Kombinatorische Ansätze im rational drug design

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1 Kombinatorische Ansätze im rational drug design Automatisierte Tests von >1000 Verbindungen an einem target erfordern besonders effektive ynthese- und screening trategien: yntheseroboter igh Throughput screening Ursprüngliche Idee: Je mehr Verbindungen getestet werden, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, eine Leitstruktur zu entdecken. 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 1

2 Eigenschaften kombinatorischer Bibliotheken Je nach Anwendungszweck werden auch kombinatorsiche Bibliotheken maßgeschneidert: Random libraries drug-like / diverse scaffolds Focused libraries lead-like / möglichst komplett für bestimmte Familie von Enzymen Targeted libraries bestimmtes Enzym / möglichst diverse ubstituenten Chemogenomics 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 2

3 Aufbau von ubstanzbibliotheken für das igh thoughput screening (I) Die ynthese einer Vielzahl von Verbindungen ausgehend von einer Leitstruktur erforderte einen Paradigmenwechsel. Bis in die späten 80 Jahre wurden die zu testenden ubstanzen jeweils einzeln und speziell synthestisiert. Die Anforderungen an das igh Troughput creening erfordern jedoch eine andere erangehensweise. If you are looking for the needle in the haystack, it is best not to increase the size of the haystack. 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 3

4 Klassische und kombinatorische ynthese Klassische ynthese: 2 Me C 3 + Me C 3 1 Edukt * 1 Edukt = 1 Produkt Kombinatorische ynthese: 2 + z.b: 50 Edukte * 20 Edukte = 1000 Produkte Bei mehreren tufen z.b: 50 * 20 * 20 = Produkte 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 4

5 ynthesemethoden zur Erzeugung kombinatorischer Bibliotheken (I) Ziel ist es mit derselben chemischen Reaktion möglichst viele Verbindungen zu erhalten. Parallele ynthese (diversity orientiented) R4 + R4 R3 R3 + 2, Problem: Viele Reaktionsgefäße notwendig, v.a. wenn die ynthese über mehrere chritte erfolgt Lösungsansatz: Multikomponentenreaktionen 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 5

6 istorische Meilensteine (I) A.trecker (1850) 3 + C + RC R C 2 A.R. antzsch (1890) R CR P. Biginelli (1893) -C R3 R3 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 6

7 istorische Meilensteine (II) C. Mannich (1912) C R3 R4 R3 R4 M. Passerini (1921) C + C + R3C R3.T. Bucherer (1934) C C 2 + RC R 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 7

8 F. Asinger (1958) istorische Meilensteine (III) R3 R4 R4 R3 I. Ugi (1959) 2 + C + R3C + R4C R4 R3 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 8

9 ynthesemethoden zur Erzeugung kombinatorischer Bibliotheken (II) Ziel ist es mit derselben chemischen Reaktion möglichst viele Verbindungen zu erhalten. Parallele ynthese (diversity orientiented) R4 + R4 R3 R3 + 2, Eines der größten Probleme ist die Abtrennung der Produkte aus der Reaktionsmischung, insbesondere bei nicht kristallinen toffen und kleinen Mengen. Lösungsansatz: Temporäre Fixierung an einen festen Träger 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 9

10 Festphasensynthese (I) Fixierung an ein funktionalisiertes Polymerharz (Polystyrolkügelchen) = bead Ph Ph Ph Ph Ph Ph = Quervernetztes Polystyrol (1-1.5% Divinylbenzol) 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 10

11 Festphasensynthese (II) Ursprünglich entwickelt um langkettige Polypeptide zu erzeugen. Fixierung des Peptids an Polystyrolkügelchen. Ansatz von Merrifield: 1. C-terminale A A -geschützt mit Boc 2 + C Lit. R. B. Merrifield J.Am.Chem.oc. 85 (1963) Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 11

12 Festphasensynthese (V) weitere Linker Merrifield resin Wang resin Me Rink acid linker Me Fmoc Me Me Fmoc geschützter Rink amine linker 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 12

13 Festphasensynthese(VI) Catch linkers R R Base + R stabil labil R R= ist stabil Produkt 1. C 2 2 / Et 2 / acetone 2. 3 Kenner safety linker R=C 3 ist labil - Produkt-C Produkt-C 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 13

