Inden for den organiske kemi findes en række forskellige funktionelle grupper. En funktionel gruppe er en karakteristisk kemisk struktur, som giver et molekyle dets egenskaber. Det kan godt være svært at huske forskellen på alle disse grupper, da nogle af navnene kan minde meget om hinanden. De funktionelle grupper er meget vigtig i forhold til, hvor godt et lægemiddel binder i sit target, og dermed hvor godt lægemidlet virker.

Simple grupper

Alkohol
En af de mest simple funktionelle grupper, der findes, er alkoholerne. Alkoholer er stoffer, hvorpå der sidder en OH-gruppe. Alkoholer er vigtige i udviklingen af ny medicin, da de er gode til at lave hydrogenbindinger med target, idet alkoholer kan virke som HBD via hydrogenatomet og virke som en HBA via oxygenatomets to ledige elektronpar. Alkoholerne er desuden med til at gøre molekylet mere polært, så det lettere kan opløses i vand. En alkoholgruppe, der sidder direkte på en aromatisk ring, kaldes for en fenol.

Halid
En ligeså simpel gruppe som alkoholerne er haliderne. Halider er molekyler, hvortil der er bundet et halogenatom eksempelvis F, Cl, Br eller I. Den viste halid kaldes for en alkylhalid, da gruppen er bygget op af en alkan, hvorpå et hydrogenatom er udskiftet med et halogen.

Figur 27. Alkohol, her er vist ethanol.

 

Figur 28. Alkylhalid

 

 

Figur 29. Substitutionsreaktion mellem nukleofil og alkylhalid. Elektroners bevægelse er angivet med blåt. En nukleofils elektroner reagerer ind på karbonatomet, hvorpå der sidder et halogen. Elektronerne bevæger sig videre ud på halogenet, så halogenet bliver frigivet. Nukleofilen er nu bundet til karbonatomet.

 

Et lægemidlet med brom og iod vil derfor kunne blive bundet til en nukleofil, hvilket kan påvirke lægemidlets virkning negativt. Reaktionen vist i figur 29 kan også foregå med klor som halid. Klor bliver relativt ofte brugt i lægemidler, men ofte er der så tale om en arylhalid. En arylhalid er et molekyle, hvor halogenet sidder på en aromatisk ring. Grunden til, at der ikke sker en SN2 reaktion med en arylhalid, er fordi nukleofilen i en SN2 reaktion skal angribe molekylet fra ”bagsiden”, og dette kan ikke lade sig gøre i en aromatisk ring.

Bindingen mellem fluor og karbon er relativt stærk, og en SN2 reaktion kan derfor ikke foregå, uanset om der er tale om et alkyl- eller arylhalid. Fluor bliver ofte anvendt til at bytte et hydrogenatom ud, da flour og hydrogen har omtrent samme størrelse og derfor fylder det samme i target. Udskiftningen af hydrogen med fluor ændrer udseendet af molekylet over for metabolske enzymer, så det ikke bliver nedbrudt. Udskiftningen giver derfor mulighed for at funktionelle grupper, der normalt bliver nedbrudt i kroppen, vil kunne overleve mødet med forskellige metabolske enzymer. Dette aspekt bliver gennemgået mere dybdegående i artiklen ”Identifikation af target og dets struktur”.

Carbonyler

Keton
Ketoner er kulbrinter, der indeholder et dobbeltbundet oxygenatom. Denne funktionelle gruppe kan fungere som HBA via det dobbeltbundede oxygenatoms to ledige elektronpar.

Aldehyd
Aldehyder er en form for endestillede ketoner, da de kun findes i enden af kulbrintekæder. Aldehyderne kan lave de samme bindinger og interaktioner i target, som ketonerne kan, men de bruges sjældent i lægemidler, fordi de nemt bliver oxideret til carboxylsyrer. Dette skyldes, at aldehyder er mere reaktive end ketoner, fordi aldehyderne har et hydrogenatom, -CHO, som midlertidigt kan blive fjernet, og det har ketoner ikke.

Figur 30. Keton

 

Figur 31. Aldehyd

 

Carboxylsyre

Carboxylsyrer indeholder to oxygenatomer. Det ene af de to oxygenatomer er bundet i en OH-gruppe, mens det andet oxygenatom er dobbeltbundet til det karbonatom, hvortil OH-gruppen er bundet. Det dobbeltbundede oxygenatom kaldes for carbonyldelen af carboxylsyren. En carboxylsyre kan afgive en hydron (H+), også kaldet en proton, hvorfor der netop er tale om en syre. Denne egenskab gør, at gruppen kan blive negativt ladet, og i denne tilstand kaldes gruppen for en carboxylation. Denne evne kan være med til at gøre et lægemiddel mere effektivt. Hvis target indeholder en positiv ladning, kan der dannes en ionbinding mellem target og lægemiddel, hvis det har en negativ ladning. Udover ionbindinger, vil en carboxylsyre også være i stand til at fungere både som en HBD og en HBA. Ved blodets pH-værdi (ca. 7,4) vil carboxylsyren være ioniseret, altså en carboxylation og her er carboxylsyren en speciel stærk HBA.

Figur 32. Carboxylsyre

 

Ester
En ester indeholder udover en carbonylgruppe endnu et oxygenatom, som er bundet med en enkeltbinding til et karbonatom samt til carbonylgruppen. En ester kan fungere som en HBA via begge oxygenatomer. Det dobbeltbundede oxygenatom er det, der er bedst, fordi det ”stikker” ud fra molekylet. Estre bliver ofte brugt til midlertidigt at skjule andre funktionelle grupper såsom carboxylsyrer, når et lægemiddel skal optages i kroppen. Når stoffet er blevet optaget i kroppen, vil kroppen splitte esteren op til en carboxylsyre og en alkohol, så den rette funktionelle gruppe er til stede i lægemidlet. Dette vil blive uddybet dels i artiklen ”Lægemidlets vej gennem kroppen”, dels i artiklen ”Optimering af lægemidlet”.

Figur 33. Ester

 

Ether

En ether, indeholder et oxygenatom, som er bunde til to karbonatomer midt inde i en kulbrintekæde. Denne gruppe kan fungere som en HBA.

Funktionelle grupper indeholdende nitrogen

Amin
Den mest simple og mest anvendte funktionelle gruppe med nitrogen er aminen. Aminers struktur kan sammenlignes med strukturen af ammoniak. Aminer kan både sidde inde i kulbrintekæden, men kan også være endestillede. De endestillede aminer består af et nitrogenatom, der er bundet til et karbonatom og til to hydrogenatomer. Disse kaldes for primære aminer, da de kun er bundet til ét karbonatom. Aminer, der er placeret inde i kæden, kan både være sekundæreog tertiære. Den sekundære amin er bundet til to karbonatomer, mens den tertiære amin er bundet til tre. Aminer kan virke som HBD, hvis nitrogenatomet er bundet til et hydrogen, og som HBA via nitrogenatomets ledige elekronpar.

Amid
Amider har et oxygenatom, der er dobbeltbundet til et karbonatom. Til dette karbonatom er der også bundet et nitrogenatom. Amider er de grupper, der danner peptidbindinger, som sætter aminosyrer sammen til proteiner. Amider kan fungere både som HBA og HBD (men er ikke virkelig gode til det).

Heterocycliske ringe

Som beskrevet iartiklen “Organisk kemi og lægemidler”, findes der ringsystemer der kaldes aromatiske ringe, når der er tre dobbeltbindinger i en seksleddet ring. Disse aromatiske ringe kan, hvis de er tilstede i et lægemiddel lave Van der Waals interaktioner med target. Nitrogen kan også være en integreret del af forskellige ringsystemer. Disse kaldes for heterocykliske molekyler. Som helhed kan ringsystemet være en del af en hydrofobisk interaktion, hvor nitrogenet nogle gange kan fungere som HBA. Udover nitrogen kan oxygen og svovl også være en del af et heterocyklisk molekyle.

 

Figur 34. Ether

 

Figur 35. Aminer

 

Figur 36. Amid

 

Figur 37. Heterocycliske ringe

 

  • Teori

    Introduktion til lægemidler

    Vi har sikkert alle på et tidspunkt i vores liv benyttet en eller anden form for lægemiddel. Det kan være en hovedpinepille fra tid til anden, antibiotika til at slå en infektion ned med, en antihistamin mod allergi, eller astmamedicin. Du kan sikkert komme i tanke om en del andre former for medicin, som du har brugt på et tidspunkt i dit liv, og det burde være tydeligt, at lægemidler har mange forskellige funktioner. En generel definition af, hvad et lægemiddel er: ”Et lægemiddel er et produkt, som er bestemt til at blive tilført mennesker eller dyr for at forebygge, lindre, behandle eller helbrede sygdom, sygdomssymptomer og smerter, eller for at påvirke legemsfunktioner”. Selvom denne definition er let forståelig, er udviklingen af lægemidler langt fra enkel. Den brede definition af et lægemiddel tillader desuden en stor gruppe af meget forskellige kemiske stoffer at blive anvendt.


    Det kræver interdisciplinær forståelse og kreativitet at udvikle nye lægemidler, og der vil undervejs i processen uden tvivl opstå problemer. Disse problemer kan være af forskellig art. Det kan dels være komplikationer ved optagelse af lægemiddel i kroppen, dels kan der være toksiske, altså giftige, bivirkninger, og dels kan det forekomme at det aktive stof i lægemidlet ikke binder tilstrækkeligt til sit     target. Grundet disse mulige problematikker, vil dette materiale give dig indsigt i, hvilke ting du skal tage højde for, når du skal designe dit eget lægemiddel.

    En kur mod psoriasis

    Inden selve udviklingen af et nyt lægemiddel kan startes, er det nødvendigt at bestemme sig for hvilken sygdom man gerne vil behandle. I det følgende tager vi udgangspunkt i hvordan et lægemiddel blev udviklet mod sygdommen psoriasis. Psoriasis er en hudsygdom hvor cellerne i huden begynder at dele sig mere end normalt. Herved dannes en tykkere hud som skaller kraftigt.

