В областях медицина, биотехнология и фармакология, открытие лекарств - это процесс, с помощью которого открываются новые кандидаты лекарства.
Исторически лекарства открывались путем идентификации активного ингредиента из традиционных средств или случайное открытие, как с пенициллином. Совсем недавно химические библиотеки синтетических малых молекул, натуральных продуктов или экстрактов были исследованы в интактных клетках или целых организмах для выявления веществ, которые имел желаемый терапевтический эффект в процессе, известном как классическая фармакология. После того, как секвенирование человеческого генома позволило быстро клонировать и синтезировать большие количества очищенных белков, стало обычной практикой использовать высокопроизводительный скрининг больших библиотек соединений. против изолированных биологических мишеней, которые предположительно модифицируют болезнь, в процессе, известном как обратная фармакология. Результаты этих скринингов затем проверяются на клетках, а затем на животных на эффективность.
Современные открытия лекарств включают в себя идентификацию результатов скрининга, медицинскую химию и оптимизацию этих попаданий для увеличения аффинность, селективность (для снижения потенциала побочных эффектов), эффективность / активность, метаболическая стабильность (для увеличения периода полувыведения ) и пероральная биодоступность. Как только соединение, которое удовлетворяет всем этим требованиям, было идентифицировано, процесс разработки лекарственного средства может продолжаться. В случае успеха разрабатываются клинические испытания.
Таким образом, открытие современных лекарств обычно является капиталоемким процессом, который требует больших инвестиций на фармацевтическая промышленность корпорации, а также национальные правительства (которые предоставляют гранты и гарантии ссуд ). 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 г. 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, лекарственные препараты должны пройти несколько успешных этапов клинических испытаний и пройти новый процесс утверждения лекарств, который в США называется Заявка на новое лекарство.
Обнаружение лекарств, которые могут иметь коммерческий успех или успех в области общественного здравоохранения, требует сложного взаимодействия между инвесторами, промышленностью, научными кругами, патентным законодательством, исключительными правами регулирующих органов, маркетингом и необходимостью баланса скрытность при общении. Между тем, для расстройств, редкость которых означает, что нельзя ожидать большого коммерческого успеха или воздействия на общественное здоровье, процесс финансирования орфанных препаратов гарантирует, что люди, страдающие этими расстройствами, могут иметь некоторую надежду на фармакотерапевтическое достижения.
Идея о том, что действие лекарства в организме человека опосредовано специфическими взаимодействиями молекулы лекарства с биологическими макромолекулами, (белки или нуклеиновые кислоты в большинстве случаев) привели ученых к выводу, что для биологической активности лекарства требуются отдельные химические вещества. Это означало начало современной эры 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 натуральных 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 открытие фенотипических лекарств.
Позже были синтезированы небольшие молекулы, специально нацеленные на известный физиологический / патологический путь, избегая массового скрининга банков. хранимых соединений. Это привело к большому успеху, например, работа Гертруды Элион и Джорджа Х. Хитчингса по метаболизму пуринов, работа Джеймса Блэка о бета-блокаторах и циметидине, а также об открытии статинов Акирой 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 циметидина, и поддержал развитие триптанов.
Гертруда Элион, работающая в основном с группой из меньшего количества человек. более 50 человек, принимавших аналоги пуринов, способствовали открытию первого антивирусного препарата; первый иммунодепрессант (азатиоприн ), который позволил трансплантацию органов человека; первый препарат, вызывающий ремиссию лейкемии у детей; основные противораковые методы лечения; противомалярийное средство; антибактериальный; и лечение подагры.
Клонирование белков человека сделало возможным скрининг больших библиотек соединений против конкретных мишеней, которые, как считается, связаны с конкретными заболеваниями. Этот подход известен как обратная фармакология и является наиболее часто используемым подходом сегодня.
«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 идентифицированы в качестве терапевтических мишеней для лекарственных средств, одобренных FDA.
«Установленные цели» - это те, для которых существует хорошее научное понимание, подкрепленное длительной историей публикаций, как мишень функционирует в нормальной физиологии, так и как она участвует в патологии человека. Это не означает, что полностью понят механизм действия лекарственных средств, которые, как считается, действуют через конкретную установленную мишень. Скорее, «установленный» относится непосредственно к количеству базовой 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 разработки лекарств, представляют собой белки, такие как рецепторы, сопряженные с G-белками (GPCR) и протеинкиназы.
Процесс поиск нового лекарственного средства против выбранной мишени для конкретного заболевания обычно включает высокопроизводительный скрининг (HTS), при котором большие библиотеки химических веществ проверяются на их способность изменять 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 эту киназу.
