Лекция 4

2. Основные принципы умозрительного дизайна ЛВ

2.1. Принцип пролекарств. Эмпирические основы их дизайна.

Термин «пролекарство» введён в 1958 г. для обозначения биопредшественника истинного ЛВ или же ЛВ, имеющего защитные группы, легко удаляющиеся в организме пациента. Позднее возникла концепция пролекарств (по аналогии с концепцией защитных групп в органическом синтезе) как приём активации истинного ЛВ (ИЛВ). Дизайн пролекарственного вещества (проЛВ) заключается в превращении ИЛВ в биологически не активное вещество благодаря введению в ИЛВ легко биотрансформируемых группировок. Последние должны генерировать в проЛВ нужные физико-химические и фармакокинетические свойства (АРМЭТ): 1) необходимый уровень абсорбции жировыми тканями (для преодоления защитных барьеров, например, липофильных клеточных мембран); 2) хорошее распределение ЛВ в организме, транспорт и адресную доставку к биомишени; 3) достаточную устойчивость к метаболизму ЛВ защитными ферментными системами организма, с одной стороны, и в то же время нужную пролонгированность метаболического снятия введённых фармакокинетических групп атомов после достижения пролекарством мишени; определённая замедленность превращения проЛВ в ИЛВ в районе биомишени необходима для длительного создания терапевтических концентраций ИЛВ, что приводит к уменьшению доз вводимого ЛВ, а, следовательно, и к снижению токсических эффектов; 4) хорошую выводимость из организма (экскрецию, элиминирование) без его аккумулирования после проявления лечебного эффекта; 5) в целом незначительную токсичность (в случае выраженной токсичности ИЛВ оно на пути к целевой мишени может оказать отравляющее действие или другие нежелательные эффекты при контакте с другими органами-мишенями – раздражение ЖКТ, болезненные ощущения, горький вкус, тошноту, рвоту и т.п.); 6) хорошую водорастворимость (что особенно важно для перорального введения ЛВ).

В дизайне пролекарств с целью улучшения показателей АРМЕТ широко пользуются методами, основанными на зависимости активности от строения (ЗАС или SAR). Для создания нужного баланса между гидрофильной и липофильной областями молекулы проЛВ в основном применяют химическую модификацию исходной структуры ИЛВ, причём вводят такие группировки атомов, которые улучшают прохождение проЛВ через защитные барьеры организма (кожу, слизистые оболочки, ГЭБ, клеточные мембраны), повышают его абсорбцию и рапределение в организме пациента.

Спирты и карбоновые кислоты. В случае ИЛВ, содержащих ОН-группы (1) или карбоксильные группы (8), наиболее подходящим приёмом для изменения указанного баланса является химическое превращение этих групп в сложноэфирные (2-7, 9):

ProDrug-O-P(OH)₂=O < ------------- Drug-OH --------------à ProDrug-O-C(O)-R

(7) (1) (2-6)

R = Me, Et, …; Bn, Ph (соединения 2); R = CH₂N⁺(R)₃ (3); R = CH₂CH₂COOH (4); R = CH₂SO₂OH (5); R = pyridinium (6).
Drug-C(O)-OH --------------à ProDrug-C(O)-OR

(8) (9) R = CH₂CH₂N⁺(R)₃

Синтез эфиров (2) приводит к уменьшению водорастворимости при переходе от ИЛВ (1) к проЛВ (2). Наличие анионных зарядов у эфиров (4, 5 и 7) и катионных у эфиров (3, 6 и 9) повышает их водорастворимость. Введённые группы затем гидролизуются эстеразами, сульфатазами и фосфатазами с генерацией ИЛВ.

Ещё одним интересным примером эффективности концепции проЛВ служит синтез производного (10), предназначенного для его хорошего прохождения через ГЭБ, который защищает нейронные клетки от случайного воздействия гидрофильных ксенобиотиков. Известно, что представители семейства лидера-ГАМК трудно проникают через липидоподобный барьер ГЭБ к своим ГАМК-рецепторам из-за цвиттер-ионности своего строения. Поэтому сильная липофилизация молекулы проЛВ, содержащей остатки ГАМК и его аналога вигабатрина, которые присоединены в виде эфиров к монолинолоилглицериду, привела к резкому улучшению проникновения этих нейротропных средств в мозговую ткань и повысила таким образом (почти в 300 раз) антиконвульсивную активность ИЛВ-агентов.