    Når man har besluttet sig for hvilken sygdom man vil behandle, skal man finde et target. Et target er det sted i kroppen, hvor et lægemiddel skal binde til, for at give den ønskede effekt. Et target kan være mange ting, men stort set alle targets er proteiner i kroppen. Der kan være tale om eksempelvis transportproteiner, enzymer eller receptorer. Hvordan et lægemiddel binder til sit target og derved udøver en funktion i kroppen, beskrives af lægemiddelets farmakodynamik. Farmakodynamik er den del af lægemiddeludviklingen, der beskriver, hvad et lægemiddel gør ved kroppen. Der kan læses mere om dette i artiklen ”Identifikation af Target og dets Struktur”. (Modsat er farmakokinetik beskrivelsen af hvad kroppen gør ved lægemidlet).

    Når man udvikler nye lægemidler, undersøger man systematisk en lang række forskellige stoffer for deres binding til det fundne target. Man fandt i 1980’erne ud af at vitamin D havde en positiv virkning på en speciel type kræftceller. Ved at give vitamin D til cellerne, så man, at de ikke voksede så hurtigt. Man udviklede den teori, at kræftpatienter som havde de særlige kræftceller i kroppen, ville kunne behandles af vitamin D. Det viste sig dog ikke muligt på grund af en alvorlig bivirkning. Vitamin D regulerer også mængden af calcium i blodet, og når stoffet doseres i den relativt store mængde, der er nødvendig for effektiv behandling, stiger koncentrationen af calcium så meget i blodet, at calcium udfælder i bl.a. nyrerne. Dette kaldes en calcemisk effekt. Det var derfor nødvendigt at udvikle nye stoffer som havde den gode væksthæmmende effekt på kræftcellerne, men ikke have nogen calcemisk effekt – mere herom senere.

    For at vitamin D kan virke på en celle, skal vitamin D-receptoren (target for Vitamin D) være til stede, hvilket den var i de givne kræftceller. Figur 1 viser vitamin D receptoren bundet til en ligand.

     

    Figur 1. Viser vitamin D receptoren med calcipotriol bundet dertil [Kilde: www.pdb.org; H.M. Berman, J. Westbrook, Z. Feng, G. Gilliland, T.N. Bhat, H. Weissig, I.N. Shindyalov, P.E. Bourne (2000) The Protein Data Bank Nucleic Acids Research, 28: 235-242].

    Vitamin D binder til vitamin D receptoren via en række kemiske bindinger i de rigtige positioner. Herved aktiveres receptoren, og vitamin D virker som en agonist på receptoren. For at kunne udvikle nye kandidater til testning, er det grundlæggende at vide noget om bindingerne mellem target og lægemiddel. Dette kan der læses om i artiklen ”Organisk kemi og Lægemidler”. Når vitamin D binder til sin receptor, bliver der dannet hydrogenbindinger som kan ses i figur 2, og nogle hydrofobe interaktioner som kan ses i figur 3.

    Ønsket om at udvikle nye stoffer med god effekt mod cellevæksten og minimal calcemisk effekt blev koblet sammen med viden om vitamin D receptoren. Man begyndte at optimere strukturen af vitamin D, altså fremstille analoger, som påvirkede target som en agonist, men som ikke havde en calcemisk effekt. Først og fremmest var man nødt til at finde ud af hvilke funktionelle grupper på vitamin D molekylet, der enkeltvis er nødvendigt for den ”agonistiske” aktivitet. Dette kan man gøre via et SAR studie (Structure Activity Relationship studie), hvor man fjerner de forskellige funktionelle grupper enkeltvis fra molekylet, og tester for aktivitet mod target – i dette tilfælde væksten af kræftcellerne. På den måde kan man trinvist enten udelukke eller bekræfte, om den pågældende gruppe er nødvendig for at bevare virkning af lægemidlet. Dette kan der læses mere om i artiklen ”Optimering af lægemidlet”. For vitamin D fandt man ud af, at den hæmmende virkning på cellevækst blev bevaret, når grundstrukturen for vitamin D blev bevaret. Hvis man i stedet ændrede på en sidegruppe, resulterede det i en reduceret calcemisk effekt (Fig. 4). Man fandt en særlig analog som var en god agonist og som ikke havde nogen calcemisk effekt. Denne analog blev kaldt calcipotriol.

    Det viste sig, at calcipotriol ikke udviste en calcemisk effekt, fordi stoffet meget hurtigt bliver nedbrudt/metaboliseret i leveren. Derfor var stoffet kun tilgængeligt i blodet i en begrænset tidsperiode. Desværre var tidsperioden så kort, at det ikke havde en tilstrækkelig effekt på kræftcellerne. Man besluttede at calcipotriol ikke var egnet som oralt lægemiddel. (På LEO Pharma fortsatte man arbejdet med at finde en god vitamin D analog, og stoffet seocalcitol blev udviklet. Dette stof blev testet i kræftpatienter og havde en positiv effekt, men desværre viste den calcemiske effekt sig efter behandling i længere tid, og udviklingen af seocalcitol måtte stoppes.)

    Figur 2. Viser calcipotriol og de aminosyrer fra vitamin D receptoren der danner hydrogenbindinger sammen [Kilde: www.pdb.org; H.M. Berman, J. Westbrook, Z. Feng, G. Gilliland, T.N. Bhat, H. Weissig, I.N. Shindyalov, P.E. Bourne (2000) The Protein Data Bank Nucleic Acids Research, 28: 235-242].

    Figur 3. Viser calcipotriol og de aminosyrer fra vitamin D receptoren der danner hydrofobe interaktioner [Kilde: www.pdb.org; H.M. Berman, J. Westbrook, Z. Feng, G. Gilliland, T.N. Bhat, H. Weissig, I.N. Shindyalov, P.E. Bourne (2000) The Protein Data Bank Nucleic Acids Research, 28: 235-242].

    Kort tid efter at calcipotriol var kasseret som oralt lægemiddel, blev det observeret, at en japansk patient med knogleskørhed som blev behandlet med vitamin D, som ”positiv bivirkning” fik sin psoriasis markant reduceret. Uafhængigt af dette fandt man også, at vitamin D receptoren findes i cellerne i huden. Disse to fund blev koblet sammen af LEO Pharma og de forsøgte derfor i stedet at bruge calcipotriol til topical behandling af psoriasis. Man lavede in vitro forsøg med calcipotriol på hudceller indeholdende vitamin D receptoren. Man fandt ud af, at calcipotriol havde de samme positive effekter som vitamin D på hudcellerne. Der var derfor grundlag for at arbejde videre med calcipotriol. Man begyndte at undersøge hvordan calcipotriol blev metaboliseret. Metabolismen af calcipotriol er en del af farmakokinetikken, og dette kan der læses mere om i artiklen ”Lægemidlets vej gennem kroppen”. In vitro testede man hvordan calcipotriol blev metaboliseret, ved at tilsætte et ekstrakt udvundet fra en lever. Figur 5 viser de metabolitter af calcipotriol, der blev identificeret.

    Figur 4. Viser vitamin D3 og den sidekæde, der er blevet ændret for at danne lægemidlet Calcipotriol.

    LEO Pharmas viste, at calcipotriols metabolitter ikke er toksiske. Dette er dog ikke altid tilfældet, og man bliver derfor nødt til at gå et skridt tilbage i udviklingen og ændre på strukturen af lægemidlet en gang til. På den måde vil man mange gange i udviklingen af et lægemiddel. Uanset om det er for at ændre de toksiske metabolitter, eller fordi stoffet ikke har den ønskede effekt, skulle gå tilbage og ændre på strukturen af lægemidlet igen og igen indtil den helt rigtig analog er fremstillet. Dette er en af grundene til at udviklingen af et lægemiddel tager rigtig mange år fra man starter forskningen, til man kan sende et lægemiddel på markedet.

    Når man via forskellige in vitro forsøg bl.a. har vist at lægemidlet binder godt til target og hvorledes det bliver metaboliseret, skal man til at lave forsøg med dyr (in vivo forsøg). Langt de fleste stoffer kasseres efter in vitro tests og kun en brøkdel testes in vivo. Man laver in vivo forsøgene for at bekræfte, at de resultater man har fået i in vitro forsøgene også gør sig gældende i en levende organisme. Efter man hos LEO Pharma havde lavet in vitro metabolisme forsøg (med leverekstraktet), gik man over til at lave in vivo metabolismeforsøg. Man gav rotter og minigrise radioaktivt-mærket calcipotriol, som man kunne følge i kroppen. Det viste sig, at der blev dannet præcis de samme metabolitter i dyrene, som blev fundet i in vitro forsøgene. Det er vigtigt ogå at teste for metabolitter i dyr, fordi nogle af de dannede metabolitter kan have en uønsket bivirkning. Metabolismeforsøg er ikke de eneste in vivo forsøg der laves. Der bliver også testet for om lægemidlet har den rette farmokodynamiske effekt i en levende organisme.

    Når man har vist at lægemidlet har den rette effekt i dyr, og det ingen uønskede bivirkninger har, skal man i gang med at teste lægemidlet på mennesker. Der findes tre forskellige faser af det man kalder for kliniske studier: fase I, II og III. I fase I studier tester man lægemidlet på raske frivillige mennesker, for at se om der fremkommer nogle bivirkninger i mennesker som ikke blev set hos forsøgsdyrene. Da man testede calcipotriol på raske menneskers hud, fandt man ud af at der ikke var nogle alvorlige bivirkninger ved stoffet – specielt blev der ikke observeret nogen calcemisk effekt. I fase II udvider man forsøgene til at inkludere patienter, for at kunne bevise at lægemidlet afhjælper sygdommen, og for at teste hvilken dosis der skal anvendes. Til sidst går man til fase III, hvor man bruger en stor gruppe af patienter.

    Ligeledes testede man calcipotriol på en stor gruppe psoriasispatienter. Man så en stor forbedring af huden og det var nu muligt at få markedsført calcipotriol.

    Figur 5. Calcipotriol bliver metaboliseret i kroppen ved først at lave en alkohol om til en keton, og derefter at fjerne en dobbeltbinding.

    Figur 6. Før og efterbillede ved behanding af psoriasis med calcipotriol [Kilde: LEO Pharma].  

