Открытие лекарств - Drug discovery

Схема цикла открытия лекарств

В области медицины, биотехнологии и фармакологии , новых лекарственных средств является процесс , при котором новые кандидаты лекарства обнаружены.

Исторически лекарства были открыты путем выявления активного ингредиента из традиционных средств или случайным открытием, как в случае с пенициллином . Совсем недавно химические библиотеки синтетических малых молекул , натуральных продуктов или экстрактов были исследованы в интактных клетках или целых организмах для выявления веществ, оказывающих желаемый терапевтический эффект, в процессе, известном как классическая фармакология . После того, как последовательность из генома человека позволила быстрому клонирование и синтез больших количеств очищенных белков, это стало обычной практикой является использование высокопроизводительного скрининга больших соединений библиотек против изолированных биологических мишеней , которые гипотетические быть модифицирующим заболеванием в процессе , известном как обратные фармакология . Затем результаты этих скрининговых тестов проверяются на эффективность на клетках, а затем на животных .

Современные разработки лекарств включает в себя идентификацию скрининга удара, медицинской химии и оптимизации этих обращений к увеличению сродства , селективность (чтобы уменьшить вероятность возникновения побочных эффектов), эффективность / эффективность , метаболическую стабильность (для увеличения полужизни ) и оральный биодоступность . Как только соединение, которое удовлетворяет всем этим требованиям, было идентифицировано, процесс разработки лекарства может продолжаться. В случае успеха разрабатываются клинические испытания .

Таким образом, открытие современных лекарств обычно является капиталоемким процессом, который включает в себя крупные инвестиции корпораций фармацевтической промышленности, а также национальных правительств (которые предоставляют гранты и гарантии по кредитам ). Несмотря на достижения в области технологий и понимание биологических систем, открытие лекарств по-прежнему является длительным, «дорогим, сложным и неэффективным процессом» с низким уровнем новых терапевтических открытий. В 2010 году затраты на исследования и разработки каждого нового молекулярного объекта составили около 1,8 миллиарда долларов США. В 21 веке фундаментальные исследования финансируются в основном правительствами и благотворительными организациями, тогда как разработки на поздних стадиях финансируются в основном фармацевтическими компаниями или венчурными капиталистами. Чтобы получить разрешение на выпуск на рынок, лекарства должны пройти несколько успешных этапов клинических испытаний и пройти новый процесс утверждения лекарств, который в США называется заявкой на новое лекарство .

Обнаружение лекарств, которые могут иметь коммерческий успех или успех в области общественного здравоохранения, требует сложного взаимодействия между инвесторами, промышленностью, научным сообществом, патентным законодательством, исключительными полномочиями регулирующих органов, маркетингом и необходимостью соблюдать баланс между секретностью и общением. Между тем, для расстройств, редкость которых означает, что нельзя ожидать большого коммерческого успеха или воздействия на общественное здоровье, процесс финансирования орфанных лекарств гарантирует, что люди, страдающие этими расстройствами, могут иметь некоторую надежду на успехи фармакотерапии .

История

Идея о том, что действие лекарства в организме человека опосредуется специфическими взаимодействиями молекулы лекарства с биологическими макромолекулами ( в большинстве случаев белками или нуклеиновыми кислотами ), привела ученых к выводу, что для биологической активности организма необходимы отдельные химические вещества. препарат, средство, медикамент. Это положило начало современной эпохе в фармакологии , поскольку чистые химические вещества вместо сырых экстрактов лекарственных растений стали стандартными лекарствами. Примерами лекарственных соединений, выделенных из сырых препаратов, являются морфин , активный агент опия, и дигоксин , стимулятор сердца, происходящий из Digitalis lanata . Органическая химия также привела к синтезу многих природных продуктов, выделенных из биологических источников.

