Molecularly imprinted

polymers

in the drug discovery

process

Daniel L. Rathbone

School of Life and Health Sciences, Aston University, Birmingham
B4 7ET, UK

Advanced Drug Delivery Reviews 57 (2005) 1854–
1874

Polimery imprintowane

MIPs = molecularly imprinted polymers
Otrzymywane są w wyniku
kopolimeryzacji monomerów funkcyjnych
ze środkiem sieciującym w obecności
cząsteczek matrycowych. Po usunięciu
wzorca powstają wnęki wiążące
komplementarne pod względem wielkości
i kształtu do matrycy.

Polimery imprintowane

Zalety:
• zdolność do selektywnego wiązania

tej substancji, dla której zostały
zaprojektowane oraz związków o
zbliżonej budowie strukturalnej

• duża wytrzymałość fizyczna i

chemiczna

• długi „czas życia”
• prostota otrzymywania
• względnie niski koszt

Zastosowanie:
• tworzenie biblioteki związków o

nieznanej aktywności biologicznej
(zarówno o działaniu
terapeutycznym, jak i toksycznym)

• planowanie syntezy związków o

znanej aktywności biologicznej

Polimery imprintowane

Zastosowanie

polimerów

imprintowanych

w tworzeniu

modeli

imitujących

receptory

Model imitujący

receptor steroidowy

MIP imitujący receptor steroidowy
wg Cheonga

wzorzec: testosteron

związek sieciujący: glikol etylenowy
kwasu dimetakrylowego

monomer: kwas metakrylowy

MIP imitujący receptor steroidowy
wg Cheonga

• rozpoznaje testosteron oraz 4 inne

spokrewnione steroidów z różną
skutecznością: β-estradiol, progesteron,
propionian testosteronu oraz estron

• siła wiązania steroidu do MIPu zależy

od obecności grupy –OH w pozycji 17
(obecna tylko w testosteronie i β-estradiolu)

• zamiana związku sieciującego (glikol

etylenowy na glikol propylenowy) zwiększa
siłę wiązania
z β-estradiolem w porównaniu do
testosteronu

MIP imitujący receptor steroidowy
wg Piscopo

wzorzec: 17β-estradiol

związek sieciujący: glikol etylenowy
kwasu dimetakrylowego

monomer: 4-winylopirydyna

MIP imitujący receptor steroidowy
wg Piscopo

• rozpoznaje 17β-estradiol oraz 4

spokrewnione steroidy: 17α-estradiol,
estron, estriol oraz 17α-
etylenoestradiol

• z niewielką skutecznością rozpoznaje

również inne estrogeny

MIP imitujący receptor steroidowy
wg Tarbina i Sharmana (wariant 1)

wzorzec: heksesterol

monomer: metakrylan 2-
dietyloaminoetylu

MIP imitujący receptor steroidowy
wg Tarbina i Sharmana (wariant 2)

wzorzec: heksesterol

monomer: akrylamid

• zwiększenie skuteczności

wiązania niesteroidowych
składników
estrogenowych
(dietylostilbesterol,
dienestrol) w porównaniu
do składników
steroidowych

• niewielka skuteczność

wiązania składników
estrogenowych

MIP imitujący receptor steroidowy
wg Tarbina i Sharmana

MIP imitujący receptor steroidowy
wg Ye (wariant 1)

wzorzec: 17β-estradiol

związek sieciujący: glikol etylenowy
kwasu dimetakrylowego

monomer: kwas metakrylowy

MIP imitujący receptor steroidowy
wg Ye (wariant 2)

wzorzec: dienestrol

związek sieciujący: glikol etylenowy
kwasu dimetakrylowego

monomer: kwas metakrylowy

MIP imitujący receptor steroidowy
wg Ye

• skutecznie rozpoznaje składniki steroidowe
• z mniejszą skutecznością rozpoznaje składniki

niesteroidowe

Model imitujący

receptor dla folianów

Naśladowanie receptorów

dla folianów

Kwas foliowy

Wykorzystane szablony:

• Screening nowych substancji o

właściwościach hamujących
reduktazę dihydrofolianową.

Cel:

1. Metotreksat (MTX)
2. Trimetoprim (TMP)

3. 2,4-diamino-6,7-diisopropylopterydyna (DIP)
4. Trimetrexat (TRX)

1
.

2.

3.

4
.

Testowanie polimeru

• Dichlorometan
• Kwas metaakrylowy

Polimeryzacja warunki

• Test przeprowadzany za pomocą chromatografii cieczowej

wykazał że zastosowanie DIP z grupami izopropylowymi
zwiększa szczelinę hydrofobową co może być korzystne

• Okazuje się że zastosowanie mniejszego ligandu może

pozwolić na wiązanie większego ( ugrupowanie trimetoksy
benzylowe)

• Dobre wyniki wiązalności na kolumnie mogą być związane

z dużą giętkością templatu i ligandów testowych.