    Identifikation af target og dets struktur

    Førend vi kan lave et lægemiddel er det nødvendigt at vide noget om sygdommen der skal behandlers og det target der skal rammes. Et target er i langt de fleste tilfælde et protein og viden om proteiner og deres sammensætning er naturligvis vigtig. 

    Der findes mange forskellige proteiner, transport proteiner, struktur proteiner, enzymer, receptorer med flere. De vigtigste er enzymer og receptorer, som også udgør langt de fleste targets for de lægemidler vi kender i dag.

    Enzymer

    En kemisk ligevægt kan indstille sig hurtigt eller langsomt, afhængigt af hvor reaktive reaktanterne er. Hvis en reaktion er meget langsom, og man ønsker at øge hastigheden, skal man bruge en katalysator. Enzymer er katalysatorer, idet de øger reaktionshastigheden uden selv at blive forbrugt under processen. Enzymer kan ikke få reaktioner, der normalt ikke vil forløbe, til at ske, men de kan øge reaktionshastigheden i begge retninger for reaktioner, der vil normalt vil forløbe. Derfor vil en ligevægt indstille sig hurtigere. Måden, hvorpå enzymer øger reaktionshastigheden, er ved at sænke aktiveringsenergien, men enzymer ændrer ikke på, hvor ligevægten ligger.

    Et enzym er et protein, og proteiner består af aminosyrer koblet sammen med peptidbindinger. Der er i menneskets krop tyve forskellige aminosyrer, som hver især har en variabel gruppe, kaldet R-gruppen. Idet enzymer er proteiner, er enzymer også opfoldet i en bestemt tredimensionel struktur. Grundet den tredimensionelle struktur vil der være forskellige kløfter/huller i proteinet og i nogle af dem, passer reaktanten/reaktanterne (som for enzymer kaldes substratet/substraterne) perfekt ind i, og i sådan en kløft bliver reaktionen katalyseret. Kløften, hvor substratet passer ind, kaldes for det aktive site. Det aktive site er meget specifikt. Dette betyder, at kun få substrater med meget ens struktur passer ind. Det skyldes, at der i det aktive site er en række R-grupper fra aminosyrerne, som kan lave bestemte bindinger med substratet. Dette kan både være intermolekylære- og intramolekylære bindinger. De intramolekylære bindinger kan være midlertidige, men kan også være permanente (hvilket ofte er tilfældet for inhibitorer, se senere). Hvis disse bindinger ikke bliver skabt, vil substratet naturligvis ikke binde til enzymet.

    • I en opløsning hvor en reaktion skal foregå mellem to molekyler, skal de to molekyler støde rigtigt ind i hinanden for at kunne reagere. Her hjælper enzymet til ved at opsamle de to rigtige molekyler og placere dem korrekt i forhold til hinanden. Reaktionsforløbet gøres derfor lettere.
    • Når en reaktion skal foregå, skal der ofte brydes nogle kovalente bindinger. Enzymet gør de kovalente bindinger i substratet svagere, da enzymerne trækker i bindingerne. Dette gør en deling af substratet i to lettere.
    • En reaktion foregår nogle gange ved at reaktanten/substratet bliver omdannet til et mellemprodukt. Til dette mellemprodukt skal der nogle gange bruges nogle funktionelle grupper der ikke kommer fra reaktanten/substratet selv. Enzymer kan tilføre midlertidige funktionelle grupper til substratet. Dette sker vha. R-grupperne i enzymet, der kan ”overføre” deres funktionelle gruppe eller dele af dem til substratet. Herefter sker der en række reaktioner, således at enzymets funktionelle grupper bliver gendannet.

    Desuden kan nogle enzymer kræve et andet molekyle i det aktive site for at fungere. Dette kan enten være et coenzym (molekyle som indeholder karbon), en cofactor (metalion fx kobber, zink ller jern) eller en prostetisk gruppe (molekyle der konstant er bundet til enzymet).

     

    Figur 7. Aktiveringsenergi for en reaktion uden brug af enzym og med brug af enzym. Ved brug af enzym ses en lavere aktiveringsenergi og reaktionen foregår derfor lettere.

     

    Induced fit

    Førhen troede man, at et substrats binding til det aktive site fungerede på samme måde, som når en nøgle passer ind i en lås. Måden, hvorpå et substrat binder til enzymet, blev derfor beskrevet vha. ”lock and key”-modellen. Der var dog ét problem med denne model. Den kunne ikke forklare, hvordan flere lignende substrater kunne passe ind i enzymet. Ifølge modellen ville der kun være ét substrat, som ville være specifikt nok til at kunne passe ind, helt i stil med, at en lås kun kan åbnes af én bestemt nøgle.

    Figur 8. Enzymet tilpasser sig substratet ved en konformationsændring.

     

    Der er nu blevet foreslået en lidt anden model, der bygger på, at et substrat ikke har den perfekte struktur i forhold til det aktive site. I stedet tilpasser det aktive site sig til substratet, og således kan flere substrater, der ligner hinanden, passe ind i det aktive site. Dette kaldes for induced fit. Når et substrat nærmer sig et tomt aktivt site, vil der dannes bindinger mellem enzym og substrat. Dette medfører, at der sker en konformationsændring i enzymet, så enzymet lukker sig sammen omkring substratet. Herved kommer enzymet til at være tættere pakket omkring substratet, så der kan dannes flere af de nødvendige bindinger. En konformationsændring betyder således blot, at enzymet ændrer sin tredimensionelle struktur i et område.

    Induced fit har også en anden meget vigtig funktion, nemlig udelukkelse af vand. Når enzymet lukker sig sammen, vil vand automatisk blive presset ud af det aktive site. Dette er praktisk, da nogle reaktioner ikke er favorable, når vand er tilstede. Dette kan blandt andet skyldes, at vand laver hydrogenbindinger med target-molekylet, så target-molekylet ikke vil kunne danne de nødvendige bindinger med lægemidlet.

    Inhibitorer

    Det blev i case-story’en nævnt, at der findes to typer lægemidler, agonister og antagonister. Inhibitorer kan siges at være enzymernes antagonister. Inhibitorer binder til enzymets aktive site, ligesom substratet gør, men i stedet for at aktivere enzymet, bliver enzymets aktivitet hæmmet, når en inhibitor binder. Reaktionshastigheden af enzymet bliver sænket, fordi inhibitorerne forstyrrer binding af substrat til det aktive site.

    Der findes forskellige former for inhibitorer. En inhibitor kan binde sig kovalent til enzymet, således at enzymet konstant er hæmmet. Disse stoffer kaldes for irreversible inhibitorer. Mange skadelige stoffer er irreversible inhibitorer, eksempelvis er nervegasser irreversible inhibitorer. Der findes dog også mange ikke-skadelige stoffer, der er irreversible inhibitorer som fx antabus. Dette er et lægemiddel, som inhiberer enzymet alkohol dehydrogenase, der nedbryder den alkohol, vi indtager. En inhibitor kan også binde sig i det aktive site for en kort stund med ikke-kovalente bindinger. Disse stoffer kaldes derfor for reversible inhibitorer.

    Receptorer

    Receptorer er meget lig enzymer i deres opbygning, men sidder som regel på en cellemembran. Receptorer indeholder ligesom enzymer også en kløft, hvortil der bindes et molekyle. Kløften kaldes for bindingssite, hvor det i enzymerne hedder det aktive site. Grunden til, at det hos receptorerne ikke kan kaldes for et aktivt site, er, at der oftest ikke sker nogen omdannelse af et udgangsstof i dette område. Når en ligand (der er det samme for en receptor, som et substrat er for et enzym) bindes i bindingssitet, sker der en konformationsændring, altså et induced fit. Dette sker hos alle receptorer. Hvad denne konformationsændring medfører er til gengæld forskelligt.

     

     

    Figur 9. Illustration af den generelle mekanisme for en G-protein koblet receptor. Når en ligand binder til receptoren, sker der en konformationsændring i receptoren, så der fremkommer et aktivt site inde i cellen, så der kan bindes et G-protein (bundet til GDP). Når G-proteinet er bundet til det aktive site, vil G-proteinet blive splittet op i tre dele, hvor den del der er bundet til GDP, får GDP skiftet ud med GTP. Denne del af G-proteinet kan nu bevæge sig til et andet sted i cellen, hvor den vil binde sig til et andet enzym, og derved aktivere dette.

     

    G-protein koblede receptorer

    Som det kan ses af figur 9, kan konformationsændringen fra bindingen til en ligand udefra medføre, at den del af receptoren, der er inde i cellen, også ændrer sin struktur. Derved fremkommer et nyt bindingssite, som minder lidt om et aktivt site, idet det er i stand til at fungere som et enzym. En ny ligand (G-protein, bundet til GDP) fra cellens indre kan nu bindes til det aktive site, hvorved der sker en splitning af G-proteinet inde i cellen. En del af G-proteinet kan herefter sende et signal videre til et membranbundet enzym inde i cellen, som herved bliver aktiveret. Hvilke funktioner, dette enzym har, er meget forskelligt alt efter, hvad det er for en type af enzym som G-proteinet binder til. Disse receptorer kaldes for G-protein koblede receptorer.

     

    Ionkanaler

    En anden slags receptor er ionkanalerne. Disse består af fem protein-subunits, der går hele vejen igennem cellemembranen, hvorved de danner en kanal igennem membranen. Herved kan ioner komme ind og ud af cellen. De fem subunits er ikke helt ens, da der i én af dem sidder et bindingssite. Når en ligand binder til bindingssitet, aktiveres ionkanalen således, at kanalen åbner sig. Konformationsændringen i en ionkanal foregår ved, at de fem subunits trækker sig væk fra midten, så en kanal dannes.

    Et lægemiddel, der virker på en ionkanal, kan også virke på to forskellige måde. Enten som en blokker eller som en åbner af kanalen. En blokker vil sørge for, at kanalen konstant er lukket og er derfor en antagonist. En åbner vil holde ionkanalen åben hele tiden og er en agonist.

