Organische structuur en biologische activiteit
Ch 12 Drug discovery: finding a lead
Bij het kiezen van ziekten waar een geneesmiddel voor moet worden gevonden spelen economische
factoren ook een rol. Het onderzoeken en het ontwikkelen van een nieuw medicijn is een grote
investering, waardoor dit ook teruggewonnen moet worden. Een ziekte is pas interessant als het de
westerse populatie affecteert. Farmaceutische bedrijven raken meer betrokken in vennootschappen
met overheden en filantropische organisaties.
Het identificeren van een geschikte drug target (bv. receptor, enzym of nucleïnezuur) is belangrijk
voor de identificatie van een agonist, antagonist of remmer van het drug target. Als een medicijn/gif
een biologisch effect in het lichaam heeft, moet deze ook een moleculaire target hebben. Vroeger
was de ontdekking van drug targets gebaseerd op het allereerst vinden van het medicijn. Meer
kennis op gebied van het menselijk genoom en eiwitten biedt veel toekomstperspectief op het
ontdekken van nieuwe aangrijpingspunten voor medicijnen. Weesreceptoren zijn bekende
receptoren waar geen liganden voor bekend zijn.
Target specificatie en selectiviteit zijn belangrijk in de medicinale scheikunde. Hoe selectiever een
medicijn is, hoe kleiner de kans is dat het interacties aangaat met een andere target en minder
bijwerkingen optreden. Medicijnen, bijvoorbeeld antibiotica, zijn selectiever voor bacteriële cellen
dan voor humane cellen omdat het betrokken target slechts voorkomt op bacteriële cellen. Bepaalde
receptoren bevinden zich op specifieke organen waardoor de medicijnen orgaangericht zijn. Subtype
selectiviteit is belangrijk voor medicijnen die neurotransmitters imiteren. Voorbeeld is de ziekte van
Parkinson, de patiënten hebben een dopamine tekort. In het brein zal dopamine als
neurotransmitters functioneren, in de rest van het lichaam als hormoon. Soms worden medicijnen na
een tijdje minder effectief, omdat de blokkade middels complexe signaal mechanismen omzeild kan
worden. Bij bepaalde ziekten zijn er meerdere targets nodig om de ziekte tegen te gaan bv. Hiv.
Nadeel is dat er vele dosissen en verschillende medicijnen moeten worden toegediend. De oplossing
is een multi-target-directed ligand; medicijn die meerdere betrokken targets bindt. Medicijnen die
met heel veel targets interacteren kunnen dienen als lead compounds om selectievere multi-target-
directed liganden te vinden.
Een bioassay moet simpel, snel en relevant zijn aangezien een grote hoeveelheid compounds
geanalyseerd moet worden. Over het algemeen worden in vitro testen geprefereerd over in vivo
testen.
In vitro
Specifieke weefsels, cellen en enzymen
Verschaft informatie over de farmacodynamiek
Laat geen fysiologisch effect zien
Identificeert geen mogelijke bijwerkingen
Identificeert geen effectieve prodrugs
IC50 waarden worden bepaald
Geen barrières zoals de darmwand die overwonnen moeten worden
Farmacokinetische eigenschappen kunnen worden bepaald
Drug-drug interacties worden vermeden
Goedkoop, makkelijk, geautomatiseerd
,In vivo
Op levende dieren/mensen
Meten van een fysiologisch effect
Bepalen farmacodynamiek en farmacokinetiek
Bijwerkingen identificeren
Drug potentie vaststellen: benodigde concentratie om 50% van het maximale effect te
produceren
Therapeutische ratio vaststellen: ED50 vs LD50
Duur en langzaam
Fysiologische bijeffecten kunnen misleidend zijn omdat het afhangt van de genotypen
High-throughput screening (HTS): automatisering van in vitro testen, grote aantallen aan compounds
worden gescreend
Moet duidelijk effectief meetbaar zijn
Duur
Inefficient
HTS assay
Niet veel bewerkingen vooraf
Goedkoop
Snel, reproduceerbaar
Toepasbaar op grote aantallen
Promiscuous inhibitors veroorzaken false hits; ze remmen veel verschillende targeteiwitten zonder
selectiviteit. Door detergent toe te voegen aan de oplossing ga je dit proces tegen. Je bent op zoek
naar omkeerbare reacties tussen lead en target.
