Projektowanie substancji leczniczych

Do lecznictwa wciąż są wprowadzane nowe substancje lecznicze spełniające wymogi nowoczesnej farmakoterapii. Zanim jednak w ogóle powstaną, muszą zostać zaprojektowane. Dysponujemy wieloma narzędziami, w artykule przedstawiam kilka z nich.

Pod koniec ubiegłego roku na łamach „Managera Apteki”* toczyła się dyskusja na temat kształcenia farmaceutów. Wypowiedzi tak się ułożyły, że przeciwstawiono korzyści płynące z kształcenia zawodowego (aptecznego) i uniwersyteckiego (nauki podstawowe), z pomniejszeniem zalet tego drugiego. Tylko jeden rozmówca pozytywnie wypowiedział się na temat konieczności nauczania przedmiotów chemicznych. A przecież substancje lecznicze są związkami chemicznymi – molekułami, których struktura decyduje o właściwościach. Nie można też zapominać, że wszystkie je otrzymano w wydajnych procedurach chemicznych (synteza, izolowanie, oczyszczanie, analiza struktury).

Chemia kombinatoryczna
Aby związek chemiczny mógł zostać lekiem, musi zostać poddany żmudnej i kosztownej procedurze dopuszczającej do obrotu. Zanim jednak w ogóle powstanie, musi zostać wymyślony, czyli zaprojektowany. Dysponujemy wieloma narzędziami. Jednym z nich jest chemia kombinatoryczna. Technologia ta rozwinęła się w oparciu o syntezę peptydów na fazie stałej, nazwaną syntezą Merrifielda od nazwiska laureata Nagrody Nobla, uhonorowanego za opracowanie tej metody. Obecnie obejmuje syntezę nie tylko peptydów i fragmentów DNA, ale również związków małocząsteczkowych organicznych i nieorganicznych.

Jak można wykorzystać metody chemii kombinatorycznej? Poszukujemy substancji o zaplanowanych właściwościach: leku o lepszym profilu farmakologicznym, wydajniejszego katalizatora albo wskaźnika zmieniającego barwę przy określonej wartości pH. Wybieramy związek, którego strukturę chcemy modyfikować. W decyzji pomaga nam wiedza zdobyta na uczelni, dostępna literatura oraz różne bazy danych. Następnie opracowujemy schemat klasycznej syntezy organicznej prowadzącej do otrzymania konkretnej substancji. I dopiero teraz uruchamiamy procedury chemii kombinatorycznej. Zoptymalizowany schemat syntezy powielamy wielokrotnie w jednoczesnej syntezie dziesiątek, setek lub tysięcy związków. Zautomatyzowana synteza prowadzona jest w mikroskali z wykorzystaniem robotów i specjalnych technik. Powstające związki są przymocowane do ziarenek polimerowych i/lub umieszczane w odpowiednich pojemnikach. Naczynka te mogą być oznakowane w sposób umożliwiający ich rozróżnienie, a tym samym identyfikację związków w nich zebranych, poprzez śledzenie kolejnych procedur, jakim poddawane są poszczególne pojemniki. Analiza pożądanej właściwości związków również jest zautomatyzowana i odbywa się wspólnie dla określonych zbiorów molekuł. Otrzymujemy zestaw związków i danych o nich określany mianem biblioteki. Do dalszego etapu badań wybieramy tylko naczynka z najbardziej aktywnymi związkami. Informację o pozostałych naczynkach wprowadzamy do komputerowej bazy danych. Niektórzy badacze uważają to podejście za mało intelektualną metodę prób i błędów, dodatkowo obarczoną niedostatecznie zdefiniowanym wynikiem analizy aktywności biologicznej. No cóż? Natura posługuje się nią od zarania dziejów, a analiza właściwości substancji w mieszanie jest znana farmaceutom od bardzo dawna.

Modelowanie molekularne
Drugim narzędziem stosowanym w projektowaniu substancji leczniczych jest modelowanie molekularne. Stosując metody chemii kwantowej lub mechaniki molekularnej do opisu molekuł i ich wzajemnych oddziaływań, możemy przewidywać właściwości fizykochemiczne substancji i powiązać je ze zmierzoną eksperymentalnie aktywnością biologiczną. W ten sposób tworzymy wzorce aktywności w postaci równań matematycznych lub map przestrzennych.

Zależności te pozwalają na zaproponowanie nowych substancji, które powinny mieć lepsze właściwości niż te, na podstawie których skonstruowaliśmy modele. Cały proces projektowania odbywa się w komputerze i dlatego nazywa się je badaniami in silico. Arbitralnie podzielę je na dwie grupy: pierwszą, bazującą na podobieństwie molekuł wywołujących ten sam efekt terapeutyczny, i drugą, opartą na znajomości budowy docelowej makromolekuły (enzymu, DNA, receptora), kluczowej dla przejawianej aktywności biologicznej. Wiele firm opracowało pakiety programowe służące do badań biomedycznych – zachęcam do odwiedzenia strony internetowej Interdyscyplinarnego Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego UW (ICM): http://www.icm.edu.pl/kdm/oprogramowanie.

Jeżeli chcemy wykorzystać podobieństwo molekuł, musimy zdefiniować zasady porównywania elementów struktury oraz określić punkty farmakoforowe, czyli główne cechy substancji leczniczej odpowiedzialne za jej aktywność. Jeżeli chcemy analizować oddziaływanie substancji leczniczej z makromolekułą, to musimy rozważyć różne konformacje obu składników wchodzących w interakcje oraz wyznaczyć energię towarzyszącą temu procesowi. Na dołączonej ilustracji pokazałam model kompleksu pochodnej 1-alkilo-4-arylopiperazyny i receptora 5-HT1A analizowany podczas projektowania anksjolityków w prowadzonej przeze mnie Katedrze i Zakładzie Chemii Organicznej. Strzałką wskazano pozycję projektowanego związku w miejscu aktywnym receptora.

Droga do wynalazku
We wszystkich metodach obliczeniowych musimy przyjąć niezbędne wstępne założenia: potencjalna substancja lecznicza dociera do miejsca działania w niezmienionej postaci, a jej transport odbywa się bez przeszkód. Możemy oczywiście zmodyfikować naszą analizę, uwzględniając przemiany metaboliczne, wpływ temperatury i rozpuszczalników.

Zaprojektowana substancja jest na razie molekułą wirtualną. Stąd końcowym etapem procesu projektowania jest synteza związku i sprawdzenie jego rzeczywistej aktywności biologicznej. Niestety, w tym kluczowym momencie czasami napotykamy barierę – nie możemy znaleźć efektywnej procedury syntetycznej i molekuła pozostaje wirtualną.

Mimo różnych trudności, do lecznictwa wciąż są wprowadzane nowe substancje lecznicze, spełniające wymogi nowoczesnej farmakoterapii. Nie zawsze mamy pełne informacje o drodze prowadzącej do wynalazku. Dlatego z zadowoleniem należy witać zwiększającą się liczbę uczestników poszukiwań nowych substancji leczniczych: chemików, fizyków, informatyków i spektroskopistów oraz nowe metody przez nich stosowane.

*Artykuł Anny Piecuch Czy system kształcenia wymaga zmian, „Manager Apteki” nr 9/07 z listopada 2007 roku.