Лекция 5

2.4. Структурные мотивы известных ЛП. Привилегированные структуры.

Химическое и пространственное строение вещества определяет наличие у него биоактивности. Её вид, уровень (эффективность действия), побочные эффекты, фармакокинетические и фармакодинамические свойства могут в значительной степени зависеть от разнообразных структурных факторов (мотивов). Анализ накопленных к настоящему времени данных о результатах экспериментального биоскрининга огромного массива веществ, их применении в медицине и детальных данных об их строении позволил выделить ряд структурных мотивов (лекарствоподобных структур), наиболее часто встречающихся в известных ЛВ алифатического, алициклического, ароматического и гетероциклического рядов.

В алифатической группе ЛВ часто используются следующие структурные мотивы:

1) алкильные: н - и изопропильный, н - и изобутильный, трет -бутильный;

2) алкиламинные: моно- и диэтиламинный, диметиламинный, моноэтаноламинный;

3) амидные: ацетиламидный, карбамоилметильный;

4) кетонный: этилкарбонилметильный;

5) кислотный: гидроксикарбонилметильный;

6) эфирный: этилоксидный;

7) сложноэфирные: О-ацетильный, метил- и этилкарбоксилатный, нитратный.

Кроме того в подобных ЛВ могут присутствовать в качестве заместителей атомы галогенов, НО-группы, нитрильные и С=С-группы, трифторметильные группы и др.

В группе ЛВ циклоалифатического ряда базовыми структурными мотивами являются:
1) циклопентанилиден;
2) циклогексильный и адамантильный;
3) пергидроциклопентенофенантрен и его дидегидро- тетрадегидропроизводные.

В качестве заместителей часто присутствуют бром, метильные и метиленовые группы, гидрокси- и оксогруппы, гидроксиметилкарбонильные группы.

В группу ароматических привилегированных структурных мотивов входят:

1) фенильный, дифенильный и нафтильный;

2) дифенилметильный, дифенилоксидный и дифениламинный;

3) 1, 1-дифенилэтенильный и 1, 2-дифенилэтановый.

В качестве активных заместителей могут выступать атомы галогенов, алкильные и трифторметильные группы, амино-, аминоалкильные и амидные группы, ацетильные, гидроксиметильные, гидроксильные, карбоксильные, эфирные и сложноэфирные группы, сульфамоильные группы.

В качестве гетероциклических привилегированных структур- мотивов наиболее часто в ЛВ имеются скелеты:

1) азиридиновые и азетидиновые;

2) фурановый;

3) пирролидиновый и индольный;

4) имидазольный;

5) пиридиновый, 4- фенилдигидропиридиновый и 4-фенилпиперидиновый;

6) бензопирановый, хинолиновый и изохинолиновый;

7) морфолиновый, 2, 4-диоксо- и 2, 4, 6-триоксопиримидиновые, пиримидиновый;

8) бензо- и дибензотиазиновые;

9) пуриновый и птеридиновый;

10) дибензо[b, f]азепиновый и бензо[f]-1, 4-диазепиновый;

11) морфиновый, морфинановый и бензоморфановый.

В качестве заместителей в гетероциклических ЛВ встречаются все заместители, указанные выше для предыдущих групп ЛВ. Отметим, что половина из всех действующих ЛВ составлена из немногим более 30 лекарствоподобных структур (или скаффолдов), в которых имеются в среднем по четыре заместителя.

2.5. Изостеры и биоизостеры в конструировании новых ЛП. Пример пиретроидных инсектицидов