Radioligand assay: meten van de affiniteit met radio labels. Deze assay is duur en zorgt voor
radioactief afval.
Nuclear magnetic resonance (NMR) wordt gebruikt om de moleculaire structuur van compounds vast
te stellen en om te testen of de stof bindt met een eiwittarget. De atoomkern wordt geprikkeld en
vervolgens wordt de puls gestopt. De relaxation tijd is de tijd om terug te keren naar de
oorspronkelijke staat. Hoe groter het molecuul, hoe korter de tijd.
Grote hoeveelheden kunnen worden gescreend
Lage affiniteiten kunnen gemeten worden
Identificatie van de binding aan verschillende regio’s op de bindingsplek
Eiwitten zijn in oplossingen aanwezig
Enorme eiwitconsumptie
Surface plasmon resonance (SPR) is een methode om vast te stellen wanneer een ligand bindt aan
zijn target. De bedoeling is het vaststellen van de kinetische aspecten van een ligandbinding. Een
ligand dat bindt aan het target wordt geïmmobiliseerd door het covalent te binden aan de dextran
matrix. Het licht wordt weerkaatst door het oppervlak tussen een dichte goudlaag en een minder
dichte bufferoplossinglaag.
De invalshoek is sterk afhankelijk van de brekingsindex van de bufferoplossing dicht bij het metalen
oppervlak. Dit betekent dat als de brekingsindex van de bufferoplossing verandert, de invalshoek
waarbij SPR plaatsvindt ook verandert. Als het target nu in de bufferoplossing met geïmmobiliseerde
liganden wordt geplaats, zullen een paar aan de liganden binden. Dit leidt tot een verandering in
brekingsindex van de bufferoplossing wat gemeten kan worden door de verandering van de
invalshoek nodig voor de SPR. Door deze techniek kan ligand binding gemeten worden en de snelheid
+ equilibrium binding constante berekend worden. Als je dan een compound in de buffer plaatst
, samen met de target kun je meten of het aan de target bindt of niet. Als het bindt dan zal er minder
target aan de geïmmobiliseerde liganden binden. Dit zorgt voor een andere verandering in
brekingsindex en invalshoek zal ook anders zijn.
Scintillation proximity assay (SPA) is een visuele methode om te meten of een ligand en target
binden. Het gaat om het immobiliseren van de target door het covalent te binden aan korrels
bekleed met scintillatiemiddel. Een oplossing van bekende liganden gelabeld met iodine-125 wordt
aan de korrels toegevoegd. Wanneer de gelabelde liganden aan de geïmmobiliseerde targets binden,
werkt I-125 als een energie donor en de korrels als energie acceptoren, wat resulteert in een
lichtemissie die gedetecteerd kan worden. Om te weten of een compound met de target bindt,
wordt de compound toegevoegd aan de oplossing met gelabelde liganden en korrels. Als de
compound bindt, zullen minder gelabelde liganden binden, wat zorgt voor een reductie van de
lichtemissie.
Isothermal titration calorimetry (ITC) is een techniek om de thermodynamische aspecten van de
binding tussen ligand en target vast te stellen, voornamelijk de bindingsaffinitieit en
enthalpieverandering. De bindingsaffinitieit wordt bepaald door de entropie en enthalpie.
Enthalpie wordt beïnvloed door directe interacties: H-bruggen, van der waals bindingen, π-π-
bindingen.
Entropie wordt beïnvloed door de conformatieveranderingen en het hydrofobisch effect; entropie
neemt toe wanneer non-polaire bindingen interacteren.
Virtual screening maakt gebruikt van computerprogramma’s om vast te stellen of stoffen leads zijn
voor het betrokken target. Deze techniek wordt gebruikt om experimentele screenings efficiënter te
maken.
Een lead compound is een stof met het beoogde farmacologische activiteit.
