, van der Waals- en 𝜋-𝜋 interacties
Voordelen: - Bestaande databank: slechts enkele producten moeten biochemisch gestest worden
- Bep. producten zijn beschikbaar/aanmaakbaar volgens beschreven methode
Nadeel: Geen nieuwe producten, enkel nieuwe toepassingen voor bestaande producten
‘DE NOVO’: ontwerp van ligand
- Analyseren bindingsplaats door energieminimalisatie en interacties
- Ontwerp ligand : aaneenschakelen of opbouwen vanuit interactieplaats
3