Wnioski

Poprawa właściwości polimeru imprintowanego
może być zapewniona przez zmianę templatu na
bardziej dopasowany do warunków polimeryzacji.
Małe szablony mogą zapewnić dobrą wiązalność
większych cząstek w których wyst. Identyczne
lub podobne ugrupowania wiążące.
Zastosowanie mniejszych cząstek będących
fragmentami głównej struktury może
zaoszczędzić nam pracy z wymagającymi
cząstkami amfoterycznymi.

Model imitujący

receptor adrenergiczny

Naśladowanie wiązania przez

receptor adrenergiczny

Wiązanie
ligandów
w receptorach
adrenergiczny
ch zachodzi
poprzez
konserwatywn
ą resztę
asparaginy
(Asn)

Rec. Beta 2 +
agonista

Wykorzystane szablony:

• Różnicowanie agonistów i

antagonistów spośród nowych
substancji chemicznych.

Cel:

1. Epinefryna
2. + Efedryna
3. + Pseudoefedryna

1
.

2.

3.

Testowanie polimeru

• Stosunek monomer/szablon = 4/1
• Trimetylakrylan trimetylopropylu i glikolu

dimetakrylan

• Inicjacja promieniowane świetlnym

Warunki polimeryzacji

• Kolumna chromatograficzna
• Polimer okazał się stereoselektywny
• At. węgla beta ważniejszy w rozpoznawaniu ligandu
• Związki z ugrupowaniem katecholowym (1,2

dihydroksyfenylowym) wiążą się mniej specyficznie

• Zwiększanie odległości miedzy gr aminowa a fenylową

zmniejsza wybiórczość polimerów

Planowanie grup wiążących

polimeru

Synteza polimerów na ściankach

naczyń wielodołkowych

• Synteza polimeru w środowisku

wodnym

• Użycie adrenaliny jako templatu

Cel:

Wynik doświadczenia:

• Polimery osadzone na ściankach płytek

wielodołkowych

• Otrzymanie polimeru który wiąże ilościowo

ligandy sprzężone z peroksydazą
chrzanową

Warunki Polimeryzacji

• Test wiązalności polimer imprintowany vs

polimer kontrolny wobec ligandów
sprzężonych z peroksydazą chrzanową.

• Polimer oparty na epinefrynie mocniej

wiązał związki z ugrupowaniem
katecholowym (agonistów)

Testowanie polimeru

• Kwas 3-aminofenylo borowy
• Szablon: adrenalina lub fenylefryna

Wnioski

• Dwa różne podejścia do syntezy polimerów o

aktywności adrenergicznej ujawniają mnogość
możliwości

• Stereoselektywność pierwszego polimeru
• Rozróżnienie agonistów od antagonistów przez

drugi polimer

• Synteza w środowisku niewodnym jak i wodnym
• Synteza na ściankach płytek wielodołkowych

daje nowe narzędzie do szybkiego screeningu
leków

• Polimery tworzace ziarna można wykorzystać do

rozdzielania substancji na kolumnach

Model imitujący receptor

dla alkaloidów chinowych

Imprintowanie

• Jako wzorce użyto

• Monomer funkcjonalny: kwas

metakrylowy

• Związek sieciujący: dimetakrylan glikolu

etylenowego

Cechy syntetyzowanych MIP

• Selektywność dla wzorców
• Wysoka stereospecyficzność

Zastosowanie

• Wysoka stereospecyficzność

polimeru może zapewnić skuteczne
rozdzielenie enancjomerów (np.
Propranololu)

• Stworzony polimer może posłużyć

do wykrywania molekularnych
podobieństw farmakoforów w
różnych związkach

Model imitujący

receptor α2-adrenergiczny

Imitacja receptora adrenergicznego

alfa2

• Jako wzorce użyto

• Monomer funkcjonalny: kwas metakrylowy
• Związek sieciujący: dimetakrylan glikolu

etylenowego

Eksperyment z

bakteriofagami

• Użyto biblioteki fagowej (zbiór fagów u których zaszła

ekspresja różnych heksapeptydów na powierzchni
otoczki wirusa).

• Eksperyment miał na celu ustalenie sekwencji peptydu

która wykazywałaby cechy farmakofora jak w
johimbinie.

Przebieg eksperymentu

• Na MIP zadano wszystkie wirusy, u których zaszła

ekspresja heksapeptydu który mógłby wykazywać
cechy farmakofora
jak w johimbinie.

• Fagi nie przyłaczone wymyto.
• Wirusy przyłączone namnożono poprzez

zainfekowanie nimi bakterii E.coli ( procedurę
powtórzono 5 razy).

• Ostatni zbiór namnożonych wirusów z ekspresją

heksapeptydu na ich powierzchni, wykazywał
trzykrotnie większe powinowactwo do MIP niż na
samym początku.

