Biotechnologia.pl
łączymy wszystkie strony biobiznesu
Opracowywanie nowych substancji leczniczych - projektowanie leków
25.09.2007



Corocznie rynek farmaceutyczny jest świadkiem premier kilkunastu - kilkudziesięciu nowych środków leczniczych. Przy ogólnoświatowym obrocie w sektorze farmaceutycznym rzędu ok. pół biliona USD rocznie, nasuwa się pytanie czy taka liczba nowych specyfików jest duża. Koszty opracowania i wprowadzenia na rynek nowego leku wynoszą obecnie kilkaset mln USD. Niebagatelny jest również czas liczony od zapoczątkowania badań do wprowadzenia preparatu na rynek.

Stosowanie syntetycznych środków leczniczych opierało się początkowo na wiedzy o działaniu różnorakich produktów naturalnych lub też wynikało z czystego przypadku. W1899 r. firma Friedrich Bayer & Co wprowadziła pierwszy syntetyczny lek - aspirynę, będącą pochodną kwasu salicylowego, często występującego w roślinach (np. Filipendula ulmari). Właściwości przeciwbólowe i przeciwgorączkowe tych roślin znano już w czasach starożytnych, także synteza kwasu acetylosalicylowego była już ukierunkowana na jego zastosowanie w lecznictwie.

Przypadkowe odkrycie przez Fleminga w 1928 r. przeciwbakteryjnych właściwości pleśni z rodzaju Peniciłlium, doprowadziło w 1938 r. do wyizolowania jednego z najpopularniejszych antybiotyków - penicyliny.

Początek projektowania leków notuje się na lata pięćdziesiąte ubiegłego wieku. Znaczny rozwój chemii organicznej oraz odkrycie, że istnieje pewna zależność pomiędzy strukturami związków chemicznych, a ich aktywnością biologiczną zaowocowały wprowadzeniem do lecznictwa wielu nowych syntetycznych leków. Na początku lat sześćdziesiątych firma ICI Pharmaceuticals (obecnie AstraZeneca) zsyntetyzowała chemioterapeutyk - Tamoxifen, stosowany obecnie w leczeniu nowotworu piersi.

Okres ten, nazywany również "erą chemiczną" zakończył się w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku. Wtedy też rozpoczął się w chemii organicznej kolejny etap, umożliwiający bardziej wydajną syntezę pochodnych stosowanych już leków. Lata te, były przełomowymi również w biologii molekularnej, m.in. zidentyfikowano niektóre białka, mogące być potencjalnymi składnikami środków leczniczych. Przykładem leku wprowadzonego w tym okresie jest Retrovir, będący pierwszym chemioterapeutykiem stosowanym w terapii AIDS. Wprowadziła go w 1987 r. ówczesna Wellcome. Lek ten zaprojektowano jako inhibitor odwrotnej transkryptazy wirusa HIV, zapobiegający powielaniu się wirusa.

Połowa lat dziewięćdziesiątych to całkowita zmiana oblicza przemysłu, zajmującego się poszukiwaniem nowych środków leczniczych. Rozwój chemii kombinatorycznej pozwolił na syntezę tysięcy związków chemicznych w krótkim okresie czasu. Poznano i wciąż określa się nowe potencjalne cele dla projektowanych leków. Przyczynił się do tego ogromny postęp w biologii molekularnej, pozwalający nie tylko na poznanie nowych genów, ale wręcz całych genomów. Dotychczas poznano w całości lub częściowo genomy ponad 2000 wirusów, 1800 organizmów eukariotycznych oraz ok. 1500 bakteryjnych, wśród których znajduje się wiele patogenów takich jak: wirus HIV, wirus Ebola, zarodziec malarii (Plasmodium falciparum), prątki gruźlicy (Mycobacterium tuberculosis). Bliższe poznanie genomu, a co za tym idzie jego białek i metabolizmu organizmu patogennego pozwala na określenie celów wprowadzania nowych leków. W 2000 r. wstępnie opublikowano genom ludzki. To również przyczyniło się do poszukiwania nowych białek - celów w nowoczesnych terapiach nowotworów czy chorób o podłożu genetycznym. Do rozkwitu możliwości w projektowaniu leków przyczynił się również wzrost zdolności obliczeniowej komputerów. Bez postępu w elektronice i technikach informatycznych, przerobienie tak ogromnych ilości danych w rozsądnym przedziale czasowym byłoby niemożliwe. A jak dziś wygląda opracowywanie nowego leku? Pierwszym etapem jest wybór jednostki chorobowej oraz powiązanie z nią celu (najczęściej enzymu lub białka receptorowego, ale również DNA), z którą substancja aktywna ma oddziaływać. Istnieje kilka metod wyboru celu (białka). Pierwsza, to technika wyłączenia genu ("knock out") w modelowym organizmie zwierzęcym (będącym modelem ludzkiego organizmu) lub patogennym (odpowiedzialnym za daną chorobę).

