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6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/061 Informationsfluß in einer drug discovery pipeline.

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1 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/061 Informationsfluß in einer drug discovery pipeline

2 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/062 eADMET Prediction early Absorption Distribution Metabolism Elimination Toxicology Pharmacokinetic Bioavailability

3 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/063 ADME Modelle (I) Folgende Modelle werden für das in silico design benötigt Primäre Modelle Löslichkeit intestinale Absorption Bioverfügbarkeit Metabolische Stabilität Blut-Hirn-Schranke Permeation Mutagenizität Cardiatische Toxizität (hERG) Plasmaprotein Bindung Sekundäre Modelle Transport (Aufnahme und Efflux) Allgemeine Toxizität Hepatotoxizität (PXR, CAR) Nephrotoxizität Immunogenizität Neurotoxizität (Rezeptorbindung) Drug-Drug Wechselwirkungen (Cytochrom P450)

4 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/064 ADME Modelle (II)

5 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/065 Warum ist die Voraussage der ADME Parameter so wichtig ? Gründe die zum Fehlschlag eines potentiellen Wirkstoffs führen

6 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/066 Warum ist die Voraussage der ADME Parameter so wichtig ? (II) Zeil ist es, ungeeignete Verbindungen möglichst frühzeitig zu erkennen: Schonung von Resourcen Vermeidung unnötiger klinischer Tests Je später ein Wirkstoff zurückgezogen werden muß, desto teuerer wird es. Fail early, fail fast, fail cheap

7 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/067 Komponentenauswahl für das High Throughput Screening (HTS) Typischer eADME Filter

8 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/068 Solvatation kontra Löslichkeit G solv logS

9 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/069 Löslichkeitsmodelle (I) Die Berechnung der Löslichkeit aus einem thermodynamischen Zyklus (Gitterenergie, Solvatationsenergie) wäre prinzipiell möglich, jedoch ist 1.Die Voraussage der Gitterenergie praktisch kaum möglich da dies die Raumgruppe des Kristalls erfordert 2.Die Berechnung der Solvatationsenerge selbst fehlerbehaftet ist Deshalb kommen vorwiegend QSAR Ansätze zur Anwendung

10 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0610 Löslichkeitsmodelle (II) Deskriptoren: Konnektivitätsindices Lit. C. Zhong et al. J.Pharm.Sci. 92 (2003) 2284 r 2 =0.89, q 2 = 0.84, se = 0.98, n=120, F=297.80

11 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0611 Löslichkeitsmodelle (III) Weitere Ansätze zeigen, daß die verwendeten Deskriptoren die Lipophilie, H-Brückenbindungseigenschaften und Flexibilität der Verbindungen wiedergeben müssen Lit: A. Cheng et al. J.Med.Chem. 46 (2003) 3572 D. Butina et al. J.Chem.Inf.Comput.Sci. 43 (2003) 837 Neben klassischen QSAR-Gleichungen kommen zunehmend auch Neuronale Netze zum Einsatz Lit: A. Yan et al. J.Chem.Inf.Comput.Sci. 43 (2003) 429 J.K. Wegener et al. ibid 43 (2003) 1077

12 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0612 Absorption Wieviel und wie schnell wird der Wirkstoff aufgenommen ? Praktischerweise sollte ein Pharmakon oral appliziert werden können Es wird nach der Magen- passage vom Darm ins Blut resorbiert. (Über die Pfort- ader zunächst in die Leber)

13 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0613 Absorption im duodenum (I) Aufnahme des Wirkstoffes in den Blutkreislauf Ausschnitt aus der Darmwand

14 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0614 Absorption im duodenum (II) Aufnahme des Wirkstoffes in den Blutkreislauf Ausschnitt aus der Darmwand

15 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0615 Absorption im duodenum (III) Modell der ZellmembranPhospholipid De Groot et al. Science 294 (2001) 2353

16 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0616 Caco-2 Zellen Monolayer Experimenteller Ansatz zur Voraussage der intestinalen Absorption Monolayer aus einer Kultur von Zellen die eigentlich von einem Dickdarmkrebs stammen. Vorteil: Reproduzierbare Ergebnisse, relativ gute Übereinstimmung mit in vivo Studien Nachteil: Diese Zellen besitzen etwas andere metabolische Eigenschaften als Zellen des Dünndarms (MDR1 Transporter überexprimiert) Daneben kommen neuerdings auch synthetische Membranen zum Einsatz