Исторически сложилось так, что вещества, будь то сырые экстракты или очищенные химические вещества, проверялись на биологическую активность без знания биологической мишени . Только после того, как было идентифицировано активное вещество, предпринимались попытки идентифицировать цель. Этот подход известен как классическая фармакология , передовая фармакология или фенотипическое открытие лекарств.

Позже были синтезированы небольшие молекулы, специально нацеленные на известный физиологический / патологический путь, избегая массового скрининга банков сохраненных соединений. Это привело к большому успеху, такие как работа Гертруда Элион и Хитчингс на пуринового обмена , работа Джеймса Блэка на бета - блокаторы и циметидина , и открытие статинами по Акира Эндо . Другим сторонником подхода к разработке химических аналогов известных активных веществ был сэр Дэвид Джек из Allen and Hanbury's, позже Glaxo , который первым изобрел ингаляционный селективный бета2-адренергический агонист от астмы, первый ингаляционный стероид от астмы, ранитидин в качестве преемника. циметидин и поддержал развитие триптанов.

Гертруда Элион, работая в основном с группой из менее чем 50 человек над аналогами пуринов, внесла свой вклад в открытие первого антивирусного препарата; первый иммунодепрессант ( азатиоприн ), позволивший осуществить трансплантацию органов человека; первый препарат, вызывающий ремиссию лейкемии у детей; основные противораковые методы лечения; противомалярийное средство; антибактериальный; и лечение подагры.

Клонирование человеческих белков сделало возможным скрининг больших библиотек соединений против конкретных мишеней, которые, как считается, связаны с конкретными заболеваниями. Этот подход известен как обратная фармакология и сегодня является наиболее часто используемым подходом.

Цели

«Мишень» производится в фармацевтической промышленности. Как правило, «мишенью» является существующая в природе клеточная или молекулярная структура, вовлеченная в представляющую интерес патологию, на которую должно действовать разрабатываемое лекарственное средство. Однако различие между «новой» и «установленной» целью может быть проведено без полного понимания того, что такое «цель». Это различие обычно проводится фармацевтическими компаниями, занимающимися открытием и разработкой терапевтических средств. По оценке 2011 года, 435 продуктов генома человека были определены как терапевтические мишени для одобренных FDA лекарств.

«Установленные цели» - это те, для которых существует хорошее научное понимание, подкрепленное длительной историей публикаций, как того, как мишень функционирует в нормальной физиологии, так и как она участвует в патологии человека. Это не означает, что механизм действия лекарств, которые, как считается, действуют через конкретную установленную мишень, полностью изучен. Скорее, «установленный» относится непосредственно к количеству справочной информации, доступной по цели, в частности функциональной информации. В общем, «новые цели» - это все те цели, которые не являются «установленными целями», но которые были или являются предметом усилий по открытию лекарств. Большинство мишеней, выбранных для усилий по открытию лекарств, - это белки, такие как рецепторы, сопряженные с G-белками (GPCR) и протеинкиназы .

Показ и дизайн

Процесс поиска нового лекарства против выбранной мишени для конкретного заболевания обычно включает высокопроизводительный скрининг (HTS), при котором большие библиотеки химических веществ проверяются на их способность модифицировать мишень. Например, если мишенью является новый GPCR , соединения будут проверяться на их способность ингибировать или стимулировать этот рецептор (см. Антагонист и агонист ): если мишенью является протеинкиназа , химические вещества будут проверены на их способность ингибировать этот рецептор. киназа.

Еще одна важная функция HTS - показать, насколько селективны соединения для выбранной мишени, поскольку нужно найти молекулу, которая будет мешать только выбранной мишени, но не другим связанным мишеням. С этой целью будут выполнены другие прогоны скрининга, чтобы увидеть, будут ли «попадания» по выбранной цели мешать другим связанным целям - это процесс перекрестного скрининга. Перекрестный скрининг важен, потому что чем больше несвязанных мишеней поражает соединение, тем больше вероятность того, что нецелевое отравление произойдет с этим соединением, когда оно попадет в клинику.