H₂N-CH₂(CH₂=CH)CHCH₂C(O)-O-CH₂CHCH₂-O-C(O)-(CH₂)₇CH=CHCH₂CH=CH-(CH₂)₄Me
! O-C(O)CH₂CH₂CH₂NH₂

(10) липофильное проЛВ

Кетоны. ИЛВ, имеющие карбонильную группу, превращают в проЛВ с оксимными, иминными, кетальными, оксазолидиновыми и тиазолидиновыми группировками, конструируя таким образом лидерные структуры с нужными фармакокинетическими характеристиками.

Амины. Эмпирический дизайн проЛВ (12, 13) на основе ИЛВ, имеющих аминные функциональные группы (11), проводится обычно для снижения токсичности, основности ЛВ и увеличения их липофильности. Чаще всего при этом аминогруппы превращают в амидные, карбаматные и иминные, которые затем достаточно легко метаболизируются (гидролизуются) с высвобождением ИЛВ:

ProDrug-N=CHAr < ------------- Drug-NH₂ --------------à ProDrug-NH-C(O)-R

(13) (11) (12)

R = Me, Et, …; Bn, Ph, OPh

Так, проЛВ прогабид (габрен, 14) достаточно липофилен для самотранспорта в мозг через ГЭБ, где гидролизуется в ГАМК, которая благодаря этому оказывает мощное антиконвульсантное действие:

(2-HO, 5-F)C₆H₃-C(Ph)=N(CH₂)₃C(O)NH₂ (14) липофильное проЛВ прогабид

Остановимся ещё на одном примере современного проЛВ. (S)-3, 4-дигидроксифенилаланин (16) под названием L-допа (леводопа) используют в лечении паркинсонизма – нейродегенеративного заболевания старческого возраста (1% больных из всех 65-летних людей и 2% среди 80-летних). Для этой болезни характерно дрожание мышц (ее раньше называли «дрожательным параличом»), потеря их эластичности, согбенная поза, маленькие шаги и т.п. Как правило, она заканчивается параличом из-за недостатка выделения мозгом нейромедиатора допамина. Леводопа (16) поставляет допамин в виде декарбоксилированного метаболита, продлевая жизнь пациентов:

Синтез леводопы (16) осуществляют конденсацией ароматического альдегида (17) с глицином (18). Основной стадией является ассиметрическое гидрирование стирола (19) с помощью хирального катализатора на основе дифосфина родия HRh[CH₂PPhC₆H₄OMe-4]₂. При этом образуется L-изомер кислоты (21) с выходом 90% и энантиомерной селективностью до 95%. На заключительной стадии проводят гидролиз в присутствии HBr.

Леводопа не активное проЛВ. Его принимают через рот в виде таблетки, которая растворяется в пищевом тракте. Затем проЛВ поступает в кровь и постепенно проникает через ГЭБ в нейронные клетки, где ароматическая L-аминокислотная декарбоксилаза метаболически отщепляет от неё диоксид углерода, превращая её в нейромедиатор 1-амино-2 -(3, 4-дигидроксифенил)этан. Это и есть активное ИЛВ, повышение уровня которого снимает симптомы болезни Паркинсона.

Дизайн проЛВ позволяет как правило снизить уровень токсического действия ЛВ. В случае аспирина его кислотность, вызывающую раздражение и кровоточивость желудка и ЖКТ, понижают превращением карбоксильной группы в сложноэфирную. Однако химическая и метаболическая деэтерификация известных подобных производных всё ещё слишком велика.

Простейший альдегид - метаналь - используют наружно как антисептик в виде слабых водных растворов для дезинфекции рук, кожи и инструментов. В промышленности его получают окислением метанола (350 С, оксиды Fe/Mo) либо метана (600 С, катализатор диоксид азота).

Чтобы избежать токсичности формальдегида в больших концентрациях и острого запаха у этого дезинфектанта-антисептика мочеполовых путей, его используют в виде проЛВ уротропина (метиленамина, 22). Антисептическое действие гексаметилентетрамина (или тетраазаадамантана, уротропина), используемого в медицине с 1895 г., основано, по-видимому, на его постепенном разложении до формальдегида и иона аммония, ускоряемом при кислых значениях pH. Тетраазаадамантан 22 легко получают конденсацией водных растворов метаналя и аммиака через промежуточный гексагидротриазин (21).