     

    Figur 10. Figuren illustrerer hvordan en iokanal er placeret i en cellemembran og hvordan ionkanalen åbner sig når en ligand bindes til ionkanalen

     

    Transportproteiner

    Transportproteiner er kroppens ”smuglere”, idet de smugler molekyler over cellemembraner, da molekylet i sig selv er for polært til at kunne krydse. Et transportprotein er derfor hydrofobt/upolært på ydersiden, så det kan sidde inde membranen, men er hydrofilt/polært på indersiden, så polære molekyler kan transporteres ind i proteinet. Transportproteinet lukker sig rundt omkring molekylet, der skal transporteres. Herefter bliver det transporteret igennem cellemembranen og sluppet fri på den anden side.

     

    Figur 11. Illustrerer hvordan et lægemiddel kan blive transporteret over en cellemembran via et transportprotein.

     

    Et lægemiddel, der virker på et transportprotein, kan virke på forskellige måder. Lægemidlet kan virke ved selv at blive transporteret over cellemembranen ved at efterligne de molekyler, der normalt transporteres over membranen. Lægemidlet kan også virke ved at blokere transportproteinet og hæmmer derved optagelsen af det stof, som proteinet transporterer. Eksempelvis virker kokain i det centrale nervesystem ved at hæmme genoptagelsen af serotonin og dopamin gennem et transportprotein. Denne hæmning vil medføre, at der vil være mere serotonin og dopamin i synapsekløften mellem de to nerveender, og der vil derfor være et forlænget og øget signal gennem nerverne.

    Tabel 1

    Drug target  Virkningsmekanisme
     Receptorer  Agonist / Antagonist
     Enzymer  Reversibel / Irreversibel
     Ionkanal  Blokker / Åbner

     

    For at opsummere, så findes der en del forskellige slags proteiner, som kan virke som et lægemiddelstarget. Disse er specielt receptorer, enzymer og transportproteiner. Måden, hvorpå disse drug targets virker, er blevet beskrevet ovenfor og kan ses opsummeret i tabel 1. Udover proteiner, findes der en række andre typer drug targets. Disse kan fx være DNA og RNA.

    Tolerance og afhængighed

    Hvis en celle udsættes for en antagonist i lang tid, vil cellen ikke modtage noget signal fra receptoren. For at kompensere for dette, vil cellen opregulere dannelsen af nye receptorer (figur 12b). Cellen kan nu igen registrere signaler fra den naturlige ligand (figur 12d). For at få den ønskede medicinske virkning vha. antagonisten, er man derfor nødt til at give en højere dosis af lægemidlet (figur 12c). Denne cyklus, hvor cellen danner flere receptorer, og der gives en højere dosis, kan blive ved med at gentage sig. Den tilstand cellen kommer i, og dermed også den tilstand kroppen kommer i, kaldes for tolerance, idet kroppen har brug for mere af lægemidlet for at opnå den ”normale” effekt.

    Når indtagelsen af lægemidlet stopper, bliver alle receptorerne frigivet. Dette medfører, at alle de nye receptorer samt de oprindelige vil blive aktiveret af den naturlige ligand (figur 12e). Dette er meget ubehageligt, og man vil føle en trang til at tage stoffet igen, fordi det vil føles som et normalt respons. Dette kaldes for afhængighed, fordi man er nødt til at indtage lægemidlet for at have det godt. Over længere tid vil antallet af receptorer igen falde til et normalt niveau (figur 12f), men indtil da er patienten på afvænning.

    Figur 12. Illustrationen viser hvordan tolerance og afhængighed af et lægemiddel kan forekomme.

     

    Organisk kemi og lægemidler

    Hvis man kender sit target og de aminosyrer der er involveret i binding til et lægemiddel er det muligt at designe et lægemiddel ud fra kemisk viden. Lægemidlets funktionelle grupper skal tilpasses således, at de rette interaktioner skal kunne finde sted mellem target og lægemiddel.

    Farmakofor og scaffold

    Farmakoforen er et udtryk for de funktionelle grupper der er i et lægemiddet, og dermed hvilke bindinger, der er essentielle for aktiviteten af et lægemiddel. Et scaffold er derimod en grundstruktur, som giver et godt udgangspunkt for udvikling af lægemidlet.

    Når man skal udvikle et nyt lægemiddel, skal man først og fremmest at have en god grundstruktur, altså et godt scaffold. Til et scaffold kan man binde forskellige funktionelle grupper (R-grupper), som skal lave interaktioner til target, så den bedst mulige binding opnås. Et godt scaffold er et lille molekyle, hvor der fordelt rundt på hele molekylet er mulighed for at påsætte funktionelle grupper. Scaffoldet og dets funktionelle grupper kan sammenlignes med en edderkop, fordi en edderkop har en krop med ben fordelt ligeligt rundt på hele kroppen, ligesom et scaffold helst skal have.

    Tror du at indol som ses i figur 14, er et godt scaffold? Hvad med β-lactam, hydantoin og en steroid?

    Når et scaffold er valgt, vælges sidegrupperne primært baseret på hvilke bindingsinteraktioner de kan lave. De bindinger der er i selve lægemidlet er forskellig fra de bindinger der er mellem et lægemiddel og et target. De bindinger der finder sted i selve lægemidlet, kaldes for intramolekylære bindinger, eller i daglig tale for kovalente bindinger. De bindinger der er mellem lægemiddel og target kaldes for de intermolekylære bindingstyper, da disse bindingstyper eksisterer imellem molekyler. De intermolekylære bindinger findes der flere forskellige af og vil blive gennemgået i denne tekst.

    Men hvorfor binder atomer sig overhovedet sammen? Svaret er, at de binder sig til hinanden, fordi de gerne vil ligne en af ædelgasserne. En ædelgas, er et atom, der ligger i 8. hovedgruppe i Det Periodiske System. Atomer vil meget gerne have karakter af en ædelgas, fordi en ædelgas er meget stabil, idet den opfylder oktetreglen om at have 8 valenselektroner. Det er også derfor, at carbon laver lige netop fire bindinger til andre atomer. Carbon har fire valenselektroner og ved at optage fire elektroner mere fra andre atomer, der er villige til at donere eller dele en elektron, vil oktetreglen være opfyldt. Dette kan både opfyldes af fire atomer eller af færre atomer, fordi nogle atomer donerer mere end én elektron, således at der dannes en dobbelt- eller trippelbinding mellem donor- og carbonatomet.

     

    Figur 13. Edderkop modellen med en krop, også kaldet et scaffold, i midten, med ben fordelt rundt omkring med funktionelle grupper påsat.

     

    Figur 14. Forskellige scaffolds med R-grupper der kan varieres, så molekylet passer ind i target.

     

    Figur 15. Bindingsdannende elektroner i henholdsvis metan, ammoniak og vand, samt ledige elektronpar for ammoniak og vand.

     

    Det samme gør sig gældende for alle andre atomer; antallet af bindinger, et atom kan danne afhænger af, hvor mange valenselektroner atomet har. Hvis atomet har fem valenselektroner (fx nitrogen), mangler det tre elektroner for at komme op på otte elektroner i alt i sin yderste skal. Derfor kan det danne tre bindinger til andre atomer. Et atom med seks valenselektroner (fx oxygen) kan derfor danne to bindinger osv..

    Et atom med seks valenselektroner, fx oxygenatomet i H2O, har to elektronpar, som udgøres af atomets egne elektroner. Disse elektronpar kaldes for ledige elektronpar (eller lone pairs) og vises som to prikker i forbindelse med atomet.

    Intermolekylære bindinger

    Elektronegativitet og ionbindinger
    De forskellige atomer i Det Periodiske System har forskellig elektronegativitet (EN). Elektronegativitet er et mål for et atoms evne til at trække elektroner hen til sig selv gennem en binding til et andet atom. Hvis to atomer, der er bundet til hinanden, har en elektronegativitet, der er tæt på hinanden, fx et hydrogenatom bundet til et carbonatom, vil der ikke være nogle af atomerne, der vil være elektronegative nok til at kunne trække elektronerne i bindingen hen til sig selv. Derfor vil der ikke være en stor forskydning af ladninger igennem bindingen. Man siger derfor, at elektronerne er ligeligt fordelt gennem bindingen, og bindingen er derfor kovalent. En kovalent binding mellem et carbonatom og et hydrogenatom er upolær, idet der kun er en lille forskel på atomernes elektronegativitet. Hvis der til gengæld er en meget stor forskel i elektronegativitet mellem to bundne atomer, en forskel på over to enheder, vil der ikke længere være tale om en kovalent binding. Dette skyldes, at elektronerne i en sådan situation vil være trukket helt over på det ene af atomerne i bindingen. Et eksempel er NaCl, som har en forskel i elektronegativitet 2,1 enheder. En binding mellem Na og Cl kaldes en ionbinding. En ionbinding er ikke en kovalent binding dannet af to elektroner, men består i stedet for af to modsat ladede ioner. Ionbindinger er de stærkeste af de intermolekylære bindingstyper, men de bliver svagere, des længere væk de to ladede molekyler kommer fra hinanden. Idet ionbindingerne er de stærkeste bindinger, er de ofte også de første, der bliver dannet, når et lægemiddel skal binde til sit target. Dette kan være med til at trække lægemidlet ind i den rette position.

     

    Figur 16. Illustration af en ionbinding mellem en negativt ladet carboxylsyre og en positivt ladet amin. 

     

    Figur 17. Illustration af hvordan Van der Waals kræfter opstår.

     

    Van der Waals interaktion
    Van der Waals interaktioner, også kaldet London-bindinger, opstår i de hydrofobe dele af molekyler. Dette skyldes, at de områder af et molekyle, som anses for at være neutrale og upolære, aldrig rigtig er det helt. Der vil altid være en ladningsforskydning i molekylet grundet de forskellige atomers elektronegativitet. Der opstår derfor en meget svag midlertidig forskydning af ladninger i molekylet. Et lægemiddel og et target kan derfor tiltrækkes af hinanden når de har modsatrettede ladningsforskydninger og danne en Van der Waals interaktion.