Natuurlijke producten zijn een rijke bron voor biologisch actieve stoffen. De ‘active principle’ is de
stof verantwoordelijk voor de biologische activiteit. Meeste biologisch actieve stoffen zijn secundaire
metabolieten met complexe structuren en meerdere chirale centra. Dit zorgt ervoor dat de synthese
hiervan complex is. Farmacognosie is de studie naar medicijnen afgeleid van natuurlijke producten.
Natuurlijke producten zijn te vinden in planten, micro-organismen zoals bacteriën en fungi, dieren en
de oceaan. Micro-organismen produceren een grote variatie aan antimicrobiële stoffen. Uit de
oceaan worden vele biologisch potente chemicaliën gewonnen met interessante ontstekings-,
antivirale en antikankeractiviteiten. Lead compounds komen voor uit giffen en toxinen. Deze zijn
extreem potent omdat ze specifieke interacties met macromoleculaire targets aangaan. Het placebo-
effect is de positieve verwachting die een patiënt heeft van een medicijn bij toediening van een
middel zonder effect. Duizenden stoffen die al gesynthetiseerd zijn maar niet op de markt zijn
verschenen worden opgeslagen in ‘compound libraries’. Deze kunnen weer gebruikt worden voor het
vinden van een medicijn voor een nieuw target. Andere medicijnen kunnen ook als leads gebruikt
worden. Deze worden gemodificeerd om patenten te voorkomen; dit zijn de ‘me-too drugs’. De
structuren verschillen minimaal en de activiteit blijft behouden. Als het middel beter is, meer potent,
selectiever etc. dan spreken we van ‘me better drugs’.
SOSA-approach (selective optimization of side activities) is het gebruiken van een bijwerking van een
medicijn om een nieuw geneesmiddel te ontwikkelen. Hierbij wordt het hoofddoel van de lead
compound geëlimineerd. Een drug dat gebruikt wordt in één gebied van de farmaceutische
wetenschappen kan een lead compound zijn in een ander gebied van de farmacie daarvan. Een
structurele groep van compounds hoeven niet altijd dezelfde biologische activiteit te hebben.
Natuurlijke liganden van een targetreceptor kunnen gebruikt worden als een lead compound voor
een antagonist. Het toevoegen van een aantal bindingsgroepen aan een agonist maakt het vaak een
Ch 12 Drug discovery: finding a lead
Bij het kiezen van ziekten waar een geneesmiddel voor moet worden gevonden spelen economische
factoren ook een rol. Het onderzoeken en het ontwikkelen van een nieuw medicijn is een grote
investering, waardoor dit ook teruggewonnen moet worden. Een ziekte is pas interessant als het de
westerse populatie affecteert. Farmaceutische bedrijven raken meer betrokken in vennootschappen
met overheden en filantropische organisaties.
Het identificeren van een geschikte drug target (bv. receptor, enzym of nucleïnezuur) is belangrijk
voor de identificatie van een agonist, antagonist of remmer van het drug target. Als een medicijn/gif
een biologisch effect in het lichaam heeft, moet deze ook een moleculaire target hebben. Vroeger
was de ontdekking van drug targets gebaseerd op het allereerst vinden van het medicijn. Meer
kennis op gebied van het menselijk genoom en eiwitten biedt veel toekomstperspectief op het
ontdekken van nieuwe aangrijpingspunten voor medicijnen. Weesreceptoren zijn bekende
receptoren waar geen liganden voor bekend zijn.
Target specificatie en selectiviteit zijn belangrijk in de medicinale scheikunde. Hoe selectiever een
medicijn is, hoe kleiner de kans is dat het interacties aangaat met een andere target en minder
bijwerkingen optreden. Medicijnen, bijvoorbeeld antibiotica, zijn selectiever voor bacteriële cellen
dan voor humane cellen omdat het betrokken target slechts voorkomt op bacteriële cellen. Bepaalde
receptoren bevinden zich op specifieke organen waardoor de medicijnen orgaangericht zijn. Subtype
selectiviteit is belangrijk voor medicijnen die neurotransmitters imiteren. Voorbeeld is de ziekte van
Parkinson, de patiënten hebben een dopamine tekort. In het brein zal dopamine als
neurotransmitters functioneren, in de rest van het lichaam als hormoon. Soms worden medicijnen na
een tijdje minder effectief, omdat de blokkade middels complexe signaal mechanismen omzeild kan
worden. Bij bepaalde ziekten zijn er meerdere targets nodig om de ziekte tegen te gaan bv. Hiv.
