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. 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Eigenschaften kombinatorischer Bibliotheken Je nach Anwendungszweck werden auch kombinatorsiche Bibliotheken maßgeschneidert: Random libraries drug-like / diverse scaffolds Focused libraries lead-like / möglichst komplett für bestimmte Familie von Enzymen Targeted libraries bestimmtes Enzym / möglichst diverse Substituenten Chemogenomics 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

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. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Klassische und kombinatorische Synthese Klassische Synthese: 1 Edukt * 1 Edukt = 1 Produkt Kombinatorische Synthese: z.B: 50 Edukte * 20 Edukte = 1000 Produkte Bei mehreren Stufen z.B: 50 * 20 * 20 = 20 000 Produkte 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

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 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Historische Meilensteine (I) A.Strecker (1850) A.R. Hantzsch (1890) P. Biginelli (1893) 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Historische Meilensteine (II) C. Mannich (1912) M. Passerini (1921) H.T. Bucherer (1934) 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Historische Meilensteine (III) F. Asinger (1958) I. Ugi (1959) 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

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 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Festphasensynthese (I) Fixierung an ein funktionalisiertes Polymerharz (Polystyrolkügelchen) = bead Quervernetztes Polystyrol (1-1.5% Divinylbenzol) 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Festphasensynthese (II) Ursprünglich entwickelt um langkettige Polypeptide zu erzeugen. Fixierung des Peptids an Polystyrolkügelchen. Ansatz von Merrifield: Lit. R. B. Merrifield J.Am.Chem.Soc. 85 (1963) 2149. 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Festphasensynthese (V) weitere Linker Merrifield resin Wang resin Rink acid linker Fmoc geschützter Rink amine linker 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Festphasensynthese(VI) Catch linkers 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

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 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

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 Ac-DVXXXX-NH2 204 Peptide Ac-DVPXXX-NH2 203 Peptide Ac-DVPDYA-NH2 Sukzessives Einschränken der aktivesten Aminosäuren-sequenz (split-and-mix) 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Festphasensynthese (VIII) split-and-mix strategy zum Aufbau von Peptidbibliotheken Erzeugung von Peptiden mit jeweils gleichem Ende in einer Mischung 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Festphasensynthese (IX) Erzeugung von Peptiden mit jeweils gleichem Ende in einer Mischung 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

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) 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Peptidsynthese / Abfangen an fester Phase (I) Ugi-4-Komponenten Kondensation Die Reaktion eines Isocyanats mit einer Carboxylgruppe und einem Keton führt zu einem a-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 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

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 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Peptidsynthese / Abfangen an fester Phase (III) Cyclohexenimid als universelles Isocyanid für die Ugi-Kondenation Weitere Umsetzungsmöglichkeiten der Ugi-Produkte: 1,4-Benzodiazepine-2,5-dione Keating & Armstrong J.Am.Chem.Soc. 118 (1996) 2574 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Anwendungen der Ugi-Kondensation (I) Synthese von lokalen Anesthetica (Morphochem, Munich) 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Anwendungen der Ugi-Kondensation (II) Synthese von Thrombin Inhibitoren Insgesamt 15 360 Produkte aus 12 Aminen, 80 Aldehyden und 16 Isonitrilen Lit: K. Illgen Chem. Biol. 7 (2000) 433 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Kominatorische Dihydropyridine Bibliothek Lit: K.C. Nicolaou et al. in Handbook of Combinatorial Chemistry, VCH Wiley (2000) pp. 659-660 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Angiotensin converting enzyme (ACE)-Hemmer Bibliothek Lit: M.M. Murphy et al. J.Am.Chem.Soc, 117 (1995) 7029 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Modern Methods in Drug Discovery WS04/05 Tamoxifen Synthese 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