2.2. Принцип антиметаболитов в умозрительном дизайне ЛП.
На основе принципа пролекарств (превращения ИЛВ 1 в проЛВ типа 2 и 7 в разд. 2.1) и концепции антиметаболитов нуклеиновых оснований в последней четверти 20-го века была создана важная группа противовирусных препаратов - производных пурина (29-33), в частности, ИЛВ ацикловир (зовиракс 29) и его проЛВ валацикловир (30, производное L-валина, которое в пять раз более биодоступно орально, чем ацикловир):

Концепция антиметаболитов базируется на создании синтетического ЛВ структурно близкого к какому-либо естественному (эндогенному) метаболиту организма человека. Задача такого ЛВ, называемого антиметаболитом (или псевдометаболитом), состоит в подмене природного метаболита в естественных биореакциях (прием «троянский конь»). Антиметаболиты должны быть способны лишь частично выполнять в организме функции метаболитов. Являясь химическими имитаторами истинных метаболитов, ЛВ такого рода " обманывают" контролирующие ферментные системы, встраиваются в метаболическую схему и заменяют собой настоящий метаболит, например, в растущей цепочке ДНК или РНК. Включение псевдометаболита в НК приводит к прекращению их роста, развития и репликации, что заканчивается гибелью микроорганизма. Важной характеристикой синтетических антиметаболитов, является то, что они обладают малой токсичностью и не оказывают нежелательных побочных эффектов, благодаря высокой степени их узнаваемости системами организма, для которых эти лекарственные вещества структурно «выглядят» почти нечужеродными, биогенными.

Ацикловир (29) синтезировали в качестве имитатора-аналога нуклеозида- дезоксигуанозина (34), участвующего в биосинтезе нуклеиновых кислот. Идея заключалась в том, чтобы ксенобиотик –антиметаболит (29), попадая в зараженную вирусом клетку, имитировал собою эндогенный нуклеозид (34). Но поскольку в структуре лекарственного вещества отсутствует рибозильный фрагмент с 5’-ОН- группой, при введении имитатора в структуру растущей ДНК ее дальнейший рост должен прекратиться.

Так оно и оказалось, причем выяснилось, что ацикловир имеет самое мощное антивирусное действие в отношении вируса герпеса. Герпесные инфекции - очень распространенное явление. Достаточно сказать, что только в США ими заражены десятки миллионов человек. При герпесном энцефалите от воспаления мозга гибнут три четверти пациентов, а в случае химиотерапии ацикловиром выживаемость возрастает в три раза. Поэтому появление ацикловира в клинике быстро привело к его широкому использованию во всем мире, а авторы этого ЛВ удостоились в 1988 г. нобелевской премии. Ниже изображен механизм антивирусного действия ацикловира (обозначенного на схеме как HOCH₂CH₂OCH₂B) на молекулярном уровне. В зараженной клетке ацикловиру удается " обмануть" вирусный фермент тимидинкиназу и " подставить" себя вместо дезоксигуанозина для первого фосфорилирования по гликольному гидроксилу. Следующие два фосфатных остатка вводятся в монофосфат (39) уже киназами клетки-хозяина. Готовый трифосфат (40) ацикловира включается вирусной ДНК-полимеразой (вместо нормального дезоксигуанозинтрифосфата) в растущую реплицируемую цепь вирусной ДНК. Однако, в ней он уже служит стоппером, так как после его включения в цепь рост новой ДНК прекращается и вирусная инфекция в зараженном организме подавляется:

Вопрос, почему ацикловир не действует аналогичным образом на клетки хозяина остается пока открытым.