    Hydrogenbindinger
    Hydrogenbindinger forekommer mellem to molekyler, hvoraf det ene er et elektronrigt atom, såsom oxygen eller nitrogen, der har et overskydende ledigt elektronpar, som kan donere elektronerne til et elektronfattigt hydrogen. Et elektronfattigt hydrogen er et hydrogenatom, der er bundet til et mere elektronegativt atom end det selv, og derfor vil dette atom trække elektronerne, fra den intramolekylære binding med hydrogenatomet, over mod sig selv. Hydrogenatomet bliver nu lettere positivt ladet og der vil opstå en binding mellem et lettere positivt ladet og et lettere negativt ladet atom. Et molekyle med sådan et hydrogenatom kaldes for en hydrogenbindingsdonor (HBD), fordi det kan donere sit hydrogenatom. Det elektronrige atom kaldes for en hydrogenbindingsacceptor (HBA), fordi det kan acceptere et hydrogenatom fra et andet molekyle. Disse to forkortelser vil blive brugt i resten af materialet.

    Figur 18. Figuren viser en hydrogenbinding mellem en alkohol i et lægemiddet og en amin i target.

     

    Der findes funktionelle grupper, som besidder begge funktioner, fordi de både indeholder et elektronfattigt hydrogenatom og et elektronrigt oxygen- eller nitrogenatom. De vigtigste i denne gruppe af både donorer og acceptorer er alkoholer (-OH) og aminer (-NH2).

    Hydrofobe interaktioner
    Et lægemiddel der har et hydrofobt område, kan fx være en aromatisk ring, er vandafskyende i netop dette område. Eftersom de hydrofobe områder er vandafskyende, vil disse områder meget gerne ligge tæt på andre vandafskyende områder i target. Når der sker en interaktion mellem to vandafskyende molekyler, dannes en hydrofob interaktion mellem molekylerne.

    Molekyler, der hovedsageligt indeholder carbon og hydrogen, er meget hydrofobe/upolære og kan ikke blandes med vand, ligesom olie og vand ikke kan blandes med hinanden. Disse molekyler er meget mere opløselige i hydrofobe opløsninger, og man siger, at de er fedtopløselige. Funktionelle grupper, der indeholder oxygen eller nitrogen, kan lave hydrogenbindinger. Idet disse grupper kan lave hydrogenbindinger, kan vandmolekyler pakke sig rundt om grupperne via en masse hydrogenbindinger. Molekyler, der indeholder funktionelle grupper med nitrogen og oxygen, vil derfor være polære/hydrofile i området, hvor gruppen sidder og vand kan derfor pakke sig rundt om de funktionelle grupper.

     

    Figur 19. Figuren viser hvordan vand kan interagere med både lægemidlets og targets bindingsgrupper. Ved fjernelse af vand kan der nu ske en binding mellem lægemidlet og target.

     

    Tabel 2: Typer af intra- og intermolekylære bindinger, samt deres bindingsstyrke. 

      Type Styrke 
     Intramolekylære Kovalent binding 200 – 450 kJ/mol
     Intermolekylære Ionbinding 20 – 40 kJ/mol
    Hydrogenbinding 10-30 kJ/mol
    Hydrofob interaktion 4-8 kJ/mol
    Van der Waals interaktion 2-4 kJ/mol

     

    Organisk kemi

    Som tidligere nævnt kan carbonatomer danne kovalente bindinger til hinanden, og på den måde danne lange kæder. Hvis man forestiller sig to, tre, fire eller flere carbonatomer sat sammen i en lige kæde, har man det, man kalder en alkan, se figur 20. Hvis man erstatter to bindinger til to hydrogenatomer med endnu en binding mellem to carbonatomer, får man en dobbeltbinding et sted i kæden, og molekylet kaldes nu for en alken. Hvis man erstatter endnu to hydrogenatomer med en ekstra binding samme sted som den forrige binding, så der nu er en trippelbinding mellem to carbonatomer i kæden, fås det man kalder en alkyn. Disse molekyler kaldes for carbonhydrider eller kulbrinter. Når der hverken er en dobbelt- eller en trippelbinding tilstede i kæden, siger man, at carbonhydriden er mættet. Alkaner er derfor mættede, mens både alkener og alkyner er umættede. På figur 20 ses desuden en stregformel for både alkanen, alkenen og alkynen. Stregformler aflæses således at hvert knæk angiver et carbonatom og én streg der fører mellem hvert knæk angiver én binding. Til hvert carbonatom skal der være fire bindinger, og hvis ikke der er fire streger ud fra et knæk, skal resten af bindingerne være til hydrogenatomer. Eksempelvis er knækkene i alkanen lig med CH2.

     

    Isomeri (forgreninger og ringsystemer)

    carbonhydrider behøver ikke kun være helt lige kæder. De kan også være forgrenede, hvilket kaldes for isomeri. Dette betyder, at en kæde, der fx består af fire carbonatomer, ikke behøver være en kæde, der er fire carbonatomer lang. Dvs. at de to molekyler har det samme antal carbon- og hydrogenatomer, men at de er arrangeret forskelligt, så det giver forskellige opbygninger af molekylerne.

    Udover at carbonhydrider kan være forgrenede, kan de også danne ringe. Der kan dannes ringe med mange forskellige antal carbonatomer. De mest normale størrelser af ringe, består af enten fem eller seks carbonatomer, fordi de er mest stabile i deres opbygning. I disse ringe kan der også laves dobbelt- og trippelbindinger, hvor dobbeltbindinger er langt det mest sete. Hvis der er tre dobbeltbindinger i en seks-leddet ring, kaldes denne for en aromat. Navnet stammer fra 1800-tallet, da man fandt aromater, når man udvandt ekstrakter fra planter der duftede (havde aroma). Til en aromatisk ring, kan der være bundet forskellige grupper, hvilket kaldes sidegrupper. En aromatisk ring kan have disse sidegrupper bundet på forskellige positioner. En aromat kan være substitueret i ortho-, meta- og para-stillingen i forhold til en sidegruppe. Ortho-stillingen er den position, der sidder lige ved siden af sidegruppen, meta-stillingen er den position, der befinder sig to carbonatomer væk, og para-stillingen er den position, der sidder tre carbonatomer væk eller lige over for sidegruppen, se figur 22.

    Stereokemi

    Udover bindingsinteraktioner mellem lægemiddel og target, er det vigtigt at holde for øje at den tredimensionelle struktur af lægemidlet kan volde problemer i forbindelse med binding. Et berømt eksempel er udviklingen af det aktive stof i lykkepillen, Citalopram, som vil blive beskrevet senere.

    Stereokemi er den del af kemien, der beskæftiger sig med den tredimensionelle struktur af et molekyle. Der er flere former for stereokemi, fx cis-trans isomeri og spejlbilledisomeri. Her vil spejlbilledeisomeri kort blive beskrevet, da dette er yderst vigtigt for virkningen af lægemidler.

    Et carbonatom laver som tidligere nævnt altid fire bindinger. Hvis der ikke er nogle dobbelt- eller trippelbindinger tilstede, vil et carbonatom danne en tetrahedral struktur.

     

    Figur 20. Tilførsel af ekstra bindinger til en carbonhydrid.

     

    Figur 21. Uforgrenet butan vist til venstre og forgrenet isobutan/2-methylpropan vist til højre. Disse molekyler er to forskellige isomerer med samme molekylformel: C4H10.

     

    Figur 22. Forskellige størrelser af ringe, samt en aromatisk ring indeholdende tre dobbeltbindinger. Substitutionsmønsteret for aromater med ortho(o)-, meta(m)- og para(p)-substitution er angivet. Desuden er duftstoffet i vanilje illustreret, som indeholder er aromatisk ring.

     

    Det danske firma Lundbeck udviklede i 1989 et antidepressivt lægemiddel, som de kaldte for Citalopram. Citalopram har et enkelt stereocenter, som er angivet med en stjerne i figur 26, og citalopram er derfor et chiralt molekyle med to enantiomerer. Citalopram blev i første omgang markedsført som en blanding bestående af 50% af den ene enantiomer og 50% af den anden enantiomer, en racemisk blanding. Senere fandt Lundbeck ud af at det faktisk kun var den ene enantiomer der var ansvarlig for binding til target og dermed den biologiske virkning, nemlig (S)-(+)-citalopram. Lundbeck begyndte i stedet for at sælge denne ene enantiomer i den rene form, og kaldte nu i stedet lægemidlet for escitalopram. Resultatet af ændringen fra en racemisk blanding, hvor halvdelen af indholdet ikke var aktivt til et lægemiddel hvor alt indholdsstof er aktivt, er et lægemiddel der er langt mere potent og der derfor skal en lavere dosis til for at give den ønskede effekt. At have et mere potent stof er et vigtigt aspekt i lægemiddeludvikling, idet det er med til at mindske antallet og størrelsesordenen af uønskede bivirkninger.

     

    Figur 23. Denne figur illustrerer hvordan to tilsyneladende ens strukturer ikke passer ned i den samme form (enzymet). Uanset hvordan man prøver at dreje strukturen til venstre, vil det aldrig kunne komme til at passe ned i formen.

     

    Hvis der på carbonatomet er bundet fire forskellige atomer, kaldes carbonatomet for et stereocenter (markeres med en *), og molekylet er typisk chiralt. Dette betyder, at et spejlbillede af molekylet vil være lige så lidt identisk, som dine to hænder er identiske. Uanset hvor mange gange du vender og drejer dine hænder, vil de aldrig kunne være fuldstændig ens, da de er spejlvendte i forhold til hinanden. Dine hænder er derfor stereoisomerer af hinanden. Det er præcis det samme med chirale molekyler. De vil aldrig være identiske. Man kan bestemme om et molekyle er chiralt, ved at tegne et symmetriplan igennem midten af molekylet. Symmetriplanet tegnes således, at to halvdele af et molekyle, der kan være identisk, kommer på hver sin side af planet. Hvis de to sider er forskellige, er molekylet chiralt, men hvis der ikke kan tegnes et symmetriplan, er molekylet achiralt. Hvis man tegner et symmetriplan hele vejen igennem en ske, vil man se at begge sider er ens. Hvis man tegner et symmetriplan gennem sin hånd, uanset hvilken vej planet vender, vil man aldrig kunne få de to sider til at være ens, og hånden er derfor chiral.