Przykładem jest w tym przypadku poszukiwanie leku skierowanego przeciw fosfatazie tyrozynowej IB, powiązanej z cukrzycą typu II. Inną metodą jest poszukiwanie białek markerowych obecnych w niektórych jednostkach chorobowych, np. białek pojawiających się w chorobach nowotworowych, a związanych z podziałami komórkowymi.

Ostatnią możliwością jest poszukiwanie genów niezbędnych dla patogennego organizmu, mających swoje odpowiedniki w genomie ludzkim. Brak odpowiednika danego genu u człowieka zwiększa szanse na to, że nowy lek będzie działał tylko na organizm chorobotwórczy, nie wywołując przy tym niepożądanych efektów ubocznych. W odniesieniu do enzymów nowa substancja powinna być inhibitorem lub też agonistą, antagonistą lub modulatorem receptora. W przypadku DNA są to substancje alkilujące, interkalatory oraz leki wiążące się w szczelinach materiału genetycznego.

Kolejnym etapem po poznaniu białka docelowego jest określenie jego struktury przestrzennej. Ma to na celu poznanie jego miejsca aktywnego, do którego wiązany będzie nowy lek. Najpopularniejsze i najdokładniejsze są metody eksperymentalne, czyli krystalografia (rentgenografia strukturalna) oraz magnetyczny rezonans jądrowy (NMR), pozwalające na poznanie białka na poziomie atomowym (tj. określenie pozycji atomów białka w przestrzeni). Inną, mniej dokładną metodą jest tzw. modelowanie homologiczne, przeprowadzane in silico. Na podstawie sekwencji aminokwasowej badanego oraz struktury innego, podobnego białka określana jest struktura badanego białka. Zarówno krystalografia, jak i NMR pozwoliły określić strukturę wielu białek, w tym enzymów znajdujących się w centrum zainteresowania firm zajmujących się projektowaniem leków. Analiza budowy centrum aktywnego enzymu pozwala na znalezienie i dopasowanie (tzw. dokowanie) cząsteczki, będącej potencjalnym inhibitorem (tzw. związek wiodący - lead compound). Metodą alternatywną jest krystalizacja białka z licznymi Ugandami, w celu sprawdzenia czy i w jaki sposób został utworzony kompleks białkoligand. Bardzo pomocna na tym etapie jest chemia kombinatoryczna, pozwalająca na syntezę tysięcy różnych analogów w krótkim czasie, a co za tym idzie umożliwiająca przyspieszenie badań przesiewowych.

Porównanie analizowanych cząsteczek (często o różnej budowie chemicznej) pozwala na wyszukanie wspólnych motywów strukturalnych, opisujących powiązania między elementami wspólnymi dla ligandów oddziałujących z danym enzymem. Jest to tak zwany farmakofor.

W publicznej bazie struktur białkowych PDB zdeponowano jak dotąd ok. 45 tys. struktur przestrzennych białek i kwasów nukleinowych. Poważne ograniczenie obu metod eksperymentalnych (krystalografia i NMR) związane jest z białkami membranowymi (w bazie PDB znajduje się zaledwie kilkadziesiąt tego typu struktur). Białka te, pełnią funkcje receptorowe i są potencjalnym celem poszukiwania nowych terapeutyków. Ogromne problemy z poznaniem struktury przestrzennej białek membranowych nie przekreślają jednak szansy uzyskania syntetycznego agonisty lub antagonisty. Z reguły odkrycie nowego receptora wiąże się z wykryciem jego naturalnego agonisty lub antagonisty. Na podstawie jego budowy chemicznej testuje się różne pochodne agonisty lub antagonisty (eksperymentalnie lub in silico), co prowadzi do poznania farmakoforu.