Принцип антиметаболитов сыграл важную роль в создании семейства ЛП в борьбе против СПИДа – открытой в США в начале 1980-х годов болезни, названной синдромом приобретенного иммунодифицита (СПИД; по английски AIDS - acquired immunodeficiency syndrom). В 2006 году число инфицированных вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ) во всем мире по разным данным достигло от 30 до 50 млн человек. Любой вирус (варион) состоит из нуклеиновой кислоты (НК), защищаемой капсидой (цилиндрической или сферической оболочкой белкового типа, иногда с включением липидов и сахаров). Капсида выполняет также функцию взаимодействия с клетками чужого организма, способствуя проникновению вирусной НК внутрь клетки-хозяина и запуску там синтеза новых вирусных молекул. В случае ВИЧ сложность заключается в том, что в чужом организме он встраивается в клетки самой иммунной системы (в лейкоциты, фагоциты, лимфоциты), призванной бороться с патогенными микроорганизмами. И как только зараженный организм включает в действие защитную иммунную систему, то вместе с размножением собственных иммунных клеток начинается бурный рост числа ВИЧ и клетка-хозяин теряет генетический контроль над биопроцессами. Иммунные силы (сопротивляемость) организма таким образом слабеют и у больных СПИДом возрастает возможность заражения другими инфекциями - туберкулезом, пневмонией, лейкозами и т.д. Точками воздействия (биомишенями) лекарственных веществ на ВИЧ могут быт: капсида (ее разрушение), нуклеиновая кислота – НК (ее мутация, ингибирование или разрыв) и, наконец, ферменты, которые участвуют в репликации НК. Некоторые синтетические лекарственные вещества (1-4) против СПИДа имеют нуклеозидную или близкую к ней природу и считаются антиметаболитами, могущими " спутать карты" вирусной НК, встраиваясь в нее и останавливая ее дальнейший рост в связи с отсутствием групп ОН в рибозильном или аналогичном ему фраменте (группа нуклеозидных ингибиторов обратной транскриптазы).

Установлено, что эти препараты в организме фосфорилируются клеточными ферментами до 5’-трифосфатов и в этой форме являются конкурентными ингибиторами обратной транскриптазы ВИЧ (ОТ ВИЧ), которая катализирует транскрипцию одноцепочечной вирусной РНК в двухцепочечную ДНК. Являясь пролекарствами, нуклеозидные антиспидные препараты воздействуют на ферментную биомишень и оказываются терминаторами роста цепи вирусной ДНК, что приводит, таким образом, к остановке размножения ВИЧ. Замечено также, что указанные 5’-трифосфаты могут ингибировать ДНК-полимеразы клетки-хозяина и давать значительные токсические эффекты. При длительном использовании препаратов появляются резистентные к ним штаммы ВИЧ, в которых репликация на уровне НК уже не нарушается. Установлено, что длительное использование AZT (1) вызывает мутации в активном центре ОТ ВИЧ в кодонах Asр. 67 (он переходит в кодон Asn), Lys 70 (мутирует в Arg) и Thr 215 (дает кодон Tyr). Таким образом, мутированная ОТ ВИЧ уже не подвержена ингибированием азидовудином (1). Наиболее широкое применение нашел азидотимидин (1). Интересно, что это вещество впервые было синтезировано еще в 1964 году в рамках поиска противораковых средств. До 1991 г. AZT оставался единственным препаратом против СПИДа на фармацевтическом рынке. При его синтезе первоначально дезокситимидин (5) подвергают внутримолекулярной этерификации-циклизации в присутствии полигалогентриэтиламина). В этой реакции участвует с одной стороны гидроксил иминольного таутомера (6), а с другой (после предварительной инверсии стереохимии), - гидроксильная группа при С-3 дезоксирибозы. Образовавшийся полицикл (7) обрабатывают азидом натрия в воде. Сильный нуклеофил ^- N₃ атакует электронодефицитный атом С-3 дезоксирибозы со стороны, обратной атому кислорода (снизу). При этом раскрывается эфирная связь и возникающая в молекуле (1) азидная группа оказывается в стереохимически прежнем (в отношении к исходному гидроксилу) положении:

Существует несколько стратегий снижения уровня токсичности у известных препаратов, используемых против СПИДа. Одна из них базируется на резком улучшении плохой проходимости AZT и ему подобных нуклеозидных препаратов через липидные мембраны. С этой целью синтезируют их фосфатные производные (типа 1б) и вводят такие пролекарства в искусственные липосомы. Приготовленная в таком виде система " препарат + носитель" хорошо преодолевает мембранный барьер лейкоцитов. Так, азидотимидин (1а), вводится как пролекарство в виде фосфатидилпроизводного (фосфазид, 1б), фосфолипидная форма которого лучше проникает через фосфолипидные оболочки макрофагов (клетки иммунной системы) и накапливается там же, где обычно концентрируются и вирусы иммунодефицита человека (ВИЧ). Это лекарство, гидролизуясь в макрофаге до довольно токсичного для организма человека азидотимидина, действует таким образом только на зараженные иммунные клетки. При этом пролекарство-антиметаболит фосфазид имеет в несколько раз меньшую токсичность, чем истинное лекарство азидотимидин.