    Figur 24. Tetrahedral struktur af et carbonatom med fire forskellige grupper bundet til.

     

    Alle enzymer og receptorer i kroppen har tilpasset sig efter hvilke isomerer af deres substrater, der fandtes i naturen. Eksempelvis er alle aminosyrer den samme isomer (lige bortset fra glycin, der ikke har noget stereocenter), og alle de enzymer, der skal nedbryde proteiner til aminosyrer, kan kun genkende denne ene isomere form. Det er derfor vigtigt i udviklingen af nye lægemidler at tænke på hvilken stereokemi, der er i molekylet. Man skal være opmærksom på, at hvis det molekyle, man designer, ligner fx en aminosyre, så skal det have den rette stereokemi.

    Hvis det viser sig, at et potentielt lægemiddel ikke har nogen virkning i kroppen, behøver det ikke være fordi, den generelle struktur af lægemidlet er forkert. Det kan blot være, at molekylet ikke passer ind i target, fordi stereokemien ikke stemmer overens med de bindingsområder der er i target.

    Figur 26. Viser de to enantiomere former af lægemidlet cialopram. Stereocentret er angivet med en stjerne.

     

    Figur 25. Figuren viser en hånd og en ske, hvorigennem et spejl er illustreret. Det kan ses at skeen er ens på begge sider af spejlet og hånden ikke er ens på begge sider af spejlet, og derfor er skeen ikke chiral og hånden er chiral. Denne teori kan overføres til kemisk molekyler, som illustreret til højre i figuren for to simple molekyler.

     

    Lægemidlets vej gennem kroppen

    Udover at et lægemiddel skal designes til at binde til target, så er det vigtigt tage højde for, at lægemidlet skal kunne klare en masse udfordringer på dets vej gennem kroppen. Lægemidlet skal modstå mavesyren og fordøjelsesenzymerne, blive optaget over tarmen, modstå metaboliske enzymer i leveren samt undgå at blive ophobet i fedtvæv. Det skal have en tilpas levetid, som ikke er for lang og heller ikke er for kort. Alt dette kaldes i den farmaceutiske industri for ADME, som står for Absorption, Distrubution, Metabolisering og Ekskretion.

    Anatomi

    Når man designer et lægemiddel må man først og fremmest vide noget om, hvilke udfordringer et lægemiddel møder på sin vej gennem kroppen. Når et lægemiddel indtages oralt, kommer det igennem hele fordøjelseskanalen. Fordøjelseskanalen kan inddeles i mund, spiserør, mavesæk og tarm. I munden bliver lægemidlet udsat for de forskellige enzymer, der findes i vores spyt. Der er dog tale om ret små mængder af enzymer sammenlignet med den mængde af enzymer, som lægemidlet bliver udsat for senere.

    Herefter kommer lægemidlet videre til maven. I maven vil lægemidlet blive udsat for den meget sure mavesyre (pH = 1 – 3), der meget hurtigt kan nedbryde lægemidlet. Overlever lægemidlet dette, sendes det videre til tarmene, hvor det bliver udsat for en stor mængde fordøjelsesenzymer. Disse fordøjelsesenzymer nedbryder normalt den mad, vi indtager. Hvis lægemidlet har overlevet disse ”angreb”, er det nu tid til at krydse epitelcellelaget i tarmen for at trænge ind til blodbanen. For at kunne blive optaget i blodbanen, skal lægemidlet have den rette polaritet. Dette inkluderer, at lægemidlet skal være i stand til at kunne krydse cellemembraner, som er hydrofobe, men det skal også kunne befinde sig i blodet, som er hydrofilt.

    Efter at lægemidlet er optaget i blodet, vil det blive transporteret til leveren. I leveren findes en række enzymer, som har til opgave at ændre den kemiske struktur af stoffer, som er fremmede for kroppen. Dette kaldes for metabolisering af stofferne. Når stofferne er ændret, bliver de lettere udskilt med urinen. At lægemidlet passerer leveren, før det når ud til vævet, kaldes for first pass effekt. Hvis lægemidlet nemt bliver metaboliseret, og metaboliseringen sker hurtigt, vil der ikke blive fordelt noget af lægemidlet ud til vævet. Lægemidlet skal derfor have en langsommere metabolisering, så det kan nå at være aktivt.

     

    Absorption

    Når et lægemiddel er indtaget oralt og har været gennem hele fordøjelseskanalen, skal det optages henover tarmen. Dette kaldes for absorption af lægemidlet og der kan i absorptionsfasen opstå en række forskellige problemer.

     

    Syre/base kemi

    Hvis et lægemiddel er ioniseret kan det ikke optages i kroppen gennem tarmen, fordi ioniserede molekyler ikke kandiffundere passivt over en cellemembran. Det er derfor vigtigt at vide, hvornår et molekyle er ioniseret og hvornår det ikke er, og det er her at syre/base kemi bliver vigtigt.

    Der findes flere forskellige definitioner af syrer og baser; fx Brønsted-Lowry– og Lewis-definitionen. Brønsted-Lowry definitionen er den, der bliver brugt mest og er den generelle opfattelse af, hvad syrer og baser er. En Brønsted-Lowry syre er et molekyle, der kan afgive en hydron (ioniseret hydrogen, H+), og en Brønsted-Lowry base er et molekyle, der kan optage en hydron. Et molekyle kan også være begge dele på en gang. Vand er eksempelvis både en syre og en base. Vand kan nemlig afgive en hydron, hvorved det fungerer som en syre:

    H_2O\rightarrow H^+ + OH^-

    Reaktion 1. Vands reaktion som en syre.

    Vand kan også optage en hydron, og fungerer derved som en base:

    H_2O+H^+\rightarrowH_3O^+

    Reaktion 2. Vands reaktion som en base.

    Når en kemisk reaktion forløber, vil der indstille sig en ligevægt. Dette gælder også for vands reaktion med sig selv. Når en ligevægt har indfundet sig, vil det sige, at reaktionen har nået et bestemt punkt, hvor der er lige meget omdannelse fra reaktant til produkt, som der er omdannelse fra produkt til reaktant. Reaktionshastigheden er derfor lige hurtig frem og tilbage, men der er ikke nødvendigvis lige meget produkt og reaktant.

    Som beskrevet ovenfor består vand ikke kun af H2O-molekyler, men også af H+ og OH–. En ligevægt for H2O kan derfor skrives op på følgende måde:

    H_2O\rightleftharpoons H^++OH^-

    Reaktion 3. Ligevægt for H2O

    Ud fra denne ligevægt kan pH beregnes. pH er et udtryk for hvor mange hydroner, der er i blandingen, og dermed hvor sur blandingen er. Helt simpelt tager man den negative logaritme til koncentrationen af hydronerne:

    pH=-\log_{10}(H_3O^+)

    Ligning 1. Formel for udregning af pH

    Hvis vand blandes sammen med eksempelvis en syre, vil der også her indstille sig en ligevægt i blandingen. Denne ligevægt afhænger af, hvor stærk eller svag syren er. Hvis det er en stærk syre, vil ligevægten blive forskudt helt mod højre i reaktionsskemaet vist i figur 38 og al den oprindelige syre er omdannet til den konjugerende base.

    Figur 38. Viser ligevægten af reaktionen mellem en syre og H2O, hvor H2O reagerer som en base. Formlen for den dertil hørende syrestyrke konstant er desuden angivet.

    Styrken af en syre kan bestemmes via syrestyrke-konstanten, Ks. Denne kan beregnes via formlen, der ses i figur 38. Man tager koncentrationen af de produkter, der er på højre side af ligevægtspilene, og dividerer dem med koncentrationen af de reaktanter, der står på venstre side af ligevægtspilene. Vand tages ikke med, da det anses som et opløsningsmiddel, og derfor hverken er en reaktant eller et produkt. Styrken af syren bliver dog for det meste angivet som pKs, hvilket svarer til at tage den negative logaritme til Ks:

    pK_s = -\log_{10}(K_s)

    Ligning 2. Formel til beregning af pKS.

    Når syrestyrken beregnes ud fra ovenstående formel, vil stærke syrer have en lav pKs-værdi, og svage syrer vil have en høj pKs-værdi.

    Den samme konstant findes også for baser. Basestyrken er dog sjældent opgivet, og det er oftest syrestyrken for den korresponderende syre til basen, som man kan slå op. Man kan dog heldigvis let regne sig frem til basestyrken ud fra syrestyrke-konstanten via følgende formel:

    pK_b = 14-pK_s

    Ligning 3. Formel til beregning af pKb

    Som nævnt tidligere er syre/base kemi vigtig for optagelsen af lægemidler i tarmen. Når svage baser opløses i en blanding der har en pH-værdi der er højere end pK>-værdien, er basen uioniseret. Den svage base kan derfor krydse over tarmens celler, idet kun uioniserede molekyler kan diffundere over celler. I de områder i tarmen hvor stoffer bliver optaget i kroppen, er der en pH-værdi på mellem 6 og 9. Et lægemiddel der har en pKS-værdi på omtrent 8, er en svag base. Så hvis lægemidlet har en pKS-værdi på 8, vil lægemidlet højst sandsynligt kunne optages over tarmen. Syrer skal ligesom baser også være uioniserede for at kunne optages i tarmen. Dette er muligt for svage syrer når pH i tarmen er under pKS for lægemidlet. Det gælder derfor om at have et lægemiddel med en pKS-værdi på mellem 6 og 8. Der findes i dag en del lægemidler på markedet, der indeholder aminer. Dette er der to gode grunde til. For det første binder aminer godt til mange targets, men vigtigst er, at aminerne er gode til at blive optaget i kroppen, idet de har en pKS-værdi, der svinger mellem 6 og 8.