17 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0617 Welche Faktoren bestimmen die passive Diffusion durch Lipiddoppelschichten ? Phospholipiddoppelschichten sind im Inneren lipophil Deshalb sollten lipophile Moleküle sie schneller passieren Deskriptor: logP (water/n-octanol partition coefficient) Kleine Moleküle sollten die Membran schneller durchdringen als größere Deskriptor: Molekülgewicht (MW) und Molekülform Phospholipiddoppelschichten weisen eine hydrophile äußere Oberfläche auf Deskriptoren: Anzahl von H-Brücken Donoren und Akzeptoren Beobachtung: Die Permeation geht mit der Lösungswärme einher

18 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0618 Molekülbasierte Deskriptoren zur Voraussage der ADME Eigenschaften logP Wasser/Octanol Verteilungskoeffizient Lipinskis rule Topologische Indices Polar surface area Similarität / Dissimilarität QSAR quantitative structure activity relationship QSPR quantitative structure property relationship

19 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0619 Lipinski´s Rule of 5 Kombination von Deskriptoren zur Abschätzung der intestinalen Absorption. Schlechte Aufnahme der Verbindung, wenn C.A. Lipinski et al. Adv. Drug. Delivery Reviews 23 (1997) 3. Molekülmasse > 500 logP > 5.0 > 5 H-Brücken Donoren (OH und NH) >10 H-Brücken Akzeptoren (N und O) Schlechte Diffusion Zu lipophil Zuviele H-Brücken mit den Kopfgruppen der Membran

20 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0620 Polar Surface Area (PSA) Wie bei allen 3D Deskriptoren ist auch die PSA im Prinzip abhängig von der Konformation. Die PSA ist definiert als der Bereich der van der Waals Oberfläche des Moleküls, der von den polaren Stickstoff- und Sauerstoffatomen, sowie den an sie gebundenen Wasserstoffen herrührt. Maß für die Ausbildung von H-Brücken

21 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0621 Absorptionsmodelle Lit: D.E. Clark, J.Pharm.Sci. 8 (1999) 807; Drug Discovery Today 5 (2000) 49; K. Palm et al. J.Med.Chem. 41 (1998) 5382 Neue Arbeiten zeigen allerding, daß auch ohne Berücksichtigung verschiedener Konfomere eine gute Korrelation zur Caco-2 Absorption und Aufnahme im Menschen (%FA) besteht. Vollständige Aufnahme (>90%) wenn PSA<60 A 2 Schlechte Aufnahme ( 140 A 2

22 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0622 Pharmacokinetik und Bioverfügbarkeit Quantitative Auseinandersetzung des Organismus mit einem einverleibten Pharmakon Der Köper/Organismus wird als offenes System betrachet, daß nach jeder Störung/Arzneimittelzugabe versucht, den Gleich- gewichtszustand wiederherzustellen Dazu teilt man den Körper in eine Reihe von Räumen (compartments) auf, zwischen denen ein Fließgleichgewicht herrscht

23 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0623 Distribution / Invasion Der Gesamtweg des Medikamentes läßt sich in Einzelschritte aufteilen: 1)Diffusion im Lösungsmittel 2)D. durch Gewebs- und Gefäßmembranen 3)Transport durch das Blut 4)a) D. zu den target Rezeptoren b) D. in andere Kompartimente c) D. in Eliminationsorgane 5)Irreversible Elimination Absorption Invasion (nach Dost) Distribution Hohe Eliminationskonstante: Kurzzeitnarkotika Niedrige Eliminationskonstante: Antibiotika

24 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0624 Verteilungsvolumen und Dosierung Die Dosisierung richtet sich nach dem Verteilungsvolumen

25 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0625 Invasion / System exposure (II) Nur mittels intravenöser Gabe ist die volle Konzentration sofort verhanden. Ansonsten überschneiden sich Invasion und Elimination. Dies entspricht physicochemisch einer Folgereaktion Nur Invasion Nur Elimination Rasche Invasion Rasche Elimination Therapeutische Bandbreite