14 Festphasensynthese (VII) Abwandlung: split-and-pool strategy Ausgehend von einem Grundgerüst kann so durch splitting in jedem neuen pool das ubstitutionsmuster variiert werden Technische Lösung der Abtrennung: magnetic beads 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 14

15 ynthese von Peptid-Bibliotheken Die Aufteilung der Produkte ermöglicht eine effiziente parallele ynthese, beispielsweise zum Aufbau von orthogonalen Bibliotheken: ystematisches variieren der Aminosäure an der X-ten Position eines Proteins. Erforderlich bei der Epitop-Kartierung an Antikörpern Ac-DVXXXX Peptide Ac-DVPXXX Peptide Ac-DVPDYA-2 ukzessives Einschränken der aktivesten Aminosäurensequenz (split-and-mix) 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 15

16 Festphasensynthese (VIII) split-and-mix strategy zum Aufbau von Peptidbibliotheken A B split C A B C combine A B split C AA BA CA AB BB CB CA CB CC Erzeugung von Peptiden mit jeweils gleichem Ende in einer Mischung 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 16

17 Festphasensynthese (IX) combine A B split C AAA BAA CAA ABA BBA CBA CAA CBA CCA AAB BAB CAB ABB BBB CBB CAB CBB CCB AAC BAC CAC ABC BBC CBC CAC CBC CCC Erzeugung von Peptiden mit jeweils gleichem Ende in einer Mischung 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 17

18 ynthesemethoden zur Erzeugung kombinatorischer Bibliotheken (II) Für die parallele ynthese zum Aufbau von ubstanz- Bibliotheken sind zuverlässige yntheseschritte erforderlich, die auch von yntheserobotern ausgeführt werden können, z.b. Reduktive Aminierung Acylierung antzsch-ynthese von 2-Aminothiazolen uzuki-kopplung (Aufbau einer C-C Bindung) Ugi-Kondensation (Di-Peptide) 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 18

19 Peptidsynthese / Abfangen an fester Phase (I) Ugi-4-Komponenten Kondensation Die Reaktion eines Isocyanats mit einer Carboxylgruppe und einem Keton führt zu einem -acyloxy-amid (Passerini Reaktion). Wird zusätzlich ein Amin zugegeben, dann ensteht das entsprechene Bisamid. C 2 R3 C R4 C* - 2 R3 C* R4 achteil: Es gibt nur wenig käufliche Isocyanate Lösung: Verwenden eines universellen Isocyanates, das als Precursor für weitere Produkte dient 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 19

20 Peptidsynthese / Abfangen an fester Phase (II) Cyclohexenimid als universelles Isocyanid für die Ugi-Kondenation ac / 4 Et 2 / 2 C Ac 2 61% 44% C Ermöglicht eine Reihe von Produkten, sowie das Abfangen an einem arz (resin capture) : Keating & Armstrong J.Am.Chem.oc. 118 (1996) 2574 tbuk TF Triphosgen DABC, C % in 2 tufen C R3 Ac Me R3 Me R3 20% TFA R3 / TF C Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 20

21 Peptidsynthese / Abfangen an fester Phase (III) Cyclohexenimid als universelles Isocyanid für die Ugi-Kondenation Weitere Umsetzungsmöglichkeiten der Ugi-Produkte: R3 R5 R6 R5 R6 / Toluene R3 -C 2 R3 2 R3 1,4-Benzodiazepine-2,5-dione Keating & Armstrong J.Am.Chem.oc. 118 (1996) Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 21

22 Anwendungen der Ugi-Kondensation (I) ynthese von lokalen Anesthetica (Morphochem, Munich) + + C Lidocaine C C Lidofenin Pyrrocaine Butanilicaine odacaine CMe Tolycaine Trimecaine 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 22

23 Anwendungen der Ugi-Kondensation (II) ynthese von Thrombin Inhibitoren Insgesamt Produkte aus 12 Aminen, 80 Aldehyden und 16 Isonitrilen C Lit: K. Illgen Chem. Biol. 7 (2000) Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 23

24 Kominatorische Dihydropyridine Bibliothek 2 split 10 lots 10 synthons combine pool of 10 enamines split R3 R4 30 lots 3 synthons + Ar-C (10 synthons) Ar R3 R4 TFA Ar R3 screening ipr F CMe R4 deconvolution Me Me 100 products IC 50 (calcium channel) = 14 nm Lit: K.C. icolaou et al. in andbook of Combinatorial Chemistry, VC Wiley (2000) pp Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 24

