Optimering af lægemidlet

Man har nu fundet ud af både hvilket target man skal ramme med sit nyudviklede lægemiddel, men man har også fundet ud af hvordan lægemidlet bliver påvirket af kroppen. Men i den virkelige verden fungerer det første lægemiddel der laves mod en sygdom aldrig. Der er derfor behov for optimeringsstrategier og måder at teste disse optimeringer. Optimering af et lægemiddel kan også være nødvendigt for at sænke antallet af bivirkninger eller øge aktiviteten af lægemidlet.

SAR (Structure Activity Relationship)

I casen omkring psoriasis havde man fundet ud af hvordan target så ud, inden man begyndte at designe et lægemiddel. Men ofte kender man faktisk ikke, præcis hvordan target ser ud når man designer et lægemiddel. I dette tilfælde laver man ud fra en grundstruktur af et lægemiddel, en række forskellige analoger, som kan sammenlignes og testes op mod hinanden via et SAR studie. I psoriasis casen, hvor man kendte target er det dog også muligt at lave et SAR studie, hvor man forsøger at bibeholde de rette interaktioner mellem target og lægemiddel og samtidig udfylder de ”lommer” der er i target med forskellige grupper i lægemidlet.

På figur 1, ses et forslag til et lægemiddel. De grupper, der har mulighed for at skabe forskellige interaktioner med target, er angivet på tegningen. Nedenfor molekylet er vist fire mulige analoger, dvs. det samme molekyle blot med forskellige modifikationer.

 

Figur 1. Illustrerer princippet bag et SAR studie. De funktionelle grupper i lægemidlet der muligvis er vigtig for binding til target er angivet og fire forskellige analoger til test om den givne funktionelle gruppe er vigtig for binding til target. 

I den første analog er alkoholgrupperne blevet ændret til methylethere. Herved fjernes muligheden for, at hydrogenatomet kan være en HBD. Den første analog vil blive testet for aktivitet i target i en in vitro test, da det ikke er etisk forsvarligt at lave et dyreforsøg endnu. Hvis den første analog har en lavere aktivitet (højere IC50) end det oprindelige molekyle, har alkoholgrupperne været vigtige for binding i target. Hvis aktiviteten for den første analog er den samme som eller højere (lavere IC50) end den oprindelige struktur, er alkoholgrupperne ikke vigtige for binding til target.

I den anden analog, som er vist, er en aromatisk ring erstattet med en cyclohexan-ring. En aromatisk ring vil normalt indgå i Van der Waals interaktioner med target eller andre molekyler, mens en cyclohexan vil have sværere ved at danne Van der Waals interaktioner, fordi cyclohexan-ringen ikke har en flad struktur, som en aromatisk ring har, som ses. Analogen testes igen for aktivitet, og effekten af den aromatiske ring vs. cyclohexan-ringen vurderes.

 

Figur 2. I figuren ses den tredimensionelle forskel på en cyclohexan ring og en aromatisk ring. Hvor den aromatiske ring har en flad struktur, er cyclohexan ringen ujævn. 

I den tredje analog er en carboxylsyre, udskiftet med en methylether. Carboxylsyrer der har afgivet en hydron kan lave ionbindinger, men kan også lave hydrogenbindinger via deres dobbeltbundede oxygenatom. Ved at fjerne muligheden for at lave en ionbinding, testes der hvorvidt det er nødvendigt for lægemidlets aktivitet at lave en ionbinding til target. Der kan stadig laves hydrogenbindinger, så ved at bruge en ester som testgruppe, sikrer man at det er én bindingstype man tester af gangen.

Den sidste analog, som er vist, er en test, der skal afgøre hvorvidt NH-gruppen laver en hydrogenbinding til target.

Ud over de viste ændringer i molekylet i figur 1, kan der også laves en del andre ændringer, hvor andre funktionelle grupper indsættes i molekylet. For alkener, er det ligesom med aromater, en god ide at teste en alkan (mættet kulbrinte) med samme længde som alkenen, da der er forskel på, hvor meget rotation der er i hhv. alkener og alkaner.

