Aufbau von Substanzbibliotheken für das High thoughput screening (I)

Transkript

1 Aufbau von Substanzbibliotheken für das High thoughput screening (I) Automatisierter Test von >1000 Verbindungen am target Erfordert die Synthese von entsprechend vielen Verbindungen und die Handhabung der Ergebnisse. 1. Schritt: Auswahl des target 1

2 Informationsfluß in einer drug discovery pipeline 2

3 Typische Targets Anteil am menschlichen Genom und Pharmaka am Markt 3

4 Substanzauswahl für das HTS (I) Verschiedene Substanzbibliotheken: general z.b. gegen ganzes Zellassay focused bestimmte Familie von Enzymen targeted ein bestimmtes Enzym Diversität von Substanzbibliotheken Vermeidung von redundanten Verbindungen Verbesserte Trefferwahrscheinlichkeit im HTS 4

5 Aufbau von Substanzbibliotheken für das High thoughput screening (II) Automatisierter Test von >1000 Verbindungen am target Erfordert die Synthese von entsprechend vielen Verbindungen und die Handhabung der Ergebnisse. 1. Schritt: Auswahl des target 2. Schritt: Wieviel Information ist über das target vorhanden? Gibt es bereits lead compounds? 5

6 Komponentenauswahl Wieviel Information ist über das target vorhanden? Zunehmende Information X-Ray mit Wirkstoff X-Ray des Proteins Reihe von wirksamen Verbindungen Wenige hits aus HTS Kenntnis der Enzymfunktion (z.b. Kinase, GPCR) active site combi chem Docking QSAR, Pharmacophor erstellen HTS eadme Filter Erstellen einer virtuellen Bibliothek 6

7 Clustering aus Screening Ergebnissen Um die Diversität eines Datensatzes bzw. einer erstellten Substanzbibliothek zu berurteilen, muß man die enthaltenen Verbindungen zu Clustern gruppieren. diverse library Von einem hit im HTS weitere Moleküle desselben Clusters testen. Ein Molekül aus jedem Cluster für HTS Die Zuteilung der Moleküle erfolgt anhand ihrer gegenseitigen Ähnlichkeit (Similarität).Ähnlich, aber unterschiedlich 7

8 Aufbau von Substanzbibliotheken für das High thoughput screening (III) Automatisierter Test von >1000 Verbindungen am target Erfordert die Synthese von entsprechend vielen Verbindungen und die Handhabung der Ergebnisse. 1. Schritt: Auswahl des target 2. Schritt: Wieviel Information ist über das target vorhanden? Gibt es bereits lead compounds? 3. Schritt: wenn ja, Erzeugung einer virtuellen Bibliothek ausgehend von der Leitstruktur 4. Schritt: Syntheseplanung 8

9 Informationsfluß in einer drug discovery pipeline 9

10 eadme Filter für das High Throughput Screening (HTS) R1 R2 R3 Typischer eadme Filter 10

11 Absorption Wie gelangt der Wirkstoff zum Bestimmungsort? Beim HTS wird zunächst die Bioverfügbarkeit vernachlässigt und die volle Dosis der Verbindung im Essay gewährleistet. Dazu werden die Verbindungen in DMS gelöst. 11

12 Aufbau von Substanzbibliotheken für das High thoughput screening (IV) 3. Schritt: wenn ja, Erzeugung einer virtuellen Bibliothek ausgehend von der Leitstruktur Systematische Variation der Leitstruktur: Gerüst Seitenketten Bioisostere 12

13 Aufbau von Substanzbibliotheken für das High thoughput screening (V) Im Verlauf der ptimierung von der Leitstruktur zum klinischen Wirkstoff werden die Moleküle zumeist größer und lipophiler (füllen die Bindungstasche präziser aus). Deshalb sind folgenden Eigenschaften von Leitstrukturähnlichen Verbindungen wünschenswert: Molekülgewicht < 250 iedrige Lipophilie (logp<3) bei oraler Dareichung Genügend Möglichkeiten für Seitenketten Ausreichende Affinität und Selektivität 13

14 Bioisostere (I) Definition: Gleiche Anzahl und Anordnung der Elektronen (Langmuir 1919) z.b. 2 C C - C C - K + H 4 + Ar Grimms Hybrid Austausch Gesetz (1925) C F H C H H CH 2 H 2 CH 3 14

15 Bioisostere (II) Definition: Compounds or groups that possess near-equal, molecular shapes and volumes, approximately the same desitribution of electrons, and which exhibit similar physical properties. (A. Burger1970) z.b. -Cl -CF 3 -C - 2 -CCH 3 -S 2 CH 3 -CHCl 2 -CH

16 Bioisostere (III) Klassische (Bio-)isostere sind sterisch und elektronisch ähnlich Halogen Br C CF 3 C(C) 3 Carbonyl C S 2 C Carbonsäure H H C H H S H Amid H CH 3 S H CH 2 H icht-klassische Isostere: z.b. Austausch von cyclischen gegen acyclischen Strukturen Austauschbare Gruppen 16

17 Bioisostere (IV) In den seltensten Fällen haben Bioisostere (chemical space) dasselbe Wirkungsprofil (biological space) wie die Verbindung von der sie abgeleitet wurden Angestrebt werden dabei folgende Eigenschaften: Bessere Wirkung Höhere Selektivität Erhöhte Bioverfügbarkeit Geringere Toxizität Weniger ebenwirkungen Ermöglicht niedrigere Dosierung 17

18 Monovalente Bioisostere (I) Austausch von F gegen H Fluor besitzt einen ähnlichen van der Waals Radius wie Wasserstoff und ist deshalb gleich groß. Die Lipophilie bleibt ebenfalls erhalten Fluor ist am elektronegativsten, dadurch induktiver Effekt auf das benachbarte C-Atom. Im Gegensatz zu anderen Halogenen jedoch keine Mesomeren möglich (fehlende d-rbitale) Cl H Cl + H F H F + H 18