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 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Synthesestrategien (I) 1. Verwendung von Templaten die einfach funktionalisiert werden können 2. Spaltung an strategischen Bindungen unter Anwendung von Retrosynthetischen Prinzipien 3. Konvergente anstatt Sequenzieller Synthese 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Multifunktionelle Template (I) 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Multifunktionelle Template (II) Lit: S. Cheng et al. J.Am.Chem.Soc. 118 (1996) 2567 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Synthesestrategien (II) 1. Verwendung von Templaten die einfach funktionalisiert werden können 2. Spaltung an strategischen Bindungen unter Anwendung von Retrosynthetischen Prinzipien 3. Konvergente anstatt Sequenzieller Synthese 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Spaltung an strategischen Bindungen (I) 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Spaltung an strategischen Bindungen (II) Lit: C.N. Selway et al. Bioorganic Med.Chem. 4 (1996) 645 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Modern Methods in Drug Discovery WS04/05 Suzuki Kopplung (I) Selbst primäre Alklygruppen lassen sich mit speziellen Pd-Katalysatoren transferieren Lit: A. Suzuki Organomet.Chem. 576 (1999) 147 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Modern Methods in Drug Discovery WS04/05 Suzuki Kopplung (II) Synthese der Organobor Verbindungen: Lit: H.C. Brown et al. Organomet. 2 (1983) 1316 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Spaltung an strategischen Bindungen (III) 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Spaltung an strategischen Bindungen (IV) Lit: C.N. Selway et al. Bioorganic Med.Chem. 4 (1996) 645 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Spaltung an strategischen Bindungen (V) Neurokinin-2 Rezeptor Antagonisten Lead compound of library Best compound found Lit: C.N. Selway et al. Bioorganic Med.Chem. 4 (1996) 645 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Synthesestrategien (III) 1. Verwendung von Templaten die einfach funktionalisiert werden können 2. Spaltung an strategischen Bindungen unter Anwendung von Retrosynthetischen Prinzipien 3. Konvergente anstatt Sequenzieller Synthese 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Modern Methods in Drug Discovery WS04/05 Konvergente Synthese Sequentielle Synthese Konvergente Synthese Ziele: Optimierung der Gesamtausbeute Verkleinerung der Ansatzvolumina Ermöglicht kombinatorische Bibliotheken 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Modern Methods in Drug Discovery WS04/05 Retrosynthese (I) Konzept: Sukzessives Spalten von Bindungen an der Zielverbindung liefert potentielle Zwischenprodukte und schließlich alle denkbaren Edukte 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Modern Methods in Drug Discovery WS04/05 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 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Modern Methods in Drug Discovery WS04/05 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“ 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Weiterführende Literatur Stuart Warren „Organic Synthesis – The Disconnection Approach “ John Wiley & Sons Ca. 39 € Workbook, Ausleihbar über LIBERO in SULB 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Synthesestrategien (IV) 1. Verwendung von Templaten die einfach funktionalisiert werden können 2. Spaltung an strategischen Bindungen unter Anwendung von Retrosynthetischen Prinzipien 3. Konvergente anstatt Sequenzieller Synthese 4. Auswahl diverser Komponenten für die zu synthetisierende Substanzbibliothek 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Modern Methods in Drug Discovery WS04/05 Substanzauswahl (I) Praktisches Problem: Die Reaktion von 7622 Carbonsäuren mit 1761 Aldehyden würde mehr als 1.3 x 107 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 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Komponentenauswahl für das High Throughput Screening (HTS) Typischer eADME Filter 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Substanzauswahl für das HTS (II) Um die Diversität eines Datensatzes bzw. einer erstellten Substanzbibliothek zu berurteilen, muß man die enthaltenen Verbindungen zu Clustern gruppieren Verwerfen ungeeigneter Cluster Erzeugen weiterer Verbindungen im selben Cluster Ein Molekül aus jedem Cluster für HTS Die Zuteilung der Moleküle erfolgt anhand ihrer gegenseitigen Ähnlichkeit (Similarität). 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Modern Methods in Drug Discovery WS04/05 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 90000 Verbindungen lieferte 3314 Moleküle Lit: S. Grüneberg et al. J.Med.Chem. 45 (2002) 3588 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05

Virtual Screening (II) In erweiterter Definition schließt das virtual screening auch weitere computerbasierte Verfahren ein wie, ADME-Filter (siehe Vorlesung 7) und Docking 4. Vorlesung Modern Methods in Drug Discovery WS04/05