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4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/051 Kombinatorische Ansätze im rational drug design Automatisierte Tests von >1000 Verbindungen an einem.

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1 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/051 Kombinatorische Ansätze im rational drug design Automatisierte Tests von >1000 Verbindungen an einem target erfordern besonders effektive Synthese- und screening Strategien: Syntheseroboter High Throughput screening Ursprüngliche Idee: Je mehr Verbindungen getestet werden, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, eine Leitstruktur zu entdecken.

2 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/052 Eigenschaften kombinatorischer Bibliotheken Je nach Anwendungszweck werden auch kombinatorsiche Bibliotheken maßgeschneidert: Random librariesdrug-like / diverse scaffolds Focused librarieslead-like / möglichst komplett für bestimmte Familie von Enzymen Targeted librariesbestimmtes Enzym / möglichst diverse Substituenten Chemogenomics

3 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/053 Aufbau von Substanzbibliotheken für das High thoughput screening (I) Die Synthese einer Vielzahl von Verbindungen ausgehend von einer Leitstruktur erforderte einen Paradigmenwechsel. Bis in die späten 80 Jahre wurden die zu testenden Substanzen jeweils einzeln und speziell synthestisiert. Die Anforderungen an das High Troughput Screening erfordern jedoch eine andere Herangehensweise. If you are looking for the needle in the haystack, it is best not to increase the size of the haystack.

4 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/054 Klassische und kombinatorische Synthese 1 Edukt * 1 Edukt = 1 Produkt Kombinatorische Synthese: Klassische Synthese: z.B: 50 Edukte * 20 Edukte = 1000 Produkte Bei mehreren Stufen z.B: 50 * 20 * 20 = Produkte

5 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/055 Synthesemethoden zur Erzeugung kombinatorischer Bibliotheken (I) Ziel ist es mit derselben chemischen Reaktion möglichst viele Verbindungen zu erhalten. Parallele Synthese (diversity orientiented) Problem: Viele Reaktionsgefäße notwendig, v.a. wenn die Synthese über mehrere Schritte erfolgt Lösungsansatz: Multikomponentenreaktionen

6 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/056 Historische Meilensteine (I) A.Strecker (1850) A.R. Hantzsch (1890) P. Biginelli (1893)

7 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/057 Historische Meilensteine (II) C. Mannich (1912) M. Passerini (1921) H.T. Bucherer (1934)

8 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/058 Historische Meilensteine (III) F. Asinger (1958) I. Ugi (1959)

9 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/059 Synthesemethoden zur Erzeugung kombinatorischer Bibliotheken (II) Ziel ist es mit derselben chemischen Reaktion möglichst viele Verbindungen zu erhalten. Parallele Synthese (diversity orientiented) Eines der größten Probleme ist die Abtrennung der Produkte aus der Reaktionsmischung, insbesondere bei nicht kristallinen Stoffen und kleinen Mengen. Lösungsansatz: Temporäre Fixierung an einen festen Träger

10 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0510 Festphasensynthese (I) Fixierung an ein funktionalisiertes Polymerharz (Polystyrolkügelchen) = bead Quervernetztes Polystyrol (1-1.5% Divinylbenzol)

11 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0511 Festphasensynthese (II) Ursprünglich entwickelt um langkettige Polypeptide zu erzeugen. Fixierung des Peptids an Polystyrolkügelchen. Lit. R. B. Merrifield J.Am.Chem.Soc. 85 (1963) Ansatz von Merrifield:

12 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0512 Festphasensynthese (V) weitere Linker Merrifield resin Wang resin Rink acid linker Fmoc geschützter Rink amine linker

13 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0513 Festphasensynthese(VI) Catch linkers

14 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0514 Festphasensynthese (VII) Abwandlung: split-and-pool strategy Ausgehend von einem Grundgerüst kann so durch splitting in jedem neuen pool das Substitutionsmuster variiert werden Technische Lösung der Abtrennung: magnetic beads

15 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0515 Synthese von Peptid-Bibliotheken Die Aufteilung der Produkte ermöglicht eine effiziente parallele Synthese, beispielsweise zum Aufbau von orthogonalen Bibliotheken: Systematisches variieren der Aminosäure an der X-ten Position eines Proteins. Erforderlich bei der Epitop-Kartierung an Antikörpern Sukzessives Einschränken der aktivesten Aminosäuren- sequenz (split-and-mix) Ac-DVXXXX-NH220 4 Peptide Ac-DVPXXX-NH220 3 Peptide Ac-DVPDYA-NH2