2.3. Определение активной группы в семействе подобных ЛП – принцип фармакофора.

Многие годы ведутся работы по модификации-упрощению структуры лидерной молекулы морфина с целью установления фармакофорного фрагмента и получения на его основе новых синтетических кандидатов и ЛВ обезболивающего действия и при этом не оказывающих наркотического эффекта. Так было установлено, что кислород, формирующий фурановый фрагмент в морфине не столь существен для проявления им и его аналогов обезболивающей активности. Например, его дезоксианалоги (морфинаны) оксилорфан (15) и буторфанол (16) обладают сильно выраженными смешанными свойствами агонистов-антагонистов морфина, возможно благодаря лучшей конформационной подстройки циклогексанового кольца к рецептору:

Дальнейшее постепенное упрощение пентациклического строения морфина (удаление групп атомов, малоактивных к связыванию с биорецептором) позволило сохранить определенную топографию потенциального анальгетика в указанном ниже ряду:

В результате удаления циклогексанового кольца были синтезированы вещества группы бензоморфанов (пентазоцин и др.), которые обладают меньшими анальгетическими и наркотическими эффектами по сравнению с морфином. Затем в результате следующего этапа умозрительного и экспериментального дизайна - «вырезания» бензильной СН₂-группы, - был осуществлён переход к большому семейству мощных анальгетиков 4-арилпиперидинового ряда, обладающих выраженным наркотическим действием. Обнаружение анальгетической активности у серии производных 4-фенилпиперидина привело к выводу правила Бекетта-Кейзи, оказавшегося, несмотря на свою упрощенность, полезным на определенном этапе создания фармакологического блока морфиноподобных анальгетиков, особенно в 1960-1970-х годах. В соответствии с этим правилом при " конструировании" потенциального фармакофора – биоизостеричного морфину анальгетика, взаимодействующего с морфиновым рецептором мю-опиоидного типа, необходимо, чтобы его структура включала: 1) четвертичный атом углерода; 2) ароматическое кольцо при этом атоме; 3) третичный атом азота на расстоянии, эквивалентном двум атомам углерода sp³-конфигурации, считая от указанного четвертичного атома углерода:

Расширение шестичленного пиперидинового кольца до семичленного [см. этогептазин (8)] или сужение гетероцикла до пирролидинового [см. пролидин, (11)] не снижает анальгетическую эффективность. Это правило фармакофора " работает" не только в случае алкоксикарбонильного заместителя при С-4 гетероцикла, но и при его замене на такие группы, как гидроксильная, ацилоксильная, амидная и алкильная (хотя есть и значительное число примеров несоответствия этому правилу). Так, продин (9), просидол (10), пролидин (11) и промедол (тримеперидин, 12) являются эффективными анальгетиками:

Недавно были получены новые анальгетики, не содержащие циклического атома азота, которые можно отнести к группе 1-арил-2-амино(аминометил)циклогексанов. Таковым является трамадол, обладающий свойствами агониста-антагониста опиатных рецепторов. Он дает быстрый и длительный эффект обезболивания, лишь немного уступающий по уровню активности морфину. Наконец, расщепление гетероциклического кольца у анальгетиков типа (8-12) привело к появлению ещё двух лидеров:

Ph-(CH₂)_n –CH-[O-C(O)-Et]CH₂CH(Me)NMe₂ (13) n = 0, метадон;

(13, 14) (14) n = 1, дарвон

Метадон (13) имеет такую же активность как морфин. Его (-)-изомер нашёл применение в лечении синдрома героиновой абстиненции. Дарвон (декстропропоксифен, 14) в два раза меньшую анальгетическую активность кодеина.