При дизайне новых ЛВ широко применяют принцип сходства-разнообразия. Причём следует учитывать, что в одних случаях замена данного структурного мотива на другой может привести к резкому изменению целевого вида биоактивности или даже к полному его исчезновению. В других случаях подобная замена, несмотря на более или менее значительное изменение самой структуры лиганда, совсем или почти не отражается на целевом виде биоактивности, но при этом улучшаются фармакокинетические свойства нового вещества или снижается его токсичность. В таком случае исследователь имеет дело с явлением биоизостерии (биоизостеризма), т.е., когда лидерное вещество (один биоизостер) и его модифицированное производное (другой изостер, который получен, например, трансформацией колец в лидере) обладают аналогичным полезным биологическим действием. Типичным примером биоизостеризма служит постепенная химическая модификация природного инсектицида пиретрина I (1), которая привела к формированию целого с емейства пиретроидных инсектицидов. Эта группа инсектицидов сформировалась на основе упрощения структуры-лидера и введения разнообразных, как оказалось биоизостерных, групп.Систематический подход в постепенном изменении его структуры позволил получить несколько поколений синтетических пиретроидных инсектицидов. Первое поколение появилось после замены в спиртовой компоненте природного пиретрина I пентадиенильного фрагмента сначала на химически более устойчивый пропенильный (аллетрин, 2). Позднее была осуществлена более принципиальная «хирургическая» операция: вместо вырезанной циклопентеноновой части молекулы инсектицида провели химическую имплантацию 2-бензилфурилметильного блока (ресметрин, 3), а затем и его заменили на фенилоксбензильную группировку (фенотрин, 4). В результате появилось второе поколение синтетических пиретроидов с повышенной фотоустойчивостью. Следующим успешным этапом на пути химической модификации оказалось варьирование заместителей в циклопропильном кольце, наряду с введением цианогруппы в спиртовую компоненту. Это привело к появлению препаратов третьего (соединения 5) и четвертого (соединения 6 и 7) поколения.

Появление следующего поколения инсектицидов, имеющих большую активность, более широкий спектр действия и повышенную устойчивость, также обязано аналоговому синтезу. Новизна их строения связана, во-первых, с раскрытием циклопропанового кольца (флуцитринат, 8), во-вторых, с переходом от сложных эфиров к простым (препараты 9). Затем упразднили диалкилоксидный спейсер, связывающий две арильные группировки, заменив его на алкен (вещество 10), и, наконец, ввели атом кремния в диарилалкильную цепочку (силафлуофен 11). Последние новые группы высокоэффективных пестицидов (8-11) имеют лишь отдаленное структурное сходство (соединения 8, 9) или не имеют его вовсе (соединения 10, 11) со своим природным родоначальником (1). Тем не менее, все инсектициды (1-11) обладают близким механизмом физиологического контактного действия на насекомых, которое проявляется в блокировании передачи нервных импульсов. На этом примере синтезов пиретроидов принципы биоизостеризма и структурного сходства-разнообразия получил блестящее воплощение.В настоящее время в промышленности получают около сорока синтетических пиретроидов и внимание исследователей и технологов сосредоточено в основном на разработку более эффективных технологий производства пиретроидов, выделения наиболее активных энантиомеров и диастереомеров и разработку новых препаративных форм, удобных и безопасных для применения в агрохимическом производстве, в промышленных отраслях и в быту.

Ниже представлены некоторые биоизостерные группы (знак равенства = означает возможность биоизостерической замены групп в данном ряду примеров).

1) одновалентные атомы и группы:

заместители моновалентности: -H = -F = -Cl = -Br = -OH = -SH = -NH₂ = -Me = -OMe;

заместители вместо галогенов: -Hal = -CF₃ = -CN = -CH₂Hal; -Br = i-Pr; I = t-Bu;

заместители вместо -OH: -OH = -CH₂OH = -CH(CN)₂ = -NHCOR = -NHS(O)₂R = -NHC(O)NHR;

заместители вместо -COOH: = -CONH₂ = -CONHS(O)₂R = -SO₃H = -SO₂NHR = -PO₃H₂ =

= -PO₃HMe = -C₆H₂(3, 5-F₂-4-OH) = 4-гидрокси-2-тиа-1, 3-диазол-5-ил = тетразол-5-ил;

2) бивалентные атомы и группы: -CH₂ - = -O- = -S- = -NH- = -(CO)CH₂ –X- (X= -, O, S, NH);

заместители вместо карбонильной группы –C(O)-: S(O)- = -CONH₂ = -S(O)₂N(R)- = -S(O)₂- =

= -C=NOH;

заместители вместо амидной группы –C(O)NHR-: –C(O)O- = -S(O₂)NH- = -OC(O)NH- = -C(O)CH₂ - = -NH(CO)NH- = 2- или 4-аминозамещённый 1- метилпиридиний;

заместители вместо тиомочевины -NH(C=S)NH-: -NH(C=N-CN)NH- = -NH(C=N-NO₂)NH-:

заместители вместо сложноэфирной группы –C(O)O-: –S(OOH)N(R)- = -C(R)=NO- = 1, 2-оксазол-3, 5-диил, 1, 3-оксазол-2, 5-диил, 1, 3, 4-оксадиазол-2, 5-диил;