16 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0516 Festphasensynthese (VIII) split-and-mix strategy zum Aufbau von Peptidbibliotheken Erzeugung von Peptiden mit jeweils gleichem Ende in einer Mischung

17 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0517 Festphasensynthese (IX) Erzeugung von Peptiden mit jeweils gleichem Ende in einer Mischung

18 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0518 Synthesemethoden zur Erzeugung kombinatorischer Bibliotheken (II) Für die parallele Synthese zum Aufbau von Substanz- Bibliotheken sind zuverlässige Syntheseschritte erforderlich, die auch von Syntheserobotern ausgeführt werden können, z.B. Reduktive Aminierung Acylierung Hantzsch-Synthese von 2-Aminothiazolen Suzuki-Kopplung (Aufbau einer C-C Bindung) Ugi-Kondensation (Di-Peptide)

19 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0519 Peptidsynthese / Abfangen an fester Phase (I) Ugi-4-Komponenten Kondensation Die Reaktion eines Isocyanats mit einer Carboxylgruppe und einem Keton führt zu einem -acyloxy-amid (Passerini Reaktion). Wird zusätzlich ein Amin zugegeben, dann ensteht das entsprechene Bisamid. Nachteil: Es gibt nur wenig käufliche Isocyanate Lösung: Verwenden eines universellen Isocyanates, das als Precursor für weitere Produkte dient

20 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0520 Peptidsynthese / Abfangen an fester Phase (II) Cyclohexenimid als universelles Isocyanid für die Ugi-Kondenation Ermöglicht eine Reihe von Produkten, sowie das Abfangen an einem Harz (resin capture) : Keating & Armstrong J.Am.Chem.Soc. 118 (1996) 2574

21 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0521 Peptidsynthese / Abfangen an fester Phase (III) Cyclohexenimid als universelles Isocyanid für die Ugi-Kondenation Weitere Umsetzungsmöglichkeiten der Ugi-Produkte: Keating & Armstrong J.Am.Chem.Soc. 118 (1996) ,4-Benzodiazepine-2,5-dione

22 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0522 Anwendungen der Ugi-Kondensation (I) Synthese von lokalen Anesthetica (Morphochem, Munich)

23 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0523 Anwendungen der Ugi-Kondensation (II) Synthese von Thrombin Inhibitoren Insgesamt Produkte aus 12 Aminen, 80 Aldehyden und 16 Isonitrilen Lit: K. Illgen Chem. Biol. 7 (2000) 433

24 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0524 Kominatorische Dihydropyridine Bibliothek Lit: K.C. Nicolaou et al. in Handbook of Combinatorial Chemistry, VCH Wiley (2000) pp

25 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0525 Angiotensin converting enzyme (ACE)-Hemmer Bibliothek Lit: M.M. Murphy et al. J.Am.Chem.Soc, 117 (1995) 7029

26 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0526 Tamoxifen Synthese

27 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0527 Reaktionen an stationärer Phase Abfangen von Überschuß an stationärer Phase Analog anwendbar zum Abfangen von Nebenprodukten Häufig werden dazu Ionenaustauschersäulen benutzt Polymer-assisitierte Reinigungsverfahren: J.J. Parlow et al. Current Opin. Chem. Biol. 3 (1999) 320

28 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0528 Synthesestrategien (I) 2. Spaltung an strategischen Bindungen unter Anwendung von Retrosynthetischen Prinzipien 3. Konvergente anstatt Sequenzieller Synthese 1. Verwendung von Templaten die einfach funktionalisiert werden können

29 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0529 Multifunktionelle Template (I)

30 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0530 Multifunktionelle Template (II) Lit: S. Cheng et al. J.Am.Chem.Soc. 118 (1996) 2567

31 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0531 Synthesestrategien (II) 2. Spaltung an strategischen Bindungen unter Anwendung von Retrosynthetischen Prinzipien 3. Konvergente anstatt Sequenzieller Synthese 1. Verwendung von Templaten die einfach funktionalisiert werden können

32 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0532 Spaltung an strategischen Bindungen (I)

33 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0533 Spaltung an strategischen Bindungen (II) Lit: C.N. Selway et al. Bioorganic Med.Chem. 4 (1996) 645

34 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0534 Suzuki Kopplung (I) Lit: A. Suzuki Organomet.Chem. 576 (1999) 147 Selbst primäre Alklygruppen lassen sich mit speziellen Pd-Katalysatoren transferieren