Terapeutisk indeks - læs mere

Optimeringsstrategier

Target binding
Rokering, forlængelse og udvidelse
Hvis et lægemiddel ikke har de rette interaktioner i target, bliver man nødt til at optimere strukturen, så lægemidlet passer helt perfekt ind i target. Optimering af et lægemiddel kan ske på flere forskellige måder, alt efter hvad problemet med bindingen er. Der kan fx være tale om, at en funktionel gruppe på lægemidlet sidder forskudt i forhold til en gruppe i target, så den nødvendige binding ikke kan finde sted.

Figur 3. Illustration af hvordan et lægemiddels kulbrinte kan forlænges eller forkortes for at få den optimale binding til target.

Længden af kulbrinten, som vist i figuren, kan varieres for at få den funktionelle gruppe i den rette position.

Den funktionelle gruppe kan også sidde et bestemt sted i molekylet/scaffoldet, så en interaktion ikke kan finde sted. Derfor bliver man muligvis nødt til at rykke placeringen af gruppen.

Figur 4. Viser hvordan en funktionel gruppe siddende på en aromatisk ring kan flyttes, således at gruppen binder til det rigtige område i target.

Hvis der findes en hydrofob lomme i target, som ikke bliver brugt, kan man forsøge at udfylde den med en forlængelse med en aromatisk ring. På den måde vil lægemidlet binde endnu bedre til sit target.

Figur 5. Ved at indsætte en ekstra hydrofob gruppe i lægemidlet, bliver en hydrofob lomme udfyldt, hvilket giver et bedre lægemiddel.

Man kan også lave ringudvidelser, hvis en del af molekylet ikke præcist rammer sit bindingssted. Man kan altså rokere, forlænge og udvide sit molekyle, så det kommer til at passe helt perfekt ind i de lommer der findes i target.

Figur 6. Der kan også laves udvidelser af ringsystemer så ringsystemet binder til de rigtige områder i target.

Funktionelle grupper og ændring af disse

En anden måde hvorpå et lægemiddel kan forbedres, er ved at ændre de funktionelle grupper, molekylet allerede besidder. Der kan fx være tale om, at der i farmakoforen skal bruges en HBD til at lave en hydrogenbinding, fordi der er en HBA i et område i target, men lægemidlet kan kun lave ionbindinger. Den funktionelle gruppe skal således laves om, så den kan donere et hydrogenatom og derved lave en hydrogenbinding.

Bioisosterer
En tredje måde at ændre på lægemidlet er vha. det, der kaldes bioisosterer. Bioisosterer er funktionelle grupper, der kan erstatte andre funktionelle grupper, men den biologiske aktivitet og den overordnede tredimensionelle struktur bevares. I de tilfælde hvor bioisosterer er en løsning på problemet med lægemidlet, er det hverken placeringen af den funktionelle gruppe eller funktionaliteten af gruppen, der har været årsag til problemet. Sultoprid er en dopamin antagonist, som blev ændret, strukturen ses i figur 7. I sultoprid findes en amid, som minder om en peptidbinding, der let bliver nedbrudt i kroppen. Man kan i sultoprid ændre amiden til en pyrrol ring, således at den overordnede struktur af molekylet bibeholdes, og det stadig er muligt at lave en hydrogenbinding til target. Fordelen ved bioisosteren af sultoprid er, at der nu ikke er en gruppe i molekylet, der minder om en peptidbinding, og molekylet vil derfor blive langsommere nedbrudt i kroppen.

 

Figur 7. Lægemidlet Sultaprid og dets bioisoster.

I figur 8 er der vist forskellige eksempler på bioisosterer for amider.

Figur 8. Viser forskellige bioisosterer for en amid.

Estre bliver, som beskrevet tidligere, ofte nedbrudt eller ændret i metaboliske reaktioner. Hvis dette er et problem for lægemidlets aktivitet, kan det afhjælpes ved at ændre methylgruppen på esteren til en amin.