3) тривалентные атомы и группы: =C(H)- = =N- = =P- =As-;

4) тетравалентные атомы: =C= = =Si= =N⁺= = =P⁺=;

5) вместо ГАМК: H₂N(CH₂)₃COOH = бета-циклогесилиденГАМК = пирацетам = 1, 2, 3, 6-тетрагидропиридин-4-карбоновая кислота;

6) вместо пептидных групп: -NH-CH₂C(O)NHCH₂C(O)- = -NH-CH₂C(S)NHCH₂C(O)- =

-NH-CH₂C(O)NHC(R)₂C(O)- = -NH-CH₂C(O)NHN(R)C(O)- =

-NH-CH₂C(O)OCH₂C(O)- = -NH-CH₂CH=CHCH₂C(O)-;

7) вместо спейсера –(CH2)3: 1, 4-фенилиден;

8) эквиваленты кольцевых радикалов:

вместо циклопентильного: -СН₂-;

вместо тетрагидрофурильного: -O- = -СН₂-;

вместо пирролидинильного: -NH- = -СН₂-;

вместо тиофенильного: -S-;

вместо фенильного: -CH=CH- = -CH= = -NH= = пиридил;

вместо пиридильного: CH=CH- = -CH= = -NH= = фенил;

9) эквиваленты кольцевых и конденсированных ядер:

вместо бензольного ядра: пиридильное, пиримидиновое, тиофеновое, пиррольное, фурановое, изотиазольное, изоксазольное, пиразольное;

вместо пиридинового ядра: нитрофенильное, тиофеновое, пиррольное, фурановое, пиридиниевое, R₃N⁺C₆H₄;

вместо фенола: фторбензол, индол, имидазол;

вместо 1, 2-дигидроксифенола (катехола): бензимидазол, бензопиразол, 3-гидрокси-1-R-4-пиридон, N-гидрокси-2-пиридон;

вместо индола: фенол, 4, 5-бензоизоксазол, 4, 5-бензопиразол, 1-азаиндолизин, хинолин;

вместо карбазола: 9-замещённый флуорен, дифенилметан.

Указанные биоизостерные группы при их встраивании в лидерную молекулу могут резко изменять у получаемых производных структурные свойства (размер и форму молекулы, Н-связи, полярность, кислотность или основность), фармакокинетические характеристики (АРМЭТ-свойства,), фармакодинамические свойства (комплементарность лиганда рецептору, силу взаимодействия с рецептором), пролонгированность биодействия.

2.6. Значение фармакокинетики для дизайна ЛВ. Качественная зависимость «строение – биоактивность (ЗАС, SAR). Принцип АРМЭТ и правила Липинского.

Напомним, что большинство ЛВ должно пройти фармакокинетическую фазу испытаний, которую можно обозначить как АРМЭТ-фазу. На первых двух стадиях изучают абсорбцию ПЛВ и его распределение в организме пациента. С этой целью экспериментально определяют оптимальные методы и формы введения ПЛВ в организм, пути его распределения в нём, возможность и время достижения им целевой биомишени. Наиболее подходящими ЛП считаются те, которые биодоступны при приёме через рот в виде таблеток, гранул и т.п. Большинство таких ЛВ поступают в кровь, абсорбируясь из ЖКТ через малый кишечник «пассивным» транспортом (за счёт своих свойств). При дизайне таких ЛВ главным требованием является обладание хорошей водорастворимостью (при рН от 1.3 до 6.8 в зависимости от области ЖКТ и сытости), так как они переносятся в организме к биомишени главным образом кровяным током, создавая концентрации, достаточные для проявления терапевтического эффекта. Остальные ЛП могут поступать в кровь «активным» транспортом, т.е. через механизм вынужденного перехода через защитные барьеры организма, осуществляемого специальными эндогенными белками. Так, транспортный олигопептид hPEPT1, имеющий широкую специфичность к пищевым метаболитным ди- и трипептидам, может также транспортировать β -лактамные антибиотики и витамины.