     

    Partitionskoefficienten P

    Nogle lægemidler er så hydrofobe at de vil blive fanget i cellemembraner og ophobe sig i fedtvæv. Andre lægemidler er så hydrofile at de ikke vil være i stand til at krydse cellemembraner og derfor ikke vil kunne blive optaget oralt. En måde at vurdere, hvor hydrofobt eller hydrofilt et lægemiddel er, dvs. hvor opløseligt lægemidlet er i enten fedt eller vand er ud fra partitionskoefficienten P. Partitionskoefficienten bestemmes ved at komme sit molekyle ned i en blanding af 50 % octanol og 50% vand. I et sådant system vil hydrofobe molekyler befinde sig i octanollaget, mens de molekyler, der ikke er hydrofobe, men derimod er hydrofile, vil befinde sig i vandlaget:

    P=\frac{[Molekyle]_{octanol}}{[Molekyle]_{vand}}

    Ligning 4. Formel til beregning af partitionskoefficienten P. Firkantede parenteser bruges til at angive koncentrationer i de to faser, octanol og vand. 

    Som ved de fleste andre fordelingskoefficienter, angiver man ofte P som logP værdien. Hydrofobe molekyler vil have en høj logP-værdi, og hydrofile molekyler vil have en lav logP-værdi.

    Man kan også få et computerprogram til at beregne en estimeret værdi, kaldet ClogP (calculated logP). Ligesom enkelte funktionelle grupper, såsom aminer, kan være på en ioniseret og uioniseret form, kan hele lægemidlet inklusiv dets funktionelle grupper også være delvist ioniseret eller uioniseret. LogP-værdien angiver kun hydrofobiciteten af de uioniserede molekyler. Hvis man ønsker at måle på de ioniserede molekyler, skal man i stedet anvende logD. I dette projekt er det dog kun logP vi skal bruge.

     

    Lipinskis regel af 5

    For at kunne vurdere om et lægemiddel er muligt at optage oralt, og kunne absorberes over tarmepitelcellelaget, og dermed give lægemidlet en god biotilgængelighed, er en vigtig tommelfinger-regel blevet udviklet. Denne tommelfinger-regel kaldes for Lipinski’s regel af 5, fordi alle punkterne går op i 5.

    Lægemidlet skal:

    • Have en molekylvægt under 500 Da
    • Ikke have flere end 5 hydrogenbindingsdonorer (HBD)
    • Ikke have flere end 10 hydrogenbindingsacceptorer (HBA)
    • Have en logP under +5

    Det skal nævnes, at selvom der er to ledige elektronpar på det samme atom, som eksempelvis på et dobbeltbundet oxygenatom, så tælles disse ledige elektronpar kun som én HBA ifølge Lipinski’s regel.

    Hvis et molekyle har logP > 5, vil molekylet være for hydrofobt til at kunne opløses i vand. Molekylet er derfor heller ikke opløseligt i blodet, hvilket medfører at molekylet bliver tilbageholdt i cellemembranerne. Hvis logP til gengæld er meget lav for et molekyle <1, vil molekylet være for hydrofilt til at kunne krydse cellemembraner. Molekylet vil derfor ikke blive optaget i kroppen, og det bliver udskilt af kroppen uden at have udført sin virkning.

    Lægemidler som har mange grupper, der virker som HBA eller HBD, er gode til at lave hydrogenbindinger med vand. For at et molekyle kan krydse en cellemembran, skal det ikke være bundet til vand og derfor skal der brydes en masse hydrogenbindinger mellem vand og molekylet. At bryde disse hydrogenbindinger mellem molekylet og vand kræver energi, og derfor skal antallet af HBA og HBD i lægemidlet være lavt for at mindst mulig energi skal bruges i transporten af molekylet over cellemembranen.

    Det er ikke et krav, at et godt lægemiddel opfylder alle Lipinski’s regler. Reglerne er blevet udviklet ved at sammenligne de lægemidler, der findes på markedet for at finde nogle ligheder mellem dem. Der findes derfor også lægemidler, der falder udenfor Lipinski’s regler. Eksempelvis har ciclosporin, der er et lægemiddel, som sænker immunforsvarets aktivitet, en molekylvægt på 1203 Da, hvilket ligger langt over de 500 Da, som Lipinski’s regel angiver. Molekylet har desuden ekstremt mange hydrogenbindingsacceptorer (HBA).

    Figur 39. Viser lægemidlet ciclosporin, hvor HBA er vist med rød og HBD med blå.

    At et lægemiddel har en høj molekylvægt, er ikke ensbetydende med, at det har en lav oral biotilgængelighed. Jo større et molekyle er, desto flere funktionelle grupper vil der dog også være, som muligvis kan lave hydrogenbindinger, hvilket netop er tilfældet med ciclosporin. Derfor vil en høj molekylvægt oftest medføre lav oral biotilgængelighed.

    Distribution

    Efter at lægemidlet er blevet optaget i kroppen, skal det fordeles rundt i kroppen og specielt skal det transporteres ud til det område, hvor lægemidlet skal have sin virkning. Først og fremmest bliver lægemidlet fordelt rundt i kroppens blodbaner (efter først at have været en tur i leveren, se under metabolisme afsnit). Fra blodet vil lægemidlet blive optaget af forskellige celler i kroppen. Det kan have forskellige konsekvenser for distributionen af et lægemiddel, alt efter hvilken kemisk struktur molekylet har. Hvis lægemidlet eksempelvis binder godt til de røde blodlegemer i blodet, vil det ikke blive optaget i kroppens væv, hvilket var hensigten.

    For at være sikker på, at et lægemiddel bliver ordentligt distribueret, gælder det om at afbalancere hvor hydrofobt lægemidlet er i forhold til, hvor hydrofilt det er. En for høj hydrofobicitet kan have uønskede bivirkninger, da lægemidlet kan ophobe sig i fedtvæv. Fx skal overvægtige patienter, der skal opereres, have en større mængde af nogle bedøvelsesmidler end normalvægtige personer, fordi bedøvelsesmidlet ophober sig i de overvægtige patienters fedtvæv. Når operationen er ovre, og patienten vågner, vil der stadig være en del bedøvelsesmiddel tilbage i fedtvævet. Bedøvelsesmidlet bliver frigivet fra fedtvævet, og kan resultere i, at patienten igen bliver bevidstløs, hvilket er en meget uheldig bivirkning.

    Metabolisme

    Efter oral indtagelse af et lægemiddel og herefter optagelse i blodbanen, er leveren det første sted, hvortil et lægemiddel bliver ledt hen (first pass effekt). Dette skyldes, at der fra tarmene er en blodåre, der fører direkte til leveren. Denne blodåre kaldes for den portale vene. Et lægemiddel, der indtages oralt, bliver derfor ført til den portale cirkulation, som er blodtransport fra tarmene og direkte til leveren. Hvis man i stedet giver lægemidlet ved i.v. indsprøjtning, vil det komme ind i den systemiske cirkulation. I dette tilfælde vil lægemidlet cirkulere en gang igennem blodbanerne i hele kroppen inden det når til leveren. Der vil ved i.v. indsprøjtning være en stor procentdel af den givne dosis af et lægemiddel, der vil nå sit target, inden det bliver ført til leveren og nedbrudt. Ved indtagelse af lægemidlet oralt er der til gengæld en stor procentdel af lægemidlet, der ikke vil nå sit target førend der er blevet nedbrudt i leveren.

    Som nævnt findes der i leveren en række enzymer. Disse enzymer har til opgave at ændre strukturen af lægemidlet, så lægemidlet bliver udskilt fra kroppen. Lægemidler, der er meget polære, vil med det samme blive udskilt fra blodet gennem nyrerne og føres ud i urinen. Upolære molekyler er derimod vanskeligere for kroppen at udskille gennem nyrerne, men via metabolske processer, kan molekylet gøres mere polært, så det kan blive udskilt. Et metaboliseret molekyle kaldes for en metabolit. Når et lægemiddel bliver metaboliseret, vil det ofte miste sin oprindelige effekt. I nogle tilfælde kan metabolitten dog stadig have en smule aktivitet tilbage. Desuden kan ændringen i molekylet føre til dannelsen af toksiske biprodukter, som kan forårsage uønskede bivirkninger. Det er derfor vigtigt at have kendskab til, hvilke metabolitter der kan dannes for at mindske toksiske bivirkninger.

    Ethvert nyt lægemiddel skal have gennemgået en metabolittest in vivo, så det kan bestemmes, hvilke metabolitter der dannes, når lægemidlet optages i et komplekst system. Det er dog ikke sikkert, at de metabolitter der dannes i forsøgsdyr er de samme, som vil blive dannet i mennesker. Man kan derfor aldrig være 100 % sikker på, hvilke metabolitter der dannes i mennesker, før en metabolittest i mennesker er udført.

    I artiklen ”Organisk kemi og lægemidler” er det blevet beskrevet, hvordan typen af isomer af et lægemiddel er vigtig i forhold til, hvordan molekylet påvirker sit target. Det er dog ikke kun i forhold til påvirkning af target, at typen af isomeren er vigtig. Også i nedbrydningen eller ændringen af lægemidlet er stereokemien vigtig. De enzymer, der metaboliserer lægemidlet, genkender også kun én bestemt isomer. Hvis et lægemiddel består af to forskellige isomerer af det samme stof, vil der muligvis også blive dannet to forskellige metabolitter katalyseret af to forskellige enzymer. Den ene isomer kan være relativ harmløs, mens den anden kan være særdeles toksisk. Derfor skal begge isomerer testes in vitro hver for sig for at bestemme, hvilke metabolitter der dannes ud fra dem. Der vil være mere arbejde i, at bestemme hvilke metabolitter der dannes in vitro, og hvilke toksiske bivirkninger der kan være fra den anden isomer og det er derfor bedst kun at have en enkelt isomer i sit lægemiddel. Det er derfor er vigtigt at designe en fremgangsmåde til fremstillingen af lægemidlet, hvor der kun dannes den ene isomer (stereospecifik syntese).

    Der findes to forskellige former for metabolisme, fase I og fase II metabolisme, som kan forløbe i leveren. Fase I metabolisme er oxidationsreaktioner, der bliver katalyseret af cytochrom P450 enzymer (CYP). CYP enzymer har til opgave at gøre det pågældende molekyle mere polært. Fase II metabolisme er konjugationsreaktioner, hvor der til en polær gruppe på molekylet bliver bundet et ekstra molekyle, således at hele molekylet bliver mere polært, end det i forvejen var. Begge typer metabolisme vil medvirke til, at stoffet bliver endnu hurtigere udskilt fra kroppen.