Nadeel is dat er vele dosissen en verschillende medicijnen moeten worden toegediend. De oplossing
is een multi-target-directed ligand; medicijn die meerdere betrokken targets bindt. Medicijnen die
met heel veel targets interacteren kunnen dienen als lead compounds om selectievere multi-target-
directed liganden te vinden.
Een bioassay moet simpel, snel en relevant zijn aangezien een grote hoeveelheid compounds
geanalyseerd moet worden. Over het algemeen worden in vitro testen geprefereerd over in vivo
testen.
In vitro
Specifieke weefsels, cellen en enzymen
Verschaft informatie over de farmacodynamiek
Laat geen fysiologisch effect zien
Identificeert geen mogelijke bijwerkingen
Identificeert geen effectieve prodrugs
IC50 waarden worden bepaald
Geen barrières zoals de darmwand die overwonnen moeten worden
Farmacokinetische eigenschappen kunnen worden bepaald
Drug-drug interacties worden vermeden
Goedkoop, makkelijk, geautomatiseerd
,In vivo
Op levende dieren/mensen
Meten van een fysiologisch effect
Bepalen farmacodynamiek en farmacokinetiek
Bijwerkingen identificeren
Drug potentie vaststellen: benodigde concentratie om 50% van het maximale effect te
produceren
Therapeutische ratio vaststellen: ED50 vs LD50
Duur en langzaam
Fysiologische bijeffecten kunnen misleidend zijn omdat het afhangt van de genotypen
High-throughput screening (HTS): automatisering van in vitro testen, grote aantallen aan compounds
worden gescreend
Moet duidelijk effectief meetbaar zijn
Duur
Inefficient
HTS assay
Niet veel bewerkingen vooraf
Goedkoop
Snel, reproduceerbaar
Toepasbaar op grote aantallen
Promiscuous inhibitors veroorzaken false hits; ze remmen veel verschillende targeteiwitten zonder
selectiviteit. Door detergent toe te voegen aan de oplossing ga je dit proces tegen. Je bent op zoek
naar omkeerbare reacties tussen lead en target.
Radioligand assay: meten van de affiniteit met radio labels. Deze assay is duur en zorgt voor
radioactief afval.
Nuclear magnetic resonance (NMR) wordt gebruikt om de moleculaire structuur van compounds vast
te stellen en om te testen of de stof bindt met een eiwittarget. De atoomkern wordt geprikkeld en
vervolgens wordt de puls gestopt. De relaxation tijd is de tijd om terug te keren naar de
oorspronkelijke staat. Hoe groter het molecuul, hoe korter de tijd.
Grote hoeveelheden kunnen worden gescreend
Lage affiniteiten kunnen gemeten worden
Identificatie van de binding aan verschillende regio’s op de bindingsplek
Eiwitten zijn in oplossingen aanwezig
Enorme eiwitconsumptie
Surface plasmon resonance (SPR) is een methode om vast te stellen wanneer een ligand bindt aan
zijn target. De bedoeling is het vaststellen van de kinetische aspecten van een ligandbinding. Een
ligand dat bindt aan het target wordt geïmmobiliseerd door het covalent te binden aan de dextran
matrix. Het licht wordt weerkaatst door het oppervlak tussen een dichte goudlaag en een minder
dichte bufferoplossinglaag.
De invalshoek is sterk afhankelijk van de brekingsindex van de bufferoplossing dicht bij het metalen
oppervlak. Dit betekent dat als de brekingsindex van de bufferoplossing verandert, de invalshoek
waarbij SPR plaatsvindt ook verandert. Als het target nu in de bufferoplossing met geïmmobiliseerde
liganden wordt geplaats, zullen een paar aan de liganden binden. Dit leidt tot een verandering in
brekingsindex van de bufferoplossing wat gemeten kan worden door de verandering van de
invalshoek nodig voor de SPR. Door deze techniek kan ligand binding gemeten worden en de snelheid
+ equilibrium binding constante berekend worden. Als je dan een compound in de buffer plaatst
, samen met de target kun je meten of het aan de target bindt of niet. Als het bindt dan zal er minder
target aan de geïmmobiliseerde liganden binden. Dit zorgt voor een andere verandering in
brekingsindex en invalshoek zal ook anders zijn.