На третьем этапе определяется а) оптимальное соотношение липофильности и гидрофильности ПЛВ; б) время полужизни этого ПЛВ в теле и кровотоке пациента (т.е., время для снижения его концентрации на 50% - оно составляет от 0.5 до 5.0 суток); при высокой липофильности ЛВ быстро выводится из кровотока в печень, где ЛВ разрушается цитохромами Р450 (CYP); например, печёночный фермент CYP3А4 метаболизирует половину всех известных ЛВ, а вместе с пятью другими ферментами - CYP1А2, -2С9, -2С19, -2D6 и 2Е1, он нейтрализует более 90% всех ЛП; в) пути метаболизма ПЛВ, строение и биоактивность образующихся при этом метаболитов; г) устанавливаются уровень терапевтических доз ПЛВ и время их повторного введения. На четвёртом этапе устанавливаются пути выведения (экскреции) отработанного ПЛВ и его метаболитов из организма. На последней ступени фармакокинетических исследований определяются все возможные виды токсичности данного ПЛВ: острая токсичность, кардиотоксичность, гепатотоксичность, карциногенез, мутагенез, тератогенность, аллергенность. О важности принципа АРМЭТ свидетельствует то, что многие эффективные ПЛВ отсеиваются даже на стадиях клинического испытания по этим свойствам.

Многие ЛВ должны иметь хорошую липофильность и обладать способностью проникать через клеточные полупроницаемые фосфолипидные мембраны, чтобы взаимодействовать с внутриклетрочными рецепторами. Ниже представлен рисунок части мозаичной модели жидко-подвижной мембраны клетки с двойным липидным слоем, который, защищая клетку от ксенобиотиков, контактирует вне и внутри клетки с водной фазой:

Рис. 1 Мозаичной модели клеточной мембраны

В качестве стуктур липидных амфипатических молекул, составляющих двойной слой мембран, выступают молекулы ионных фосфолипидов – лецитин (1), фосфатидилэтаноламин и фосфатидилинозит (гликолипид), сфинголипидов - сфингозин (2) и сфингомиэлины-церамиды (3), а также нейтральный холестерин (4):

Препараты, действующие на центральную нервную систему (ЦНС) должны свободно переходить из крови в спинномозговую жидкость и мозг, т.е. преодолевать гематоэнцефалический барьер (ГЭБ – защитную плёнку из эпиталиальных клеток, которая окружает мозг и другие чрезвычайно чувствительные органы ЦНС от растворённых в крови чужеродных веществ). Другим барьером для проникновения ЛВ из крови к тканям органа-мишени является стенка капилляров. Для большинства ЛВ не очень высокой молекулярной массы этот барьер преодолим. Существует еще один барьер - плацентарный, отделяющий организм матери от плода. Он обычно легко проницаем для ЛВ, поэтому отбор препаратов, предназначаемых беременным женщинам чрезвычайно строг. В целом, как мы видим, лекарственная молекула кроме основной фармакофорной группировки, непосредственно отвечающей за терапевтический эффект, должна содержать гидрофильные и/или липофильные фрагменты (быть сбалансирована по ним), чтобы осуществлялся ее нормальный перенос к соответствующей системе организма. При умозрительном дизайне нового ЛВ стараются учитывать приведенные выше факторы, вводя соответствующие химические группировки в потенциальное ЛВ, полностью осознавая основополагающий принцип зависимости биологической активности конструируемого ПЛВ от его строения (принцип ЗАС). Так, введение в структуру фенольных группировок, карбоксильных или сульфогрупп, основного или аммонийного атома азота (четвертичная соль) улучшает водорастворимость органической молекулы ЛВ, изменяет ее основность или кислотность, усиливает, как правило, ее биодействие. Наличие н -алкильных цепей, их удлинение, а также введение галогенов, наоборот, повышает липофильность ЛВ (растворимость в жировых тканях, которые могут служит лекарственным депо) и их прохождение через биомембраны. В гомологическом ряду увеличение длины алкильной цепочки от С₁ до С₉ часто приводит к возрастанию биоактивности, но при дальнейшем росте цепи она резко падает. Например, в случае промедольных эфиров наибольший обезболивающий эффект наблюдается при этерификации исходного пиперидола пропионовым ангидридом, что связано с достижением молекулой наилучшего баланса между ее липофильностью (способностью проникновения через клеточную мембрану нейрона) и гидрофильностью (этот анальгетик применяют в виде гидрохлорида для улучшения транспорта в водной среде).

Разветвление алкильной цепочки (изомеризация), как правило, отражается снижением биоэффекта, так как возрастает объем молекулы и стерические препятствия для ее оптимального взаимодействия с активным участком ее биорецептора. Но при этом может возрасти и ее устойчивость в отношении к метаболизму. Аналогичные эффекты наблюдаются и при переходе от открытой алкильной цепочки к насыщенным циклам. Однако часто это приводит к улучшению фармакодинамических характеристик ЛВ, так как улучшает его связываемость с биорецептором за счет вандерваальсовых и гидрофобных сил.