35 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0535 Suzuki Kopplung (II) Lit: H.C. Brown et al. Organomet. 2 (1983) 1316 Synthese der Organobor Verbindungen:

36 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0536 Spaltung an strategischen Bindungen (III)

37 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0537 Spaltung an strategischen Bindungen (IV) Lit: C.N. Selway et al. Bioorganic Med.Chem. 4 (1996) 645

38 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0538 Spaltung an strategischen Bindungen (V) Lit: C.N. Selway et al. Bioorganic Med.Chem. 4 (1996) 645 Neurokinin-2 Rezeptor Antagonisten Lead compound of library Best compound found

39 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0539 Synthesestrategien (III) 2. Spaltung an strategischen Bindungen unter Anwendung von Retrosynthetischen Prinzipien 3. Konvergente anstatt Sequenzieller Synthese 1. Verwendung von Templaten die einfach funktionalisiert werden können

40 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0540 Konvergente Synthese Sequentielle Synthese Konvergente Synthese Ziele: Optimierung der Gesamtausbeute Verkleinerung der Ansatzvolumina Ermöglicht kombinatorische Bibliotheken

41 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0541 Retrosynthese (I) Konzept: Sukzessives Spalten von Bindungen an der Zielverbindung liefert potentielle Zwischenprodukte und schließlich alle denkbaren Edukte

42 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0542 Retrosynthese (II) Ansatz ist nicht wie bei der üblichen Synthese die Frage, welche Reaktionen können mit meiner Verbindung stattfinden, sondern Wie müssen meine Reaktanden beschaffen sein um die gewünschte Verknüpfung (Bindung) zu ermöglichen ? Bsp: Knüpfung einer C-C Einfachbindung mittels Suzuki-Kopplung

43 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0543 Retrosynthese (III) Eine weitere Anforderung an die Edukte ist deren Verfügbarkeit und Preis Bei Zielverbindungen mit Stereozentren ist es zudem vorteilhaft diese möglichst selektiv über entsprechende Edukte einzubringen oder zu induzieren Chiraler Pool

44 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0544 Weiterführende Literatur Stuart Warren Organic Synthesis – The Disconnection Approach John Wiley & Sons Ca. 39 Workbook, Ausleihbar über LIBERO in SULB

45 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0545 Synthesestrategien (IV) 2. Spaltung an strategischen Bindungen unter Anwendung von Retrosynthetischen Prinzipien 3. Konvergente anstatt Sequenzieller Synthese 1. Verwendung von Templaten die einfach funktionalisiert werden können 4. Auswahl diverser Komponenten für die zu synthetisierende Substanzbibliothek

46 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0546 Substanzauswahl (I) Praktisches Problem: Die Reaktion von 7622 Carbonsäuren mit 1761 Aldehyden würde mehr als 1.3 x 10 7 Verbindungen ergeben. Welches sind die vielversprechensten ? Zunächst trifft man eine Vorauswahl anhand folgender Kriterien: Sind die potentiellen Produkte schon einmal im Screening gewesen ? Kommerzielle Verfügbarkeit und Preis der Edukte Chemische Diversität - Clustering

47 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0547 Komponentenauswahl für das High Throughput Screening (HTS) Typischer eADME Filter

48 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0548 Substanzauswahl für das HTS (II) Um die Diversität eines Datensatzes bzw. einer erstellten Substanzbibliothek zu berurteilen, muß man die enthaltenen Verbindungen zu Clustern gruppieren Die Zuteilung der Moleküle erfolgt anhand ihrer gegenseitigen Ähnlichkeit (Similarität). Verwerfen ungeeigneter Cluster Ein Molekül aus jedem Cluster für HTS Erzeugen weiterer Verbindungen im selben Cluster

49 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0549 Virtual Screening (I) Anhand des chemischen Profils einer Verbindungsklasse kann man natürlich auch in vorhandenen Datenbanken nach ähnlichen Verbindungen suchen Die entsprechende Suche ist prinizipiell dasselbe wie eine Substruktursuche in CAS-online Bsp: Carbonic Anhydrase Inhibitoren Suche unter Verbindungen lieferte 3314 Moleküle Lit: S. Grüneberg et al. J.Med.Chem. 45 (2002) 3588

50 4. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS04/0550 Virtual Screening (II) In erweiterter Definition schließt das virtual screening auch weitere computerbasierte Verfahren ein wie, ADME-Filter (siehe Vorlesung 7) und Docking


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