Другая 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 перекрестной проверки. Перекрестный скрининг важен, потому что чем больше несвязанных мишеней поражает соединение, тем больше вероятность того, что у этого соединения возникнет нецелевое токсичность, когда оно попадет в клинику.
Маловероятно, что Идеальный кандидат на лекарство появится в результате этих предварительных проверок. Одним из первых шагов является поиск соединений, которые вряд ли будут превращены в лекарства; например, соединения, которые встречаются почти в каждом анализе, классифицированные медицинскими химиками как «интерференционные соединения для всех анализов », 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 обладают общими химическими характеристиками, тогда можно разработать один или несколько фармакофоров. На этом этапе химики-медики попытаются использовать взаимосвязь структура-активность (SAR), чтобы улучшить определенные свойства соединения-свинца :
Этот процесс потребует нескольких итерационных прогонов скрининга, в течение которого, как ожидается, свойства новых молекулярных объектов улучшатся и позволят предпочтительным соединениям перейти к in vitro и in vivo тестированию активности на модели заболевания. выбора.
Среди физико-химических свойств, связанных с абсорбцией лекарственного средства, включая ионизацию (pKa) и растворимость; проницаемость можно определить с помощью PAMPA и Caco-2. PAMPA является привлекательной в качестве раннего скрининга из-за низкого потребления лекарств и низкой стоимости по сравнению с такими тестами, как Caco-2, желудочно-кишечный тракт (GIT) и гематоэнцефалический барьер (BBB), с которым есть высокая корреляция.
Ряд параметров может использоваться для оценки качества соединения или ряда соединений, как предложено в Правиле пяти Липински. К таким параметрам относятся вычисленные свойства, такие как cLogP для оценки липофильности, молекулярная масса, площадь полярной поверхности и измеренные свойства, такие как эффективность, измерение ферментативных свойств in vitro. зазор и т. Д. Некоторые дескрипторы, такие как эффективность лиганда (LE) и липофильная эффективность (LiPE), объединяют такие параметры для оценки сходства с лекарством.
, тогда как HTS является широко используемым методом 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 может быть улучшено (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 «прикрепить» виртуальные библиотеки к цели.
Другой важный Метод открытия лекарств - это de novo разработка лекарств, в котором прогнозируются виды химических веществ, которые могут (например) вписаться в активный сайт целевого фермента. Например, виртуальный скрининг и компьютерный дизайн лекарств часто используются для выявления новых химических компонентов, которые могут взаимодействовать с целевым белком. Молекулярное моделирование и молекулярная динамика моделирование можно использовать в качестве руководства для улучшения эффективности и свойств новых лекарственных препаратов.
Существует также смена парадигмы в сообществе разработчиков лекарств, чтобы отойти от HTS, что является дорогостоящим и может охватывать только ограниченное химическое пространство для скрининга небольших библиотек (максимум несколько тысяч соединений). К ним относятся обнаружение потенциальных клиентов на основе фрагментов (FBDD) и управляемая белками динамическая комбинаторная химия. Лиганды в этих подходах обычно намного меньше, и они связываются с белком-мишенью с более слабым сродством связывания , чем хиты, которые идентифицируются с помощью HTS. Часто требуются дальнейшие модификации соединений свинца посредством органического синтеза. Такие модификации часто контролируются с помощью рентгеновской кристаллографии 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.
Фенотипический анализ также предоставил новые химические отправные точки в открытии лекарств. Было использовано множество моделей, включая дрожжи, рыбок данио, червей, иммортализованные клеточные линии, первичные клеточные линии, полученные от пациентов клеточные линии и целые животные модели. 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 когда 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 одно или два соединения будут предложены для разработки лекарств. Лучшее из них обычно называется соединением свинца, а другое - «резервным». Эти важные решения обычно поддерживаются инновациями в области вычислительного моделирования.
Традиционно многие лекарства и другие химические вещества с 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 в период с 1981 по 2006 год, 63% были природными или полусинтетическими производными природных продуктов. Для некоторых областей терапии, таких как противомикробные препараты, противоопухолевые препараты, гипотензивные и противовоспалительные препараты, цифры были выше. Во многих случаях эти продукты традиционно использовались в течение многих лет.
Натуральные продукты могут быть полезны в качестве источника новых химических структур для современных методов разработки антибактериальной терапии.
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, растительные натуральные продукты часто использовались в качестве отправной точки для открытия лекарств.