Figur 9. Bioisoster for ester

 

Absorption/oplsøselighed

Som nævnt tidligere er det meget vigtigt, at det nyudviklede lægemiddel har den rette opløselighed og polaritet for, at det kan absorberes. Også med henblik på absorption kan man optimere på strukturen af lægemidlet. Hvis molekylet er for polært (altså hydrofilt/vandelskende), vil det blive hurtigt udskilt i nyrerne, og det er derfor en god ide at skjule de polære grupper. Man kan skjule en alkohol ved at lave den om til en ester eller en ether.

Man kan skjule en carboxylsyre ved at lave den om til en ester eller amid, eller man kan lave primære og sekundære aminer om til amider eller tertiære aminer. Foruden at den polære gruppe bliver skjult, tilføjes der også en ekstra hydrofob del til molekylet, som overordnet gør strukturen af det mindre polært.

Det modsatte scenarium, hvor molekylet er for upolært, kan også ændres, så det bliver mere polært. Den nemme løsning på dette problem er at tilføre ekstra polære grupper til molekylet. Dette er selvfølgelig ikke altid muligt, eksempelvis fordi der på den måde måske vil blive tilføjet funktionelle grupper, der kan lave uønskede bindinger i target, eller fordi der bare ikke er plads til ekstra funktionelle grupper i molekylet. Hvis det ikke er muligt at indføre flere funktionelle grupper, kan det være muligt at ændre på de grupper, der allerede er til stede i molekylet. Det kan fx være en methylether, som kan ændres til en alkohol, eller der kan måske fjernes grupper, som gør dele af molekylet hydrofobt.

Det er vigtigt, at der er hydrofobe grupper rundt omkring i hele molekylet, da det ellers kun vil være den ene side af molekylet, der vil være hydrofob nok til at blive optaget over cellemembraner. Hvis de hydrofobe grupper ikke er fordelt ligeligt i molekylet, kan man risikere, at den ene del af molekylet sidder i membranen, mens den anden del af molekylet stikker ud af membranen. På den måde bliver molekylet fanget i membranen. Det kan være en god ide at variere størrelsen på de hydrofobe grupper, så de forlænges på den ene side og forkortes på den anden side af molekylet, således at de hydrofobe grupper er fordelt jævnt hele vejen rundt om molekylet.

Når et lægemiddels pKs kommer uden for det optimale område, pKS = 6-9, er der stor sandsynlighed for, at det vil være for ioniseret, og derfor ikke vil kunne optages over cellemembraner. Hvis pKs er uden for det optimale område, skal man enten gemme funktionelle grupper, som er meget basiske eller meget sure, eller fjerne disse grupper. Man kan for eksempel gemme et basisk nitrogenatom inde i en heteroaromatisk ring

Craig plot
I nogle tilfælde kan det være svært at vide, hvilke funktionelle grupper der skal ændres, eller hvad grupperne skal ændres til, for at øge aktiviteten af et lægemiddel. Et lægemiddel har nogle fysisk-kemiske egenskaber, som kan relateres til den biologiske aktivitet. Der er to fysisk-kemiske egenskaber, der er specielt vigtige i forhold til biologisk aktivitet. Den ene egenskab er hydrofobiciteten af molekylets funktionelle grupper, og den angives med det græske tegn pi, π. π > 0 angiver, at molekylet er hydrofobt, mens π < 0 angiver, at molekylet er hydrofilt. Den anden egenskab er, hvor elektrondonerende eller -tiltrækkende en aromatisk substitut er i lægemidlet. Denne egenskab angives med det græske tegn sigma, σ. Hvis σ > 0 betyder det, at den aromatiske substitut er elektrontiltrækkende, mens den aromatiske substitut er elektrondonerende, hvis σ < 0. Når π og σ indtegnes i et diagram for forskellige funktionelle grupper fremkommer det, der i farmakologien kaldes et craig plot. Ud fra et craig plot kan man danne sig et overblik over, hvilke funktionelle grupper man kan ændre de nuværende substituenter i et molekyle til, for fx at ændre hydrofobiciteten af molekylet. Figur 11 er et craig plot for aromatiske substituenter i para-stillingen. Para-stillingen for aromatiske ringe er beskrevet nærmere i artiklen ”Organisk kemi og lægemidler”. Et lægemiddel der har en t-butyl gruppe (ligger i 4. kvadrant i craig plottet), vil være meget hydrofobt grundet denne gruppe. Det kan være at molekylet er så hydrofobt at logP-værdien ligger over 5. Det er derfor nødvendigt at ændre på lægemidlets funktionelle grupper, så det bliver mindre hydrofobt. Man kan derfor bruge craig plottet til at se, hvilke grupper der er mindre hydrofobe en t-butyl. Gruppen Me (Methyl), har en lavere π-værdi end t-butyl og en udskiftning vil derfor gøre molekylet mindre hydrofobt, hvorved logP-værdien vil sænkes til under 5. Det kan nu være muligt at indtage lægemidlet oralt.