Wyniki i wnioski

• Peptyd: Lys–Lys–His–Val–His–Arg
• Zaobserwowano że wyizolowana populacja faga z

określonyh heksapeptydem na swojej powierzchni,
ma takie samo powinowactwo do polimeru
nieimprintowanego( blank polimer) jak do MIP.

• Ustalono, że powyższy wynik może mieć związek

z hydrofilowym charakterem i o pozytywnym
ładunkiem sekwencji peptydu na powierzchni
wirusa (interakcja
z ujemnie naładowanymi grupami karboksylowymi
z sieci polimeru).

Propozycje rozwiązania

problemu

• MIP w postaci cienkiego filmu:

zapewniłby lepszy dostęp steryczyny
bakteriofagów
z peptydami do miejsc
imprintowanych

• Zamiana funkcjonalnego monomeru

na niejonowy. Wyeliminowałoby to
problem tworzenia się wiązań poza
miejscami imprintowanymi

Zastosowanie

polimerów

imprintowanych

w syntezie związków

biologicznie

czynnych

anti-idiotypic imprinting

wspólna

charakterystyka

regionów

zmiennych

http://www.sanidadanimal.info/cursos/inmun/images/92idio.gif

receptor-guided synthesis

dobrze określona struktura

(receptora, antygenu, agonisty)

dobrze określona struktura

(receptora, antygenu, agonisty)

MIP dla wzorca

MIP dla wzorca

produkty o poszukiwanym kształcie i

funkcji

produkty o poszukiwanym kształcie i

funkcji

Scheme 2. Adv Drug Deliv Rev. 2005 Dec 6;57(12):1854-74. Epub 2005 Oct 14.
Molecularly imprinted polymers in the drug discovery process.
Rathbone DL.

inhibitor kalikreiny

GENERATION OF COMPOUND LIBRARIES UTILIZING MOLECULAR IMPRINTS INCLUDINGA DOUBLE OR ANTI-
IDIOTYPIC APPROACH
Patent Application Publication May 24, 2012 US 2012/0129730 A1

GENERATION OF COMPOUND LIBRARIES UTILIZING MOLECULAR IMPRINTS INCLUDINGA DOUBLE OR ANTI-
IDIOTYPIC APPROACH
Patent Application Publication May 24, 2012 US 2012/0129730 A1

GENERATION OF COMPOUND LIBRARIES UTILIZING MOLECULAR IMPRINTS INCLUDINGA DOUBLE OR ANTI-
IDIOTYPIC APPROACH
Patent Application Publication May 24, 2012 US 2012/0129730 A1

100%

21%

34%

0%

combinatorially selective

synthesis

MIP +

znany

inhibitor

MIP +

znany

inhibitor

naczynie

z

wieloma

związkam

i

naczynie

z

wieloma

związkam

i

MIP +

nowe

inhibitory

MIP +

nowe

inhibitory

D.L. Rathbone, Y. Ge, Selectivity of response in fluorescent polymers imprinted with N 1 -benzylidene pyridine-2-carboxa-midrazones,
Anal. Chim. Acta 435 (2001) 129–136.

„drug screening”

Użyteczność hybrydowych MIP

w projektowaniu nowych

substancji leczniczych

MIP

• Wynik screeningu na modelu MIP

zależy od przyjętego wzorca

• Użycie kilku wzorców może ulepszyć

model receptora

Bowman et. al. (1998)

• trzy pojedyncze wzorce o dużym powinowactwie

do receptora β- atenolol, propranolol, s-
timolol

• załadowano kolumnę HPLC mieszaniną tych

trzech MIP

• przetestowano szereg β-blokerów

– naldolol, pindolol >> atenolol, propranolol

• przetestowano serię 25 związków o zróżnicowanej

strukturze

– zwiększone powinowactwo związków

z β-aminoalkoholem

Rathbone et al. (2005)

•sztuczny receptor podobny do CYP2D6
•na podstawie modelu teoretycznego

CYP2D6, zaproponowano szereg
substratów

– co najmniej 1 zasadowy atom azotu

oddziałujący z grupą karboksylową
w łańcuchu bocznym Asp301 lub Glu216
(template’y 1-3)

– dodatkowo wybrano kodeinę jako sztywny

substrat CYP2D6

•monomer funkcyjny dodatkowo

zaopatrzono w związek wykazujący
fluorescencję (związek wiążący się
z receptorem tłumił fluorescencję)

Rathbone et al. (2005)

• MIPs + panel leków

– polimer 1 nie związał

żadnego (za mały)

– polimer 3 nie był

specyficzny (za duży)

– polimer z kodeiny

rozpoznał połowę, ale
nie był specyficzny dla
substratów CYP2D6

– polimer 2 okazał się

najlepszy