До Возрождения подавляющее большинство из лекарственных препаратов в западной медицине были экстракты 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 цветах), имеют решающее значение для правильной идентификации биоактивных и фармакологических свойств растения. Выявление новых лекарств и их утверждение для продажи оказалось жестким процессом из-за правил, установленных национальными регулирующими органами по лекарственным средствам .
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 мембран за счет высвобождения метаболитов.
Производные жасмоната (JAD) также важны для ответа на рану и регенерации тканей в растительных клетках. Также было установлено, что они обладают антивозрастным действием на эпидермальный слой человека. Предполагается, что они взаимодействуют с протеогликанами (PG) и гликозаминогликанами (GAG) полисахаридами, которые имеют важное значение внеклеточный матрикс (ECM) компоненты, чтобы помочь переделать ECM. Открытие JAD для восстановления кожи вызвало новый интерес к эффектам этих растительных гормонов в терапевтических медицинских целях.
Салициловая кислота (SA), фитогормон, первоначально был получен из коры ивы и с тех пор был идентифицирован у многих видов. Он играет важную роль в растительном иммунитете, 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 лечением боли и лихорадки. Они также играют активную роль в подавлении пролиферации клеток. Они обладают способностью вызывать смерть лимфобластных лейкозов и других раковых клеток человека. Одним из наиболее распространенных препаратов на основе салицилатов является аспирин, также известный как ацетилсалициловая кислота, с противовоспалительными и антипиретическими свойствами.
Микробы соревнуются 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 лекарственной плесенью. Классическим примером антибиотика, открытого в качестве защитного механизма против другого микроба, является пенициллин в бактериальных культурах, зараженных грибами Penicillium в 1928 году.
Морская среда является потенциальным источником новых биоактивных веществ. Арабиноза нуклеозиды, обнаруженные у морских беспозвоночных в 1950-х годах, впервые продемонстрировали, что сахарные фрагменты, отличные от рибозы и дезоксирибозы, могут давать биоактивные нуклеозиды конструкции. Только в 2004 году был одобрен первый препарат морского происхождения. Например, токсин конической улитки зиконотид, также известный как Prialt, лечит сильную невропатическую боль. Несколько других агентов морского происхождения сейчас проходят клинические испытания по показаниям, таким как рак, противовоспалительное применение и боль. Одним из классов этих агентов являются бриостатин -подобные соединения, исследуемые в качестве противораковой терапии.
Как упоминалось выше, комбинаторная химия была ключевой технологией, позволившей эффективное создание больших библиотек скрининга 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 препараты достигнуто не было. Это привело к анализу химических характеристик продуктов комбинаторной химии по сравнению с существующими лекарствами или натуральными продуктами. Концепция хемоинформатики 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, по-видимому, охватывают лишь ограниченное и довольно однородное химическое пространство, тогда как существующие лекарства и особенно натуральные продукты демонстрируют гораздо большее химическое разнообразие, более равномерно распределяясь в химическом пространстве. 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 натуральными продуктами, а атомы S и галогена чаще присутствуют в синтетических соединениях), а также уровень неароматической ненасыщенности (выше в натуральных продуктах). Поскольку и жесткость структуры, и хиральность являются общепризнанными факторами в медицинской химии, которые, как известно, повышают специфичность и эффективность соединений как лекарственного средства, было высказано предположение, что натуральные продукты выгодно отличаются от сегодняшней комбинаторной химии. библиотеки как потенциальные ведущие молекулы.
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, организмам, живущим в богатой видами окружающей среде, необходимо 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 привести к новым биологическим видам деятельности, 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 (производится французской фирмой Sanofi ), другой родственник таксола, оказался эффективным против рака простаты, также потому, что он работает, предотвращая образование микротрубочек, которые разделяют хромосомы в делящихся клетках (таких как раковые клетки). Другие примеры: 1. Камптотека (Камптотецин · Топотекан · Иринотекан · Рубитекан · Белотекан ); 2. Podophyllum (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 сфокусирована именно на медицине. использует.
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 мультирезистентного плазмодия. falciparum.
Выяснение химической структуры имеет решающее значение, чтобы избежать повторного открытия химического агента, который уже известен своей структурой и химической активностью. Масс-спектрометрия - это метод, в котором отдельные соединения идентифицируются на основании их отношения массы / заряда 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, что позволяет детально реконструировать архитектуру молекулы.
Когда лекарство разработано с доказательствами на протяжении всей истории исследований, чтобы показать, что оно безопасно и эффективно для предполагаемого использования в Соединенных Штатах, компания может подать заявку - Заявка на новое лекарство (NDA) - чтобы препарат был коммерциализирован и доступен 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.
.