Маловероятно, что идеальный кандидат на лекарство появится в результате этих ранних этапов скрининга. Одним из первых шагов является скрининг соединений, которые вряд ли будут превращены в лекарства; например, соединения, которые встречаются почти во всех анализах, классифицированные медицинскими химиками как « соединения, мешающие общему анализу », удаляются на этой стадии, если они еще не были удалены из химической библиотеки. Часто наблюдается, что несколько соединений обладают некоторой степенью активности , и если эти соединения имеют общие химические свойства, тогда можно разработать один или несколько фармакофоров . На этом этапе медицинские химики попытаются использовать отношения структура-активность (SAR), чтобы улучшить определенные свойства соединения- свинца :

  • увеличить активность против выбранной цели
  • снизить активность против несвязанных целей
  • улучшить сходство с лекарством или свойства ADME молекулы.

Этот процесс потребует нескольких итеративных прогонов скрининга, в ходе которых, как ожидается, свойства новых молекулярных объектов улучшатся и позволят предпочтительным соединениям перейти к тестированию in vitro и in vivo на активность в выбранной модели заболевания.

К физико-химическим свойствам, связанным с абсорбцией лекарственного средства, относятся ионизация (pKa) и растворимость; проницаемость может быть определена с помощью PAMPA и Caco -2 . PAMPA привлекательна в качестве раннего скрининга из-за низкого потребления лекарства и низкой стоимости по сравнению с такими тестами, как Caco-2, желудочно-кишечный тракт (GIT) и гематоэнцефалический барьер (BBB), с которыми существует высокая корреляция.

Для оценки качества соединения или ряда соединений можно использовать ряд параметров, как это предлагается в Правиле пяти Липински . Такие параметры включают вычисленные свойства, такие как cLogP для оценки липофильности, молекулярной массы , площади полярной поверхности и измеренных свойств, таких как эффективность, измерение ферментативного клиренса in vitro и т. Д. Некоторые дескрипторы, такие как эффективность лиганда (LE) и липофильная эффективность (LiPE). комбинируйте такие параметры, чтобы оценить сходство с лекарствами .

Хотя HTS - широко используемый метод для открытия новых лекарств, это не единственный метод. Часто можно начать с молекулы, которая уже обладает некоторыми из желаемых свойств. Такая молекула может быть извлечена из натурального продукта или даже быть лекарством на рынке, которое можно было бы улучшить (так называемые препараты «я тоже»). Также часто используются другие методы, такие как виртуальный скрининг с высокой пропускной способностью , где скрининг выполняется с использованием компьютерных моделей и попыток «пристыковать» виртуальные библиотеки к цели.

Еще один важный метод открытия лекарств - это разработка лекарств de novo , при которой прогнозируются виды химических веществ, которые могут (например) вписаться в активный сайт целевого фермента. Например, виртуальный скрининг и компьютерный дизайн лекарств часто используются для идентификации новых химических групп, которые могут взаимодействовать с целевым белком. Молекулярное моделирование и моделирование молекулярной динамики можно использовать в качестве руководства для улучшения эффективности и свойств новых лекарственных препаратов.

В сообществе разработчиков лекарств также происходит смена парадигмы: от HTS, который является дорогостоящим и может охватывать только ограниченное химическое пространство , к скринингу небольших библиотек (максимум несколько тысяч соединений). К ним относятся обнаружение свинца на основе фрагментов (FBDD) и управляемая белками динамическая комбинаторная химия . Лиганды в этих подходах обычно намного меньше, и они связываются с целевым белком с более слабой аффинностью связывания, чем хиты, которые идентифицируются с помощью HTS. Часто требуются дальнейшие модификации путем органического синтеза в соединения свинца. Такие модификации часто контролируются рентгеновской кристаллографией белка комплекса белок-фрагмент. Преимущества этих подходов заключаются в том, что они обеспечивают более эффективный скрининг, а библиотека соединений, хотя и небольшая, обычно охватывает большое химическое пространство по сравнению с HTS.