Scintillation proximity assay (SPA) is een visuele methode om te meten of een ligand en target
binden. Het gaat om het immobiliseren van de target door het covalent te binden aan korrels
bekleed met scintillatiemiddel. Een oplossing van bekende liganden gelabeld met iodine-125 wordt
aan de korrels toegevoegd. Wanneer de gelabelde liganden aan de geïmmobiliseerde targets binden,
werkt I-125 als een energie donor en de korrels als energie acceptoren, wat resulteert in een
lichtemissie die gedetecteerd kan worden. Om te weten of een compound met de target bindt,
wordt de compound toegevoegd aan de oplossing met gelabelde liganden en korrels. Als de
compound bindt, zullen minder gelabelde liganden binden, wat zorgt voor een reductie van de
lichtemissie.
Isothermal titration calorimetry (ITC) is een techniek om de thermodynamische aspecten van de
binding tussen ligand en target vast te stellen, voornamelijk de bindingsaffinitieit en
enthalpieverandering. De bindingsaffinitieit wordt bepaald door de entropie en enthalpie.
Enthalpie wordt beïnvloed door directe interacties: H-bruggen, van der waals bindingen, π-π-
bindingen.
Entropie wordt beïnvloed door de conformatieveranderingen en het hydrofobisch effect; entropie
neemt toe wanneer non-polaire bindingen interacteren.
Virtual screening maakt gebruikt van computerprogramma’s om vast te stellen of stoffen leads zijn
voor het betrokken target. Deze techniek wordt gebruikt om experimentele screenings efficiënter te
maken.
Een lead compound is een stof met het beoogde farmacologische activiteit.
Natuurlijke producten zijn een rijke bron voor biologisch actieve stoffen. De ‘active principle’ is de
stof verantwoordelijk voor de biologische activiteit. Meeste biologisch actieve stoffen zijn secundaire
metabolieten met complexe structuren en meerdere chirale centra. Dit zorgt ervoor dat de synthese
hiervan complex is. Farmacognosie is de studie naar medicijnen afgeleid van natuurlijke producten.
Natuurlijke producten zijn te vinden in planten, micro-organismen zoals bacteriën en fungi, dieren en
de oceaan. Micro-organismen produceren een grote variatie aan antimicrobiële stoffen. Uit de
oceaan worden vele biologisch potente chemicaliën gewonnen met interessante ontstekings-,
antivirale en antikankeractiviteiten. Lead compounds komen voor uit giffen en toxinen. Deze zijn
extreem potent omdat ze specifieke interacties met macromoleculaire targets aangaan. Het placebo-
effect is de positieve verwachting die een patiënt heeft van een medicijn bij toediening van een
middel zonder effect. Duizenden stoffen die al gesynthetiseerd zijn maar niet op de markt zijn
verschenen worden opgeslagen in ‘compound libraries’. Deze kunnen weer gebruikt worden voor het
vinden van een medicijn voor een nieuw target. Andere medicijnen kunnen ook als leads gebruikt
worden. Deze worden gemodificeerd om patenten te voorkomen; dit zijn de ‘me-too drugs’. De
structuren verschillen minimaal en de activiteit blijft behouden. Als het middel beter is, meer potent,
selectiever etc. dan spreken we van ‘me better drugs’.
SOSA-approach (selective optimization of side activities) is het gebruiken van een bijwerking van een
medicijn om een nieuw geneesmiddel te ontwikkelen. Hierbij wordt het hoofddoel van de lead
compound geëlimineerd. Een drug dat gebruikt wordt in één gebied van de farmaceutische
wetenschappen kan een lead compound zijn in een ander gebied van de farmacie daarvan. Een
structurele groep van compounds hoeven niet altijd dezelfde biologische activiteit te hebben.
Natuurlijke liganden van een targetreceptor kunnen gebruikt worden als een lead compound voor
een antagonist. Het toevoegen van een aantal bindingsgroepen aan een agonist maakt het vaak een