Figur 10. Craig plot med positive og negative værdier for σ og π i para-stillingen i en aromatisk ring.


Topliss skema
Udover at orientere sig i et craig plot, kan det også være en god ide at bruge et Topliss skema. Et Topliss skema er et diagram, hvor den næste analog, der skal testes for aktivitet, er angivet, således at det giver en logisk rækkefølge ift. substitutternes π- og σ-værdier. For hver analog, der testes, er der tre mulige skæbner; analogen kan have højere, lavere eller samme aktivitet som det oprindelige molekyle. Alt efter hvilken grad af aktivitet analogen har, vælges næste analog ud fra forgreningen i skemaet. Der findes to forskellige Topliss skemaer. Det ene skema hører til aromatiske substituenter og er vist i figur 11, mens det andet skema hører til kulbrinte-sidekæder og er vist i figur 12.

Figur 11. Topliss skema for aromatiske substituenter. L = Lavere aktivitet, S = Samme aktivitet, H = Højere aktivitet.

Figur 12. Topliss skema for alifatiske substituenter. L = Lavere aktivitet, S = Samme aktivitet, H = Højere aktivitet.

Metabolisme

Som beskrevet i en tidligere artikel, er nogle funktionelle grupper specielt udsatte for metabolisering (altså en omdannelse af grupperne) i kroppen. Dette indbefatter estre, amider og methylgrupper. Metaboliseringen medfører, at molekylet hurtigt bliver udskilt fra kroppen gennem nyrerne, og lægemidlet har en kort halveringstid. En nem måde at beskytte ekstra udsatte grupper mod metabolisering på, er ved at indføre sterisk hindring/sterisk skjold i molekylet. Sterisk hindring omhandler det, at indsætte en kemisk gruppe tæt på en bestemt funktionel gruppe, der skal beskyttes, således at metaboliseringsenzymerne ikke kan komme hen til gruppen, fordi den gruppe, man har indsat, sidder i vejen. De specielt udsatte grupper kan desuden også helt fjernes eller erstattes med andre grupper fx bioisosterer.

Det modsatte scenarium, hvor lægemidlet har en for lang halveringstid i kroppen, kan også forekomme. Fentanyl, der er et bedøvelsesmiddel brugt under operationer, er blevet skabt ud fra stoffet remifentanil ved blandt andet at erstatte to aromatiske ringe (forkortet Ph) med to estre. Denne ændring medførte, at virkningen af bedøvelsen blev kortere, fordi estrene blev nedbrudt til carboxylsyrer i blodet. Man opnåede på den måde et stof, der kunne bruges til mere kortvarende operationer.

Figur 13. Viser fentanyl og remifentanil, som begge er lægemidler der bruges til bedøvelse. Varigheden af bedøvelsen for remifentanil er kortere end for fentanyl, fordi der på remifentanil sidder to ester grupper, som let nedbrydes i blodet.