Фенотипические исследования также предоставили новые химические отправные точки в открытии лекарств. Было использовано множество моделей, включая дрожжи, рыбок данио, червей, иммортализованные клеточные линии, первичные клеточные линии, клеточные линии, полученные от пациентов, и модели на целых животных. Эти скрининги предназначены для поиска соединений, которые обращают вспять фенотип заболевания, такой как смерть, агрегация белка, экспрессия мутантного белка или пролиферация клеток, в качестве примеров в более целостной модели клетки или организма. Для этих грохотов часто используются меньшие грохоты, особенно если модели дороги или требуют много времени для эксплуатации. Во многих случаях точный механизм действия попаданий от этих экранов неизвестен, и для его выяснения могут потребоваться обширные эксперименты по деконволюции цели.

После того, как будет создана серия ведущих соединений с достаточной целевой эффективностью и селективностью и благоприятными лекарственными свойствами, тогда для разработки лекарств будут предложены одно или два соединения . Лучшее из них обычно называется ведущим соединением , а другое - «резервным». Эти важные решения обычно поддерживаются инновациями в области вычислительного моделирования.

Природа как источник

Традиционно многие лекарства и другие химические вещества, обладающие биологической активностью, были обнаружены путем изучения химических веществ, которые организмы создают, чтобы влиять на активность других организмов в целях выживания.

Несмотря на рост комбинаторной химии как неотъемлемой части процесса открытия потенциальных клиентов, натуральные продукты по-прежнему играют важную роль в качестве исходного материала для открытия лекарств. В отчете 2007 года было обнаружено, что из 974 новых химических соединений с небольшими молекулами, разработанных между 1981 и 2006 годами, 63% были природными или полусинтетическими производными натуральных продуктов . По некоторым направлениям терапии, таким как противомикробные, противоопухолевые, гипотензивные и противовоспалительные препараты, цифры были выше. Во многих случаях эти продукты использовались традиционно в течение многих лет.

Натуральные продукты могут быть полезны в качестве источника новых химических структур для современных методов разработки антибактериальной терапии.

Растительного происхождения

Многие вторичные метаболиты, продуцируемые растениями, обладают потенциальными терапевтическими лечебными свойствами. Эти вторичные метаболиты содержат, связываются и изменяют функцию белков (рецепторов, ферментов и т. Д.). Следовательно, натуральные продукты растительного происхождения часто использовались в качестве отправной точки для открытия лекарств.

История

До эпохи Возрождения подавляющее большинство лекарств в западной медицине были экстрактами растений. Это привело к накоплению информации о потенциале видов растений как важных источников исходных материалов для открытия лекарств. Ботанические знания о различных метаболитах и гормонах , которые продуцируются в разных анатомических частях растения (например, корнях, листьях и цветках), имеют решающее значение для правильного определения биоактивных и фармакологических свойств растения. Выявление новых лекарств и их утверждение для продажи оказалось жестким процессом из-за правил, установленных национальными агентствами по регулированию лекарственных средств .

Жасмонаты

Химическая структура метилжасмоната (JA).

Жасмонаты важны в ответах на травмы и внутриклеточные сигналы. Они вызывают апоптоз и белковый каскад через ингибитор протеиназы , обладают защитными функциями и регулируют реакцию растений на различные биотические и абиотические стрессы . Жасмонаты также обладают способностью напрямую воздействовать на митохондриальные мембраны, вызывая деполяризацию мембраны за счет высвобождения метаболитов .

Производные жасмоната (JAD) также важны для реакции на рану и регенерации тканей в растительных клетках. Было также установлено, что они обладают антивозрастным действием на эпидермальный слой человека. Предполагается, что они взаимодействуют с полисахаридами протеогликанов (PG) и гликозаминогликанов (GAG) , которые являются важными компонентами внеклеточного матрикса (ECM), которые помогают реконструировать ECM. Открытие JAD для восстановления кожи вызвало новый интерес к эффектам этих растительных гормонов в терапевтических медицинских целях.