25 Angiotensin converting enzyme (ACE)-emmer Bibliothek Ar-C: C 2 Y: + AAs: Gly Ala Leu Phe R 2 + : Me Me ime 2 tbu R Ar + C CMe CMe CtBu CMe R C 3 Y Ar Thio + Thio: C 2 Ac C 2 C 2 Ac C(Me)C 2 Ac R Thio Ar Y K i (ACE) = 160 pm CMe Lit: M.M. Murphy et al. J.Am.Chem.oc, 117 (1995) Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 25

26 Tamoxifen ynthese B B I Me 2 B Pd 2 (PPh 3 ) 2 uzuki-kopplung Me 2 I TFA Pd 2 (PPh 3 ) 2 Me 2 2 Tamoxifen 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 26

27 Reaktionen an stationärer Phase Abfangen von Überschuß an stationärer Phase A + excess B A-B + B X A-B + X B Analog anwendbar zum Abfangen von ebenprodukten äufig werden dazu Ionenaustauschersäulen benutzt Produkt R 3 Amberlite resin + Produkt + R 3 / Me - 2 R 3 - Polymer-assisitierte Reinigungsverfahren: J.J. Parlow et al. Current pin. Chem. Biol. 3 (1999) Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 27

28 ynthesestrategien (I) 1. Verwendung von Templaten die einfach funktionalisiert werden können 2. paltung an strategischen Bindungen unter Anwendung von Retrosynthetischen Prinzipien 3. Konvergente anstatt equenzieller ynthese 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 28

29 Multifunktionelle Template (I) Boc C C Boc R3 R 1 R 2 2 R3C Boc R 1 C 2 / dioxan Boc R 1 R 2 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 29

30 Multifunktionelle Template (II) Boc R3 R 1 R R3C 2 2 C 2 2 C 2 2 C Lit:. Cheng et al. J.Am.Chem.oc. 118 (1996) Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 30

31 ynthesestrategien (II) 1. Verwendung von Templaten die einfach funktionalisiert werden können 2. paltung an strategischen Bindungen unter Anwendung von Retrosynthetischen Prinzipien 3. Konvergente anstatt equenzieller ynthese 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 31

32 paltung an strategischen Bindungen (I) I a) RC (200) b) R 2 (80) c) RC (80) R X (80) 2 2 RX R X a) X: C= b) X: C= c) X: 2 a) X=, R=Alkyl, Aryl, eteroaryl b) X=C, R=Alkyl, Aryl;, 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 32

33 paltung an strategischen Bindungen (II) 2 B() 2 Ph creening against herpes simplex virus elicase ATPase 2 uzuki- Kopplung Br R 2 R 2 IC µm IC µm 2 R=Aryl, Lit: C.. elway et al. Bioorganic Med.Chem. 4 (1996) Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 33

34 uzuki Kopplung (I) B() 2 + Br C Pd(Ac) 2 PPh 3 a 2 C 3 C 2 / i-pr 86% elbst primäre Alklygruppen lassen sich mit speziellen Pd-Katalysatoren transferieren Ph 2 P Pd B C 2 C 8 + Me Me Br Ph 2 P K 2 C 3 DMF, TF Me Me 81% C 2 C 8 Lit: A. uzuki rganomet.chem. 576 (1999) Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 34

35 uzuki Kopplung (II) ynthese der rganobor Verbindungen: 1. B(i-Pr) 3 Li Et 2 B(-iPr) 2 2. / Et 2 84% 1. n-buli Et 2 B(i-Pr) 2 2. B(i-Pr) 3 3. / Et 2 95% Lit:.C. Brown et al. rganomet. 2 (1983) Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 35

36 paltung an strategischen Bindungen (III) Ph C 3 C 3 R X C 3 C 3 Ph Ph a) RC (200) b) R 2 (80) c) RC (80) a) X: C= b) X: C= c) X: 2 C 3 C 3 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 36 C 3 C 3 Ph 2 a) RC (200) b) R 2 (80) c) RC (80) Ph X R a) X: C= b) X: C= c) X: 2

37 paltung an strategischen Bindungen (IV) Ph C 3 C 3 C 3 C 3 Ph C 3 X C 3 (80) X X: C, Lit: C.. elway et al. Bioorganic Med.Chem. 4 (1996) Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 37 R X a) RC (200) b) R 2 (80) c) RC (80) Ph a) X: C= b) X: C= c) X: 2 C 3