26 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0626 Das Dostsche Prinzip (I) Wie verhält sich der Konzentrationsverlauf bei unterschiedlichen Dosen ? Total clearance: Volumen das pro Zeiteinheit geklärt wird Zwischen zwei Meßzeiten erhält man die Fläche S (Transit) unter der Kurve durch Integration der Batemanfunktion als korrespondierende Flächen entsprechen dem Verhältnis der Dosen

27 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0627 Das Dostsche Prinzip (II) Die Referenzkurve erhält man durch intravenöse Gabe der Dosis Occupancy = meßbare Konzentration Transit = bereits irreversibel eliminierte Menge Transfer = Occupancy + Transit = absorbierte Menge Availments = noch zur Invasion anstehende Menge

28 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0628 Daten für Pharmakokinetische Modelle Chemische DatenBiologische Daten VerteilungskoeffizientenAnatomische Abmessungen Metabolische UmsatzratenBlutfluß durch Organe V max, K m, K i Organvolumina Löslichkeit DampfdruckAtmung DiffusionsgeschwindigkeitKörpergewicht Proteinbindungskonstanten Alter, Geschlecht, Ausmaß körperlicher Aktivität

29 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0629 Pharmakokinetische Modelle (I) Kompartimentmodelle Annahme: keine metabolische Umsetzung in den Verteilungsräumen Darm Leber Blut Niere Konzentrationverlauf läßt sich über lineare Differentialgleichungen berechnen

30 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0630 Pharmakokinetische Modelle (II) Blutkreislauf als elektrisches Netzwerk (1930) Per Analogrechner simulierbar (variable Steckverbindungen zwischen den Modulen) Anwendbarkeit: Narkotika (geringe Metabolisierung, lipophil, werden abgeatmet)

31 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0631 Distribution Je nach Ziel muß der Wirkstoff vom Plasma aus weitere Kompartimente erreichen. Bei Wirkstoffen die auf das zentrale Nervensystem wirken muß die Blut-Hirn-Schranke passiert werden. Umgekehrt sollten andere Wirkstoffe die Barriere nicht überwinden. Auch der aktive Transport von Stoffen kommt in Betracht

32 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0632 Eiweißbindung / Distribution (I) Die Konzentration von Wirkstoffen kann durch Bindung an Eiweiße verringert werden. Dies gilt sowohl für das Plasma, die extracelluläre und die interstitielle Flüssigkeit. Die Bindung erfolgt gemäß der Langmuirsche Absorptionsisotherme (Absorptionswärme unabhängig vom Belegungsgrad) und erfüllt damit das Massenwirkungsgesetz Neben Proteinen können auch Mucopolysaccharide (Binde- und Stützgewebe) absorbieren Im Gleichgewicht ist keine Veränderung meßbar, und damit

33 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0633 Metabolismus (I) (Bio-)chemische Reaktionen von Xenobiotica im Körper Phase I: Oxidation, Reduktion und Hydrolyse Cytochrom P450 Enzyme Phase III: Elimination durch Transporter Phase II: Konjugation mit kleinen Molekülen (z.B. Glutamin) First pass effect: Extensive Umsetzung von vorwiegend lipophilen Molekülen, solchen mit MW>500, oder die eine spezifische Affinität zu bestimmten Transportern haben, bei der ersten Passage durch die Leber

34 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0634 Metabolismus (II) Experimentelle (in vitro) Methoden: Leber Mikrosomen vom Menschen, Hepatocyten und rekombinante P450 Isozyme (exprimiert in E. coli)

35 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0635 Elimination / Exkretion Unter Elimination werden alle Vorgänge zusammengefaßt, die zur Entfernung eines Stoffes aus einem Kompartiment führen. Diese können auch metabolischer Art sein. Lipophile Stoffe können über die Galle, hydrophile Stoffe über den Harn ausgeschieden werden. Allgemein gilt: MW 500 Galle Galle & Harn Harn

36 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0636 Elimination / Clearance Überblick der metabolischen Pfade

37 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0637 Elimination / Clearance (III) Physicochemisch gesehen ist die Eliminierung eines Stoffes ein Zerfallsprozess 1. Ordnung (abhängig von der jeweils vorhandenen Konzentration des Stoffes)

38 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0638 Was ist die Blut-Hirn Schranke (BBB) ? Querschnitt durch ein Blutgefäß Nach: J.-M. Scheerman in Pharmacogenomics, J.Licinio & Ma-Li Wong (Eds.) Wiley-VCH (2002) pp