    Fase I
    CYP enzymer er hæmproteiner, hvilket vil sige, at de indeholder en hæmgruppe samt jern. De tilhører gruppen af monooxygenaser og splitter O2 der er tilstede i leveren, således at det ene oxygenatom overføres til lægemidlet, som derved bliver oxideret, mens det andet oxygenatom bindes til to hydrogenatomer og danner vand. For at lægemidlet kan blive oxideret, er der stoffer der nødvendigvis må blive reduceret. Derfor kræver CYP enzymerne tilstedeværelse af coenzymet NADPH. Når lægemidlet bliver oxideret, bliver NADPH reduceret til NADP.

    Figur 40. Viser et lægemiddel der bliver oxideret af cytochrom P450, samtidig med at NADPH bliver reduceret til NADP.

    Der findes mindst 33 forskellige CYP enzymer, som kan inddeles i forskellige undergrupper, der hver især varetager en bestemt reaktion. Det første trin i de fleste fase I metaboliseringsreaktioner er tilførslen af en alkohol gruppe. Denne kan indføres på forskellige positioner i et lægemiddel-molekyle, som illustreret i figur 43. Alt efter hvor alkoholgruppen bliver tilført, bliver OH-gruppen ofte oxideret. Denne oxidation kan enten være til en keton eller en aldehyd. Hvis OH-gruppen er blevet omdannet til en aldehyd, vil aldehyden blive oxideret videre til en carboxylsyre. En af de funktionelle grupper, man skal være særligt opmærksom på, er methyl grupper (CH3), da disse meget nemt oxideres til carboxylsyrer via sekundære alkoholer. Det kan ses på figur 6, at nitrogenholdige funktionelle grupper også bliver oxideret.

    Figur 41. Viser et udvalg af forskellige funktionelle grupper der bliver oxideret af CYP enzymer i fase I metabolisme og hvad de forskellige grupper oxideres til.

    Fase II
    De fleste enzymer, der står for fase II metabolisme, tilhører enzym-gruppen transferaser. Transferaser er enzymer, der overfører en funktionel gruppe fra ét molekyle til et andet. Der konjugeres en funktionel gruppe til lægemidlet, og fase II metabolisme kaldes derfor for konjugationsreaktioner. De funktionelle grupper, der overføres, kan være mange forskellige. Et eksempel på en funktionel gruppe der kan overføres i en fase II metabolisering, er dannelsen af O-glucuronider, ud fra funktionelle grupper indeholdende OH-grupper. Ofte sker en fase II metabolisering efter en fase I metabolisering, således at der i fase I dannes en OH-gruppe, hvorpå der i fase II påsættes en funktionel gruppe.

    Figur 42. Viser dannelsen af en O-glucoronid ud fra et lægemiddel indeholdende en OH-gruppe, som er blevet påsat i en fase I metabolisering.

    Det kan ud fra figur 44 ses, at der ved dannelsen af et O-glucoronid bindes en stor gruppe til lægemidlet, og bindingen af denne gruppe gør lægemidlet meget mere polært.

    Hvis lægemidlet indeholder en carboxylsyre, eller hvis en carboxylsyre er blevet dannet under fase I metabolisering, vil der kunne konjugeres en aminosyre fast til lægemidlet. I mennesker er det ofte glutamin, der påsættes.

    Figur 43. Viser hvordan aminosyrer (i dette eksempel glutamin) bliver påsat via tre trin i en fase II metabolisering.

    Der findes også en række andre former for metabolisme af lægemidlet, som ikke foregår i leveren. Der er bl.a. en række oxidative enzymer (ligesom CYP enzymerne) fordelt rundt i kroppens væv, som også indgår i fase I metabolisme af forskellige lægemidler. Desuden foregår der i blodet ikke-enzymatisk, men derimod kemisk nedbrydning af forskellige funktionelle grupper. En af de mest fremtrædende kemiske nedbrydninger er omdannelsen af estre til carboxylsyrer og alkoholer. Denne funktion er meget benyttet ift. nedbrydningen af prodrugs til det aktive lægemiddel, som er beskrevet i artiklen ”Optimering af lægemidlet”. Det kan derfor være svært, at opnå en lang levetid i kroppen for et lægemiddel, der indeholder en ester-gruppe, da det hurtigt nedbrydes i blodet.

    Ekskretion

    De fleste lægemidler vil blive udskilt via nyrerne igennem urinen. Op til 15% af mængden af et lægemiddel kan dog udskilles via sved. Nogle lægemidler kan desuden udskilles via lungerne, hvis stoffet er en gasart.

    Forklaringen på, hvorfor polære stoffer bliver udskilt bedre end upolære stoffer i urinen, ligger i måden, hvorpå nyrerne virker:

    Det blod, der kommer fra leveren, bliver samlet i nyrerne. Her bliver det filtreret, så blodlegemer og blodplader ikke bliver udskilt, mens alle ”affaldsstofferne” bliver skilt fra. Det er dog kun en filtrering, så både polære og upolære stoffer kan passere ind i nyrerne, og derved blive tilbageholdt i kroppen. Herefter bliver urinen opkoncentreret, fordi der findes nogle små porer, aquaporiner, i nyrerne, der kan genoptage vandet fra urinen tilbage til kroppen. Udover at vand optages af aquaporiner, bliver en del stoffer genoptaget gennem cellerne i nyrerne. Fordi stofferne genoptages gennem cellernes membraner, skal de være ret upolære/hydrofobe for at kunne trænge igennem. De polære stoffer kan derfor ikke komme igennem, og de vil blive udskilt hurtigt. De upolære stoffer vil blive genoptaget, og de kan cirkulere rundt i kroppen endnu en gang.

    Optagelsesformer

    Et lægemiddel kan indtages på flere forskellige måder. De vigtigste indtagelsesformer er oralt, ved injektion, inhalering eller gennem tarmen og huden. Oral indtagelse i pilleform er langt den mest anvendte indtagelsesform, idet det er den letteste måde for patienten at indtage sin medicin på. Der er større chance for, at patienten gennemfører sit behandlingsforløb sammenlignet med et forløb, hvor patienten eksempelvis flere gange om dagen skal have sprøjtet lægemidlet ind under huden.

    Hvis patienten lider af en alvorlig sygdom, og en oral optagelsesform ikke er mulig, er man nødt til at finde en anden måde, hvorpå lægemidlet kan administreres. Nogle patienter har problemer med at sluge piller, enten fordi de ikke er ved bevidsthed eller kaster meget op, og andre optagelsesformer end den orale er derfor at foretrække. Desuden er der mange børn, der har problemer med at sluge piller, og derfor er optagelse gennem tarmen, via en stikpille, meget benyttet til børn.

     

    Ved injektion sprøjtes lægemidlet ind i kroppen, og der er derfor et meget hurtigere respons på lægemidlet end ved oral indtagelse. Denne indtagelsesform kan derfor være smart ved akut behandling af sygdomme. Injektioner kan ske ved at sprøjte ind i venerne, i musklerne, ind under huden eller direkte ind i rygsøjlen, alt efter hvor lægemidlet skal virke, og hvor hurtigt det skal virke. Det hurtigste respons kommer ved intravenøs indsprøjtning (i.v.) eller injektion i rygsøjlen. Injektioner i rygsøjlen bruges fx ved kejsersnit, hvor bedøvelse sprøjtes ind i rygmarven på den fødende kvinde. For at få en længere optagelsestid end ved i.v. indsprøjtning og en kortere optagelsestid end ved oral indtagelse, kan lægemidlet sprøjtes ind under huden eller i musklerne. For at stoffets virkning indtræffer, skal stoffet først diffundere over forskellige cellemembraner for at komme til blodbanen.

    Indtagelse af lægemidler kan også ske ved inhalation og er hovedsageligt brugt ved astma. Hos astmapatienter skal lægemidlet have sin virkning lokalt i lungerne, og lægemidlet bliver derfor doseret direkte til lungerne.

    Til sidst kan nævnes optagelse af lægemidlet gennem huden. Den mest kendte form er nikotinplastre, som bruges i forbindelse med rygestop, men også forskellige cremer med bl.a. bedøvelse eller stoffer mod eksem optages gennem huden. Optagelse gennem huden er en optagelsesform, hvor stoffet skal diffundere over alle hudlagene, og virkningen af stoffet vil derfor indtræffelangsomt, samt vare i lang tid.

    Figur 44. Figuren viser de forskellige ruter et lægemiddel kan administreres.

     

    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 45, 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 45. 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 46. 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 45, 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.

     

    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.

    Længden af kulbrinten, som vist i figur 49, 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 47. Illustration af hvordan et lægemiddels kulbrinte kan forlænges eller forkortes for at få den optimale binding til target.

     

    Figur 48. Viser hvordan en funktionel gruppe siddende på en aromatisk ring kan flyttes, således at gruppen binder til det rigtige område i target.

     

    Figur 49. 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.

    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.

    Figur 50. Der kan også laves udvidelser af ringsystemer så ringsystemet binder til de rigtige områder i target.

     

    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 51. 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.

    I figur 52 er der vist forskellige eksempler på bioisosterer for amider.

    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.

    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.

    Figur 51. Lægemidlet Sultaprid og dets bioisoster.

     

     

    Figur 52. Viser forskellige bioisosterer for en amid.

    Figur 53. Bioisoster for ester

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

    Figur 55. Topliss skema for aromatiske substituenter. L = Lavere aktivitet, S = Samme aktivitet, H = Højere aktivitet.

    Figur 56. Topliss skema for alifatiske substituenter. L = Lavere aktivitet, S = Samme aktivitet, H = Højere aktivitet.

    Figur 57. 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.

     

    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 55, mens det andet skema hører til kulbrinte-sidekæder og er vist i figur 56.

     

    Figur 58. Self-destruct lægemidlet atracurium går i stykker, når det kommer ind i blodbanen grundet blodets pH-værdi.

    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.

    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.

    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.

    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 59. Det smertestillende lægemiddel Aspirin®.

    Figur 60. Herpesvirus lægemidlet valaciclovir er et prodrug der omdannes til det aktive stof aciclovir og aminosyren valin.