38 paltung an strategischen Bindungen (V) eurokinin-2 Rezeptor Antagonisten Ph C 3 Lead compound of library C 3 IC nm F F Ph C 3 Best compound found C 3 IC nm Lit: C.. elway et al. Bioorganic Med.Chem. 4 (1996) Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 38

39 ynthesestrategien (III) 1. Verwendung von Templaten die einfach funktionalisiert werden können 2. paltung an strategischen Bindungen unter Anwendung von Retrosynthetischen Prinzipien 3. Konvergente anstatt equenzieller ynthese 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 39

40 Konvergente ynthese A 90% B 90% C 90% D 90% E Total: 65% equentielle ynthese A 90% B F 90% G 90% D 90% E Total: 73% Konvergente ynthese Ziele: ptimierung der Gesamtausbeute Verkleinerung der Ansatzvolumina Ermöglicht kombinatorische Bibliotheken 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 40

41 Retrosynthese (I) 2 Konzept: ukzessives palten von Bindungen an der Zielverbindung liefert potentielle Zwischenprodukte und schließlich alle denkbaren Edukte 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 41

42 Retrosynthese (II) Ansatz ist nicht wie bei der üblichen ynthese die Frage, welche Reaktionen können mit meiner Verbindung stattfinden, sondern Wie müssen meine Reaktanden beschaffen sein um die gewünschte Verknüpfung (Bindung) zu ermöglichen? Bsp: Knüpfung einer C-C Einfachbindung mittels uzuki-kopplung C B() 2 + Br C 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 42

43 Retrosynthese (III) Eine weitere Anforderung an die Edukte ist deren Verfügbarkeit und Preis Bei Zielverbindungen mit tereozentren ist es zudem vorteilhaft diese möglichst selektiv über entsprechende Edukte einzubringen oder zu induzieren Chiraler Pool R Ar Ar Ar Ar (R, R)-Weinsäure 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 43

44 Weiterführende Literatur tuart Warren rganic ynthesis The Disconnection Approach John Wiley & ons Ca. 39 Workbook, Ausleihbar über LIBER in ULB 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 44

45 ynthesestrategien (IV) 1. Verwendung von Templaten die einfach funktionalisiert werden können 2. paltung an strategischen Bindungen unter Anwendung von Retrosynthetischen Prinzipien 3. Konvergente anstatt equenzieller ynthese 4. Auswahl diverser Komponenten für die zu synthetisierende ubstanzbibliothek 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 45

46 Praktisches Problem: ubstanzauswahl (I) Die Reaktion von 7622 Carbonsäuren mit 1761 Aldehyden würde mehr als 1.3 x 10 7 Verbindungen ergeben. Welches sind die vielversprechensten? Zunächst trifft man eine Vorauswahl anhand folgender Kriterien: ind die potentiellen Produkte schon einmal im creening gewesen? Kommerzielle Verfügbarkeit und Preis der Edukte Chemische Diversität - ustering 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 46

47 Komponentenauswahl für das igh Throughput creening (T) R3 Typischer eadme Filter 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 47

48 ubstanzauswahl für das T (II) Um die Diversität eines Datensatzes bzw. einer erstellten ubstanzbibliothek zu berurteilen, muß man die enthaltenen Verbindungen zu ustern gruppieren Verwerfen ungeeigneter uster Erzeugen weiterer Verbindungen im selben uster Ein Molekül aus jedem uster für T Die Zuteilung der Moleküle erfolgt anhand ihrer gegenseitigen Ähnlichkeit (imilarität). 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 48

49 Virtual creening (I) Anhand des chemischen Profils einer Verbindungsklasse kann man natürlich auch in vorhandenen Datenbanken nach ähnlichen Verbindungen suchen Die entsprechende uche ist prinizipiell dasselbe wie eine ubstruktursuche in CA-online Bsp: Carbonic Anhydrase Inhibitoren uche unter Verbindungen lieferte 3314 Moleküle X 2 2 tartstruktur X=, 2 Lit:. Grüneberg et al. J.Med.Chem. 45 (2002) Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 49

50 Virtual creening (II) In erweiterter Definition schließt das virtual screening auch weitere computerbasierte Verfahren ein wie, ADME-Filter (siehe Vorlesung 7) und Docking 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery W04/05 50