Использование лекарственных веществ с биоактивной спиртовой или карбоксильной группами в виде их сложных или простых эфиров изменяет полярность молекулы лекарственного вещества, улучшает профиль фармакологической активности и замедляет биодекарбоксилирование. Первичные аминогруппы могут придавать токсичность потенциальному лекарственному соединению. Поэтому их часто переводят в менее токсичные амидные группировки. Биологические системы при действии на них синтетических ЛВ часто не делают различия между веществами, в которых вместо, например, бензольного кольца присутствует пиридиновое, вместо фуранового - пиррольное или тиофеновое, то есть замена одного плоского ядра на другое не сказывается существенным образом на уровне полезного биодействия (см. раздел 2.5 о биоизостеризме). В то же время подобная методология замещения весьма ценна, так как обычно обеспечивает резкое улучшение фармакологических и фармакодинамических характеристик вещества. Поэтому она может составлять часть стратегии при дизайне синтетических ЛВ для изменения полярности молекулы, введения различных заместителей в ароматическое кольцо (эта задача облегчается в случае замены бензольного ядра на p-избыточный гетероцикл), в целях усиления взаимодействия ЛВ со специфическим рецептором и улучшения фармакологической картины действия препарата. Однако при этом следует иметь в виду и возможность изменения химической и метаболической стабильности ЛВ. К настоящему времени выявлен целый ряд фармакофорных групп, введение которых в молекулу потенциального лекарственного вещества " прививает" ему нужную биоактивность (с раздел 2.3). Например, наличие фенольной группировки может обеспечивать антисептические свойства веществу. Введение карбамидной функции способствует проявлению снотворного эффекта. Диарил(аминоалкил)метановая группировка ответственна за антигистаминное действие.

При дизайне потенциальных ЛВ часто пользуются эмпирическими рекомендациями. Одним из известных в литературе критериев подобия вещества лекарственному (drug-likeness) является «правило Липинского» (этот принцип подобия разработан в период с 1997 г. по 2001 г.). Оно действует для создания пероральных лекарственных средств, принимаемых чаще всего в виде таблеток через рот. Фармакокинетические исследования множества действующих в клинике ЛВ действительно показали, что в большинстве случаев пероральное введение потенциальных ЛВ будет эффективно (с вероятностью 90%), если предлагаемое в качестве лекарства вещество соответствует «правилу пяти» хотя бы по трём пунктам: 1) имеет молекулярную массу не более 500 (по другим данным это ограничение не существенно); 2) содержит в своей структуре суммарно не более 10 атомов азота и/или кислорода в качестве акцепторов Н-связи; 3) содержит не более пяти групп ОН и/или NH в качестве доноров Н-связи; 4) достаточно растворимо в воде (величина логарифма коэффициента распределения между 1-октанолом и водой Р не превышает 5); 5) не имеет слишком большой конформационной подвижности (не более десяти ротаторов - связей со свободным вращением). В эти фармакокинетические «липофильные» правила пяти (пять пунктов и в каждом выделяется цифра пять или дважды по пять) не подчиняются те ПЛВ, которые могут транспортироваться через клеточные мембраны специальными эндогенными транспортными белками (активный транспорт). Позднее были введены некоторые уточняющие поправки и дополнения (молекулярная масса может достигать любых значений если: а) общее число Н-доноров и Н-акцепторов не превышает 12; б) ПЛВ содержит не более 10 ротаторов; в) площадь полярной поверхности молекулы ПЛВ не превышает 120-140 квадратных ангстремов, чтобы быть достаточно липофильной для прохождения в кровь через пассивную стадию абсорбции в малом кишечнтке). В случае необходимости преодоления ГЭБ ПЛВ должно иметь ещё значение молекулярной массы не более 300, меньшее число Н-акцепторов (не более четырёх) и ротаторов, но большее число Н-доноров и большее значение log P, чем в правилах Липинского.