19 Monovalente Bioisostere (II) Austausch von F gegen H Die C-F Bindung ist stärker als die entsprechenden C-H, C-Cl, C-Br und C-I Bindungen, und damit auch metabolisch stabilier. Fluor ist aufgrund seiner Elektronegativität ein starker H- Brücken Akzeptor R H H R F H 19

20 Monovalente Bioisostere (III) Austausch von -H gegen H 2 Beide Gruppen haben ähnliche Größe und Geometrie Beide sind sowohl H-Brücken Donoren als auch Akzeptoren In heterocyclischen Ringen wird dastautomerisierungsgleichgewicht verschoben C H C H aber H 2 C H H C 20

21 Monovalente Bioisostere (IV) Austausch von -H gegen SH Schwefel ist sehr viel größer als Sauerstoff R vdw () = 1.4 Ångstrom R vdw (S) = 1.85 Ångstrom und weniger elektronegativ (ohne Dimension) : 3.51 S: 2.32 Deshalb sind die H-Brücken von SH schächer Trotzdem sind Thiole sauerer und stärker dissoziert als die entsprechenden Alkohole. In heterocyclischen Ringen kann wie bei H 2 durch Tautomerisierung das entsprechende Thiol entstehen 21

22 Monovalente Bioisostere (V) Austausch von CH 3 gegen Cl Die Methylgruppe und Chlor haben die gleiche Größe und lipophilen Eigenschaften. Im Gegensatz zu Chlor wird die Methylgruppe aber schneller metabolisch abgebaut und ausgeschieden H CH 3 CH CH phase I phase II 22

23 Monovalente Bioisostere (VI) Austausch von CF 3 oder C gegen Br Die Trifluormethyl- und die Cyanatgruppe haben dieselben elektronischen Eigenschaften, aber die C Gruppe ist sehr viel hydrophiler 23

24 Divalente Bioisostere Austausch der CH 2 Gruppe CH 2 lipophil S H hydrophiler noch hydrophiler S S metabolische xidation Verbindungen mit BH oder SiH sind zu hydrolyseempfinglich 24

25 Trivalente Bioisostere Austausch der CH= Gruppe durch H H C lipophil hydrophiler, H-Brücken Akzeptor Wichtig und erfolgreich vor allem in heterocyclischen Ringsystemen 25

26 Tetravalente Bioisostere + C sehr viel lipophiler Si hydrolyseempfindlich Si-C Bindung 20 % länger CH 3 P + CH 3 CH 3 CH 3 + As CH 3 CH 3 meistens toxisch 26

27 Divalente Ringäquivalente Austausch der CH 2 Gruppe CH 2 H C S Auch möglich bei größeren Ringsystemen (7-Ring etc, vgl. Benzodiazepine) 27

28 Trivalente Ringäquivalente Austausch der CH= Gruppe Phenyl Pyridin Pyrazin Pyrimidin Pyridazin S S H Pyrrol Furan Thiazol Thiadiazol Thiadiazol Ermöglicht oft das Feintuning des Wirkungsprofils vgl. Sildenafil und Vardenafil 28

29 icht-klassische Isostere (I) Austausch von cyclischen gegen acyclischen Strukturen Wichtig: Die entscheidende Funktionalität muß räumlich erhalten bleiben Ringerweiterung Acyclisch Cyclisch Ringverkleinerung 29

30 icht-klassische Isostere (II) Ringöffnung H H H H Estradiol Diethylstilbestrol Ringschluß CH 3 CH 3 CH 3 R CH 3 ft zum Einfrieren von aktiven Konformationen angewandt S R 30

31 Thermodynamische Effekte Ringöffnung: Erzeugt mehr Freiheitsgrade, dadurch Entropieverlust bei der Bindung ans Enzym H H H H Estradiol Diethylstilbestrol Ringschluß: Weniger Entropieverlust bei der Bindung ans Enzym CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 R S R 31

32 Bioisosterer Austausch von Funktionellen Gruppen Hydroxylgruppe H Hier: Erhaltung der H-Brückeneigenschaften vorrangig H H H CH 3 H C H H 2 H S CH 3 32

33 Wann ist ein Molekül drug-like? Typische Pharmaka weisen folgende Eigenschaften auf: Molekülgewicht < 500 Lipophilie im Bereich von 2 < logp < +5 Wenige H-Brückendonoren (< 5) Wenige H-Brückenakzeptoren (< 10) Mindestens eine H Gruppe Mehr zu drug/non-drug Erkennung in Vorlesung 12 33

34 Synthesemethoden zur Erzeugung kombinatorischer Bibliotheken (I) Für die parallele Synthese zum Aufbau von Substanz- Bibliotheken sind zuverlässige Syntheseschritte erforderlich, die auch von Syntheserobotern ausgeführt werden können, z.b. Reduktive Aminierung Acylierung Hantzsch-Synthese von 2-Aminothiazolen Suzuki-Kopplung (Aufbau einer C-C Bindung) Ugi-Kondensation (Di-Peptide) 34

35 High thoughput screening (HTS) Urspüngliche Idee: Automatisierter Test von >1000 Verbindungen am target Erfordert die Synthese von entsprechend vielen Verbindungen und die Handhabung der Ergebnisse. 35

36 Auswertung von HTS Ergebnissen Unsicherheitsfaktoren sind: Reinheit und Zuverlässigkeit der Verbindungen (falsch negative) Gefärbte Verbindungen (falsch positive) Unspezifisch bindende Verbindungen (falsch positive) 36