Салицилаты

Химическая структура ацетилсалициловой кислоты, более известной как аспирин.

Салициловая кислота (СК), фитогормон , первоначально была получена из коры ивы и с тех пор была идентифицирована у многих видов. Он играет важную роль в иммунитете растений , хотя его роль до сих пор полностью не изучена учеными. Они участвуют в болезнях и иммунных ответах в тканях растений и животных. У них есть белки, связывающие салициловую кислоту (SABP), которые, как было показано, влияют на несколько тканей животных. Первые обнаруженные лечебные свойства изолированного соединения были связаны с обезболиванием и лихорадкой. Они также играют активную роль в подавлении пролиферации клеток. Они обладают способностью вызывать смерть лимфобластного лейкоза и других раковых клеток человека. Одним из наиболее распространенных препаратов, полученных из салицилатов, является аспирин , также известный как ацетилсалициловая кислота, с противовоспалительными и жаропонижающими свойствами.

Микробные метаболиты

Микробы конкурируют за жизненное пространство и питательные вещества. Чтобы выжить в этих условиях, многие микробы развили способность предотвращать размножение конкурирующих видов. Микробы - основной источник противомикробных препаратов. Изоляты Streptomyces были настолько ценным источником антибиотиков, что их назвали лекарственными плесневыми грибами. Классическим примером антибиотика, открытого в качестве защитного механизма против другого микроба, является пенициллин в бактериальных культурах, зараженных грибами Penicillium в 1928 году.

Морские беспозвоночные

Морская среда является потенциальным источником новых биологически активных веществ. Нуклеозиды арабинозы, открытые у морских беспозвоночных в 1950-х годах, впервые продемонстрировали, что сахарные фрагменты, отличные от рибозы и дезоксирибозы, могут давать биоактивные нуклеозидные структуры. Только в 2004 году был одобрен первый препарат морского происхождения. Например, зиконотид , токсин конической улитки , также известный как Prialt, лечит сильную невропатическую боль. Несколько других агентов морского происхождения сейчас проходят клинические испытания по таким показаниям, как рак, противовоспалительное применение и боль. Одним из классов этих агентов являются бриостатиноподобные соединения, которые исследуются в качестве противораковой терапии.

Химическое разнообразие

Как упоминалось выше, комбинаторная химия была ключевой технологией, позволяющей эффективно создавать большие скрининговые библиотеки для нужд высокопроизводительного скрининга. Однако теперь, после двух десятилетий комбинаторной химии, было отмечено, что, несмотря на возросшую эффективность химического синтеза, никакого увеличения количества свинца или кандидатов в лекарственные средства достигнуто не было. Это привело к анализу химических характеристик продуктов комбинаторной химии по сравнению с существующими лекарствами или натуральными продуктами. Концепция химиоинформатики химическое разнообразие, изображаемое как распределение соединений в химическом пространстве на основе их физико-химических характеристик, часто используется для описания разницы между библиотеками комбинаторной химии и натуральными продуктами. Синтетические комбинаторные библиотечные соединения, кажется, охватывают лишь ограниченное и довольно однородное химическое пространство, тогда как существующие лекарства и особенно натуральные продукты демонстрируют гораздо большее химическое разнообразие, более равномерно распределяясь по химическому пространству. Наиболее заметные различия между натуральными продуктами и соединениями в библиотеках комбинаторной химии - это количество хиральных центров (намного выше в природных соединениях), жесткость структуры (выше в природных соединениях) и количество ароматических фрагментов (выше в библиотеках комбинаторной химии). Другие химические различия между этими двумя группами включают природу гетероатомов (O и N, обогащенные природными продуктами, а атомы S и галогена чаще присутствуют в синтетических соединениях), а также уровень неароматической ненасыщенности (выше в натуральных продуктах). Поскольку как жесткость структуры, так и хиральность являются общепризнанными факторами в медицинской химии, которые, как известно, повышают специфичность соединений и их эффективность в качестве лекарственного средства, было высказано предположение, что природные продукты выгодно отличаются от сегодняшних библиотек комбинаторной химии в качестве потенциальных ведущих молекул.