После установления определяющей важности липофильности лиганда-ПЛВ для проявления биоактивности стали её измерять на основе распределения ПЛВ между двумя фазами смеси 1-октанола с водой. Первый моделировал клеточную мембрану, которая состоит из двойного слоя амфипатических липидных молекул фосфатидилзамещённых холина, этаноламина и инозита, а также из сфингомиэлина и холестерола. Водный слой служил моделью цитоплазмы или межклеточной жидкости. В качестве меры липофильности Ганч предложил коэффициент распределения (Р) лиганда (L) между двумя указанными фазами (oct/aq):

P = [L]_oct/[L]_aq^.(1 - α),

где [L]_oct и [L]_aq - концентрации лиганда (ПЛВ) в октаноле и воде, соответственно (определяются экспериментально после встряхивания-экстракции определённого количества ПЛВ со смесью растворителей в делительной воронке); α - степень диссоциации ПЛВ в воде (рассчитывают из констант ионизации). Значения Р мало зависят от температуры и концентрации ПЛВ при невысоких его концентрациях (меньших, чем 0.01 М). Если ПЛВ более растворим в воде, то Р < 1 и logР лежит в пределах от 0 до -5;

Если ПЛВ более растворим в 1-октаноле, то Р > 1 и logР лежит в пределах от 0 до +7.

7. Роль фармакодинамики для дизайна ЛВ

Объектами химического распознавания на молекулярном уровне и последующего взаимодействия ЛВ и его фармакофора с организмом могут быть не только биорецепторы и ферменты (они являются биомишенями 80% всех ЛВ, но и клеточные мембраны, нуклеиновые кислоты, эндогенные регуляторные молекулы (нейромедиаторы, гормоны и т.п.). Очевидно, что ЛВ должно иметь химическую, структурную и стереоспецифичную комплементарность со структурными элементами биомишени. Вызывающее биоэффект взаимодействие между лекарственным веществом и его биомишенью происходит через единый комплекс, благодаря возникновению между ними слабых (но их много!) связей (нековалентных). Образование такого комплекса, как правило, обратимый процесс и в нем

могут участвовать различные силы. Так, за счет сил ионного (электростатического) взаимодействия возникает связь, например, между катионом аммонийного типа ЛВ и анионом депротонированной карбоксильной группы фермента (энергия связи 20-40 кДж/моль). Энергия связи за счет сил ион-дипольного взаимодействия составляет 10-25 кДж/моль, а силы диполь-дипольного взаимодействия могут формировать связи с энергией 4-10 кДж/моль. Отметим, что все связи между углеродом и более электроотрицательными гетероатомами асимметричны по распределению электронной плотности связывающих их электронов, т.е. эти связи постоянно поляризованы, диполярны. При сильном диполь-дипольном взаимодействии между диполями возможен частичный перенос электронной плотности – в таком случае говорят о координационном донорно-акцепторном взаимодействии с образованием комплекса с переносом заряда (КПЗ). При этом донорный диполь имеет группы с избыточной p-электронной плотностью и атомы с парой несвязанных электронов, а акцептор – группы с p-дефицитной плотностью или катион металла в ЛВ координационного типа или в ферментной системе. Вандерваальсовы силы (или дисперсионные), проявляющиеся в неполярных молекулах при случайном наведении диполей, также относятся к диполь-дипольным взаимодействиям. Возникновение подобных временных диполей носит универсальный характер и они возникают в результате межмолекулярного взаимодействия ЛВ с рецепторными молекулами или их активными участками. Еще одним распространенным видом являются силы водородных связей, которые возникают, например, между донором Н-атома ЛВ (группой ОН или NH) и акцептором этого Н-атома – гетероатомом (Х) рецепторной молекулы, имеющим неподеленную пару электронов (донор-О-Н^…Х-рецептор). Энергия Н-связи колеблется от 12 до 20 кДж/моль. И, наконец, необходимо упомянуть слабые силы гидрофобного взаимодействия, которые возникают между липофильными группами ЛВ и рецептора в водной среде под воздействием упорядочивания окружающих их молекул воды. При этом неполярные липофильные группировки (цепи, кольца) словно подталкиваются к их более компактному взаимному расположению (“подобное с подобным”). Эти силы способствуют интеркаляционной и стекинговой с амоорганизации между ЛВ и биомишенью или ее фрагментами. Все рассмотренные слабые силы могут действовать между ЛВ и рецептором одновременно (кооперативно) и сообщать образующемуся комплексу значительную для проявления биоактивности стабильность.

2.8. Дизайн библиотек веществ комбинаторной химией. Сплошной высокопроизводительный биоскрининг и отбор лекарствоподобных веществ.