Et andet eksempel på et stof brugt til bedøvelse af patienter er atracurium, som betegnes som et self-destruct lægemiddel. Atracurium er stabilt ved lave pH-værdier, pH < 4, som eksempelvis i mavesyren, men ligeså snart atracurium kommer ind i blodbanen, hvor pH-værdien er neutral eller lettere basisk, går molekylet i stykker og har ikke længere nogen virkning. Stoffet er derfor bedst at give med intravenøst drop, idet det kan doseres løbende, og patienten kan vågne op med det samme efter endt operation.

Figur 14. Self-destruct lægemidlet atracurium går i stykker, når det kommer ind i blodbanen grundet blodets pH-værdi.  

Prodrugs

Prodrugs er lægemidler, der ikke har sin aktive kemiske struktur, når det indtages. Under sin vej gennem kroppen til target bliver strukturen ændret, og specielt i leveren vil stoffet blive udsat for modificering. Det vil herefter recirkulere i kroppen, såfremt det ikke udskilles, og eftersom lægemidlet nu er blevet ændret til den rigtige struktur, vil det have sin rette virkning. I designet af et prodrug er det derfor vigtigt at tage højde for, hvilke metaboliseringer der finder sted i lægemidlet. En af de funktionelle grupper, som let bliver metaboliseret, er estre. Et lægemiddel der indeholder en carboxylsyre bliver ikke særlig godt optaget henover tarmen. En god måde at sørge for at et lægemiddel indeholdende en carboxylsyre kan optages henover tarmen er ved at konvertere den til en ester, før den indtages. Esteren vil hurtigt blive lavet om til en carboxylsyre (eller en alkohol, alt efter hvilken funktionalitet der er ønsket), når lægemidlet kommer ind i blodbanen og leveren. Et eksempel på brugen af estre i prodrugs er salicylsyre, der er et smertestillende lægemiddel. Salicylsyre kan ikke indtages direkte, idet det giver blødninger i maven på grund af stoffets fenolgruppe. Hvis fenolgruppen gemmes væk via en ester, dannes acetylsalicylsyre. Acetylsalicylsyre giver ikke blødninger i maven, men er heller ikke smertestillende. Når acetylsalicylsyre er optaget over tarmene og befinder sig i blodbanen, vil det blive hydrolyseret til salicylsyre, som er smertestillende. Med denne strategi undgår man derfor at have salicylsyre i maven, samtidig med at det aktive lægemiddel findes i kroppen. Acetylsalicylsyre er et eksempel på et prodrug, hvor det aktive molekyle er en carboxylsyre, man ønsker dannet. I det smertestillende lægemiddel, Aspirin® er det netop denne reaktion fra acetylsalicylsyre til salicylsyre, som udnyttes.

 

Figur 15. Det smertestillende lægemiddel Aspirin®.

Et eksempel hvor det er en alkohol man skal have ud som det aktive stof, er lægemidlet valaciclovir, som benyttes mod herpesvirus. Valaciclovir bliver efter optag omdannet til aciclovir. Grunden til at det er nødvendigt at administrere valaciclovir i stedet for aciclovir, er grundet at aciclovir optages meget dårligt henover tarmen.

Figur 16. Herpesvirus lægemidlet valaciclovir er et prodrug der omdannes til det aktive stof aciclovir og aminosyren valin.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



Den biologiske aktivitet ved binding af et lægemiddel til et target, måles vha. det der kaldes IC50-værdien (Inhibitory Concentration).

IC50 er den koncentration af et lægemiddel, der skal til for at inhibere halvdelen af target-enzymerne, -receptorerne, -ionkanalerne osv. For at et lægemiddel har en høj aktivitet, skal IC50 være så lav som mulig, idet det er en koncentration for inhibering. 

 

 



 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 








Farmakoforen er et udtryk for de funktionelle grupper et lægemiddel har, som binder til et target.

 

 

 

 


   



En pyrrol er en femleddet ring med to dobbeltbindinger og et nitrogenatom.

Pyrrol

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 






En heteroaromatisk ring er en ring med mindst et atom der ikke er et karbon, fx et oxygen eller et nitrogenatom.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 















En fenolgruppe er en aromatisk ring med en alkohol koblet direkte til ét af ringens karbonatomer.