Скрининг

Существуют два основных подхода к обнаружению новых биологически активных химических соединений из природных источников.

Первый иногда называют случайным сбором и просмотром материала, но сбор далеко не случайный. Биологические (часто ботанические) знания часто используются для выявления многообещающих семей. Этот подход эффективен, потому что только небольшая часть биоразнообразия Земли когда-либо тестировалась на предмет фармацевтической деятельности. Кроме того, организмы, живущие в богатой видами окружающей среде, должны развивать защитные и конкурентные механизмы, чтобы выжить. Эти механизмы могут быть использованы при разработке полезных лекарств.

Сбор образцов растений, животных и микробов из богатых экосистем потенциально может вызвать новые виды биологической активности, которые стоит использовать в процессе разработки лекарств. Одним из примеров успешного использования этой стратегии является скрининг противоопухолевых агентов Национальным институтом рака , который начался в 1960-х годах. Паклитаксел был идентифицирован из тиса тихоокеанского Taxus brevifolia . Паклитаксел проявил противоопухолевую активность благодаря ранее не описанному механизму (стабилизация микротрубочек) и в настоящее время одобрен для клинического применения для лечения рака легких, груди и яичников, а также саркомы Капоши . В начале 21 века кабазитаксел (производимый французской фирмой Sanofi ), еще один родственник таксола , оказался эффективным против рака простаты , в том числе потому, что он предотвращает образование микротрубочек, которые разрывают хромосомы в делящихся клетках (например, как раковые клетки). Другими примерами являются: 1. Камптотека ( Камптотецин · Топотекан · Иринотекан · Рубитекан · Белотекан ); 2. Подофиллум ( этопозид · тенипозид ); 3а. Антрациклины ( акларубицин · даунорубицин · доксорубицин · эпирубицин · идарубицин · амрубицин · пирарубицин · валрубицин · зорубицин ); 3b. Антрацендионы ( Митоксантрон · Пиксантрон ).

Второй основной подход включает этноботанику , изучение общего использования растений в обществе, и этнофармакологию , область внутри этноботаники, которая специально ориентирована на использование растений в медицине.

Артемизинин , противомалярийный агент из сладкого червя Artemisia annua , используемый в китайской медицине с 200 г. до н.э. , является одним из препаратов, используемых в составе комбинированной терапии для лечения мультирезистентного Plasmodium falciparum .

Структурное выяснение

Выяснение химической структуры имеет решающее значение, чтобы избежать повторного открытия химического агента, который уже известен своей структурой и химической активностью. Масс-спектрометрия - это метод, при котором отдельные соединения идентифицируются на основе их отношения массы к заряду после ионизации. Химические соединения существуют в природе в виде смесей, поэтому сочетание жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии (ЖХ-МС) часто используется для разделения отдельных химических веществ. Доступны базы данных масс-спектров известных соединений, которые можно использовать для определения структуры неизвестного масс-спектра. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса является основным методом определения химической структуры природных продуктов. ЯМР дает информацию об отдельных атомах водорода и углерода в структуре, позволяя детально реконструировать архитектуру молекулы.

Заявка на новый препарат

Когда лекарство разрабатывается с доказательствами на протяжении всей истории исследований, чтобы показать, что он безопасен и эффективен для предполагаемого использования в Соединенных Штатах, компания может подать заявку - New Drug Application (NDA) - на коммерциализацию и доступность препарата. для клинического применения. Статус NDA позволяет FDA изучить все представленные данные о лекарстве, чтобы принять решение о том, одобрять или не одобрять лекарство-кандидат на основе его безопасности, специфичности действия и эффективности доз.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки

Открытие наркотиков в Керли