39 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0639 Wozu dient die Blut-Hirn Schranke ? Die in silico Vorhersage der Permeabilität der Blut-Hirn Schranke (BBB) einer Verbindung im Rahmen der vorklinischen Entwicklung ist besonders wichtig, da Nur Substanzen die auf das zentrale Nervensystem (CNS) wirken, sollen die Blut-Hirn Schranke effektiv überwinden. BBB-Screening ist besonders teuer (Tierversuche kaum vermeidbar: Mikrodialyse, Isotopenmarkierung)

40 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0640 Blood-Brain Barrier (BBB) Lit. D. E. Clark, J. Pharm. Sci. 8 (1999) 815 Als Maß für das Durchdringen der Blut-Hirn Schranke wird der Logarithmus des Verhältnis der Konzentrationen angegeben logBB = log([im Hirn]/[imBlut]) Bereich: bis Vorwiegend im Blut -1.0 < logBB < 0.3 vorwiegend im Hirn Experimentell ist der logBB Wert nur schwer zugänglich (Isotopenmarkierung, Mikrodialyse) und auch Modelle aus künstlichen Membranen (Endothelial Zellen) sind noch in der Entwicklung

41 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0641 Blood-Brain Barrier (II) Lit. D. E. Clark, J.Pharm.Sci. 8 (1999) 815 F. Lombardo et al. J.Med.Chem. 39 (1996) 4750 Im Gegensatz zur Absorption aus dem Duodenum spielt hier die Polarität der Verbindungen eine große Rolle, die nicht durch die PSA beschrieben werden kann. Bsp: PSA logBB ClogP Polarisierbarkeit(AM1) Benzol Methylpentan Entsprechend läßt sich eine QSRP-Gleichung aufstellen logBB = a PSA + b ClogP + c mit r = 0.887

42 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0642 Bisher benutzte Deskriptoren Folgende Terme korrelieren direkt mit logBB: logP Polar surface area hydrogen-bond donors and acceptors size and shape fragment based (MlogP, ClogP,...) contributions from N, O and H atoms numerical count molecular volume and globularity

43 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0643 Deskriptoren für Größe und Form Bezug zur Molekülform haben: Molekülvolumen, Globularität, Anzahl drehbarer Bindungen Globularität: Verhältnis der Oberfläche (unter der Annahme das Molekül wäre eine Kugel) zur tatsächlichen Oberfläche. Immer < 1 Hauptkomponenten der Molekülgeometrie: Ausdehnung des Moleküls im dreidimensionalen Raum

44 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0644 Neue Deskriptoren für Größe und Form - Deskriptoren wie etwa die Globularität sind korreliert mit dem Molekülgewicht und der Anzahl der H-Atome + Ersatz durch drei Terme die aus der Molekülgeometrie abgeleitet werden PCGC PCGA PCGB

45 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0645 BBB-Model mit 12 Deskriptoren Lit: M. Hutter J.Comput.-Aided.Mol.Des. 17 (2003) 415. Deskriptoren hauptsächlich aus QM Rechnungen: Elektrostatische Oberfläche, Hauptkomponenten der Geometrie,H-Brücken Eigenschaften

46 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0646 ADME - Historische Entwicklung 1960 Corwin HanschQSAR für kleine Datensätze logP für Toxizität 1980 in vitro Studien ersetzen in vivo Studien 1990 Erste in silico ADME Modelle (Computer) 1997 Lipinskis Rule of Five zur Absorption Docking in Proteinstrukturen Homologiemodellierung von Proteinen (CYP P450) 2002 X-Ray Struktur von human CYP2C X-Ray Struktur von human CYP3A4

47 6. VorlesungModern Methods in Drug Discovery WS05/0647 Web-basierte online Tools Lit. I.V. Tetko, Mini Rev.Med.Chem. 8 (2003) 809 Eine Reihe von Instituten und Firmen haben Server für die Vorhersage von ADME-Eigenschaften. Diese basierend zumeist auf einem Java-Applet mit dem die Moleküle gezeichnet werden können, bieten die Eingabe als SMILES-String oder als eines der vielen Formate für 3D-Strukturen an. Eine Zusammenfassung mit Hyperlinks bietet das Virtual Laboratory


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