Этот принцип совмещения химии и биологии возник и стал быстро развиваться в 1990-х годах, как часть эволюции в общей стратегии открытия новых лекарственных и пестицидных веществ. Стратегия комбинаторной химии основана на разработке нескольких революционных химических и биологических методов параллельного синтеза и испытания большого числа соединений. Была создана техника миниатюризации синтезов и биоиспытаний, позволяющая синтезировать в растворе (жидкофазный синтез) или на твердых подложках (твердофазный синтез) от сотен до нескольких тысяч новых родственных соединений в день в количестве от 5 мг до 1 г. Затем следует их быстрое тестирование in vitro роботами (до ста тысяч в день) на специальных платах), имеющих около 1500 или 3500 углублений (чашек Петри) с культурами бактерий, ферментами и другими биообъектами. Для определения взаимодействия лиганда-вещества (Л) с биорецептором (Р) был разработан масс-спектральный метод ионизации электроспрэйингом (распылением). Прибор фиксирует образование иона комплекса Л с Р в случае их высокого сродствачто означает, что данный лиганд может быть ингибитором данного рецептора, и, следовательно, обладать биоактивностью. Работа авторов-разработчиков этого метода была отмечена Нобелевской премией за 2002 г.

В совокупности с автоматизацией синтез целых семейств (или " библиотек") веществ требует значительно меньших затрат реагентов при огромном росте производительности. В рамках комбинаторной химии сначала создается тематическая библиотека веществ с выявлением блока «хитов» - соединений с высоким уровнем биоактивности. Из нее затем формируют так называемую фокусированную библиотеку, позволяющую сделать выборку целевых соединений, имеющих функциональные и биоизостерические группы и фрагменты. Цель введения подобных групп заключается не только в повышении уровня биоактивности, но и в увеличении биодоступности ПЛВ, времени его полужизни в организме, в уменьшении токсичности. На следующей стадии определяются соединения-лидеры, обладающие максимальной полезной биоактивностью. Лидерная группа в последствии дает соединения кандидаты в пестициды, а из кандидатов определяется вещество, внедряемое в производство и применяемое на практике.

Типичным примером твердофазного синтеза может служить создание библиотеки антибактериальных 1, 3-оксазолидин-2-онов (6), основанное на принципе защитных групп. Твердофазный синтез осуществляют одновременно в многочисленных миниатюрных реакционных ячейках по принципу " тысячи чайных мешочков". В эти ячейки помещают твердые полимерные бусы или порошки, например, из ионообменной полистирольной смолы (1), имеющей химически закрепленную активную группу (темплейт, 2), с которой могут взаимодействовать типовые билдинг-блоки, например, 1, 2-диолы (3). Для проведения последовательных реакций в каждую из реакционных ячеек добавляется сначала свой изомерный диол и затем свой изомерный изоцианат (4). По окончании образования карбаматов (5) реакционную смесь в каждой ячейке обрабатывают основанием, регенерируя активную группу полимерной подложки (7). Образовавшиеся при этом целевые оксазолидины (9) смывают растворителем. В результате параллельного выполнения многочисленных синтезов получают многие сотни производных 1, 3-оксазолидинона:

Типичным примером жидкофазного комбинаторного синтеза является дизайн диверсифицированной библиотеки веществ: аминов (10-12, 14-16), аминокислот (13, 20), а также замещенных 1, 3-оксазолидинов (17-19). Разветвленные синтезы этих семейств представляют не простую задачу в связи с необходимостью выяснения пределов по числу и версиям химических групп, методам их введения и аналогам известных ЛВ. Так, интересны для биоскрининга на фунгициную активность амиды (20) и эфиры (15). В качестве антибактериальных средств, антидотов гербицидов и регуляторов роста и развития растений потенциально интересны оксазолидины с N-алкил- и N-ацилгруппами (соединения 18 и 19):

При виртуальном (машинном) дизайне диверсифицированных библиотек используют наборы структур, описанных в литературе, имеющихся в базах данных интернета, на рынке или на складе фирмы или института. В результате моделирования по программе получают табличные данные по виртуально синтезированным веществам, их молекулярным массам, кислотности и основности, полярности поверхностей, конформационной свободе вращения фрагментов и подобию известным ЛВ (в режиме «да»-«нет»). С помощью принципов и приемов комбинаторной химии за последние 20 лет (1992 по 2012 г.) создано более 40 млн. новых органических веществ (за период с 1825 г. по 1990 г. было синтезировано около 10 млн. веществ).