Określenie struktury związku wiodącego, czy też farmakoforu jest punktem wyjścia do syntezy właściwego leku. Dąży się do uzyskania związku o określonych właściwościach biologicznych, ale również fizykochemicznych i farmakokinetycz-nych, mających wptyw na formę leku. Szerokie wykorzystanie znajduje tutaj metoda QSAR (Quantitative Structure - Activity Relationships), badająca zależności między aktywnością biologiczną grupy ligandów danego enzymu czy receptora, a ich cechami fizykochemicznymi. Dzięki niej możliwe jest zbadanie, które właściwości, modyfikacje ligandów mają największy wptyw na ich aktywność oraz teoretycznie określić aktywność związków jeszcze niezbadanych, jak również poznać mechanizm oddziaływania ligand-białko. Końcowy produkt powinien charakteryzować się wysoką selektywnością, niską, a najlepiej brakiem toksyczności, dobrą rozpuszczalnością w wodzie, musi być dobrze wchłanialny, odporny na enzymy wątroby i rozkład w żołądku i musi docierać do pożądanego organu (np. leki działające na centralny układ nerwowy muszą przenikać barierę krew-mózg). Nie powinno więc być zaskoczeniem, że na początku badań analizowane są tysiące różnych związków chemicznych, a badaniom klinicznym poddaje się zaledwie kilka. I nawet tych kilka związków nie gwarantuje końcowego sukcesu. Często, dopiero w trakcie badań klinicznych mogą ujawnić się nieprzewidziane interakcje, eliminujące dopuszczenie leku do obrotu.

Od rozpoczęcia badań nad nowym środkiem leczniczym do wprowadzenia go na rynek mija kilkanaście lat. W przypadku niektórych leków, stosowanych zwłaszcza w takich chorobach jak nowotwory czy AIDS, czas ten jest nieco krótszy, co spowodowane jest potrzebą szybkiego działania. Przykładem jest Invirase (Roche), lek stosowany w terapii AIDS. Składnik aktywny jest inhibitorem protezy wirusa HIV-1 (rys. 2), odkrytej w 1987 r. Invirase wprowadzono do lecznictwa zaledwie osiem lat od zidentyfikowania białka docelowego, proteazy. Do 1997 r. pojawiły się trzy kolejne środki lecznicze będące inhibitorami proteazy wirusa HIV: Indinavir (Merck), Ritonavir (Abbott Laboratories) oraz Nelfinavir (Agouron Pharmaceuticals).

Inny powszechnie stosowany obecnie preparat, Imatinib (Gleevec w USA lub Glivec w Europie i Australii) został odkryty w 1990 r. przez naukowców z firmy Novartis, a w 2001 r. wprowadzono go do lecznictwa. Lek ten jest przede wszystkim wskazany w leczeniu przewlekłej białaczki szpikowej (CML-chronic myeloid leukaemia) z chromosomem Philadelphia (bcr-abl). U takich pacjentów jeden z enzymów działa nieprawidłowo, kinaza tyrozynowa (rys. 3) przekazuje komórce ciągłe sygnały do podziałów, efektem czego może być tworzenie się nowotworu. Imatinib jest pierwszym zarejestrowanym, selektywnym wobec nieprawidłowego enzymu inhibitorem kinaz, stosowanym w terapii przeciwnowotworowej.

Liczba poznanych dotychczas genomów różnych organizmów, a także poznanie ich metabolizmu stwarza możliwość określenia nowych celów dla terapii farmakologicznej. Selekcjonowane są nowe punkty uchwytu przyszłych leków, np. leków przeciwmalarycznych. Obecnie nie ma skutecznego farmaceutyku ani szczepionki przeciw tej chorobie. Niedawno poznano i określono strukturę ważnego enzymu, hydrolazy S-adenozylohomocysteiny z zarodźca malarii. Naukowcy pracują nad uzyskaniem skutecznych inhibitorów tego białka, mogących w przyszłości służyć jako leki zapobiegające lub powstrzymujące tę szeroko rozpowszechnioną chorobę. Poszukuje się również nowych chemioterapeutyków do walki z chorobami bakteryjnymi. Głównym problemem w stosowanych dotychczas terapiach antybiotykowych jest uodparnianie się bakterii na stosowane leki. Znalezienie nowych enzymów bakteryjnych prawdopodobnie przyczyni się do ograniczenia tego problemu. Jako przykład niech posłużą niedawno zapoczątkowane badania nad a-l,3-fukozylo-transferazą z Helicobacter pylon, bakterią związaną z chorobą wrzodową. Enzym ten odpowiada za syntezę oligosacharydów znajdujących się w ścianie komórkowej bakterii. Udowodniono, że w/w oligosacharydy są bezpośrednio związane z występowaniem nadżerek w żołądku. Synteza inhibitorów tego enzymu pozwoli na wyeliminowanie obecności bakterii w przewodzie pokarmowym człowieka.
Specyfika badań nad nowym lekiem, a także późniejsze wprowadzenie preparatu na rynek wymaga ogromnych nakładów finansowych, rzędu setek mln USD, a przede wszystkim czasu. Jest to wyjaśnieniem niewielkiej liczby wprowadzanych corocznie nowych leków.

dr Krzysztof Brzeziński


Dr Krzysztof Brzeziński, Rynek Kosmetyków i Farmaceutyków
KOMENTARZE
Newsletter