Budowa chemiczna a działanie farmakologiczne
Zalety istnienia zależności między budową leku a jego aktywnością farmakologiczną miały pozwolić na:
projektowanie struktur chemicznych o najkorzystniejszych parametrach farmakologicznych,
ograniczenie ilości syntetyzowanych i poddawanych wstępnej ocenie (tzw. skriningowi) związków.
Działanie farmakologiczne leku zależy od:
wielu czynników fizycznych i chemicznych związanych bezpośrednio z jego strukturą,
zmiennych warunków biologicznych występujących w ustroju.
Analizowanie wpływu każdego z wymienionych czynników i następnie próby ich korelacji nie zawsze są możliwe lub nie przynoszą jednoznacznych rezultatów.
Tradycyjne metody poszukiwania zależności między budową a działaniem farmakologicznym polegają na:
syntezie serii bliskich pod względem chemicznym związków,
ich wstępnej ocenie farmakologicznej
analizowaniu zaistniałych relacji
Pozwoliły one ustalić szereg jakościowych zależności, szczególnie w obszarach pokrewnych chemicznie grup leków.
Zależności te dotyczą przede wszystkim:
1) układów podstawowych, określanych mianem „struktur farmakoforowych" lub „struktur wiodących",
2) związków izomerycznych.
Przykłady istnienia zależności między niektórymi układami podstawowymi, pochodzenia naturalnego lub otrzymanych syntetycznie, a działaniem farmakologicznym:
pochodne morfiny o działaniu przeciwbólowym,
pochodne atropiny jako parasympatykolityki,
barbiturany o działaniu nasennym,
pochodne fenotiazyn jako leki neuroleptyczne,
pochodne benzodiazepiny działające przeciwlękowo,
pochodne dihydropirydyny blokujące kanały wapniowe.
Grupy te obejmują leki zawierające ten sam układ podstawowy, ale z różnymi podstawnikami i taki sam profil działania farmakologiczne jest to swoiste „powinowactwo biologiczne"
Jakościowe zależności między budową a działaniem farmakologicznym ustalono dla związków izomerycznych: konstytucyjnych (izomerów łańcuchowych i położeniowych) i przestrzennych (izomerów geometrycznych i optycznych).
Izomery łańcuchowe i położeniowe różnią się właściwościami:
fizycznymi,
chemicznymi
farmakologicznymi,
siłą działania.
Różnice te przypisuje się lepszej rozpuszczalności w lipidach jednego z izomerów, co ułatwia penetrację do miejsc działania w organizmie.
Przykłady:
izomerii łańcuchowej: alkohole, u których wraz z rozgałęzieniem łańcucha alkilowego wzrasta współczynnik podziału, zdolność pokonywania bariery krew-mózg, co wpływa bezpośrednio na ich siłę działania nasennego
izomerii położeniowej:
chlorowcowe pochodne fenolu, stosowane jako środki odkażające. Obecność chlorowca w położeniu 2 do grupy hydroksylowej zwiększa jej jonizację, zmniejsza przez to wchłanianie i osłabia działanie bakteriobójcze w porównaniu z izomerami 3 lub 4.
estry kwasów hydroksybenzoesowych. Z trzech możliwych izomerów jedynie estry kwasu 4-hydroksybenzoesowego (aseptyny) wykazują działanie odkażające:
Stereoizomery cis-trans różnią się:
kierunkiem
siłą działania
Różnice te przypisuje się większemu powinowactwu jednej z form izomerycznych do określonych struktur receptorowych.
Aktywność farmakologiczną dwóch diastereoizomerycznych dietylstilbestroli - tylko odmiana trans, zbliżona konformacyjnie do naturalnego estradiolu, działa estrogennie podobnie jak naturalny hormon:
Różna aktywność biologiczna charakteryzuje pochodne dwóch izomerów cis- i trans-tropanoli.
Pochodną cis-tropanolu-3 (pseudotropiny) jest alkaloid kokaina o właściwościach miejscowo znieczulających
Pochodną trans-tropanolu-3 jest atropina, działająca parasympatykolitycznie:
Inne przykłady występowania tych zależności:
wielu leków, szczególnie pochodzenia naturalnego: hormony steroidowe, glikozydy nasercowe czy alkaloidy, których aktywność farmakologiczna jest związana z określoną odmianą stereoizomeryczną.
zależnością między strukturą a działaniem w grupie leków chiralnych (izomerów optycznych, czyli enancjomerów)
W lecznictwie wykorzystywanych jest szereg leków — enancjomerów:
R( —)norepinefryna, R( — )epinefryna, to jednak większość związków chiralnych jest stosowana w formie racematów.
W organizmie enancjomery wchodzące w skład racematu w zetknięciu ze środowiskiem chiralnym białkowych struktur receptorowych mogą przejawiać różną aktywność:
enancjomery działają:
w tym samym kierunku i jednakowo silnie, np.: - ibuprofen z grupy leków przeciwzapalnych,
różnie, np.: dobutamina stosowana jako
β1-adrenomimetyk (działa inotropowo dodatnio):
2) jeden z enancjomerów wykazuje aktywność farmako-logiczną, np. S(-)propranolol blokuje receptory β, R(+)propranolol jest nieaktywny:
3) jeden z izomerów działa terapeutycznie, a drugi wykazuje niepożądane działanie toksyczne, np.: S(-)lewodopa stosowana w chorobie Parkinsona; izomer R(+) wywołuje granulocytopenię:
Inne przykłady:
Tramadol trans- (- +)(-2)(dimetyloamino)-metylo(-l)3-metoksyfenylo)-cykloheksanol — lek przeciwbólowy. Izomer(+) działa 10 razy silniej od izomeru (-)
Nimodipina: ester 2-metoksyetylo-1-metyloetylowy kwasu 1,4-di-hydro-2,6-dimetylo-4-(3-nitrofenylo)-3,5-pirydynodikarboksylowego. Lek blokujący kanały wapniowe. Izomer (-) działa 2 razy silniej od racematu, a izomer (+) wykazuje działanie słabsze w porównaniu z racematem.
Talidomid: N-ftalimido-3-glutarimid, izomer R ułatwia zasypianie, izomer S działa teratogennie. Odmiana R ulega w ogranizmie racemizacji, co praktycznie wyklucza także możliwość stosowania formy R.
Przytoczone różnice w działaniu na organizm dwóch enancjomerów są z reguły spowodowane wiązaniem się z odpowiednimi receptorami i dopasowaniem tylko jednego izomeru do jego stereospecyficznej struktury. Enancjomery mogą wiązać się z receptorem w różny sposób; jest to uzależnione m.in. od struktury przestrzennej zarówno leku, jak i receptora. Efekt farmakologiczny będzie rezultatem działania pobudzającego lub hamującego na dany receptor (lek może mieć właściwości agonisty lub antagonisty danego receptora).
Śledzenie losu leków chiralnych w organizmie jest obecnie przedmiotem intensywnych badań dotyczących właściwości poszczególnych enancjomerów i ich wzajemnych relacji. Badania te obejmują nie tylko związki wprowadzone do terapii jako nowe, ale także leki racematy mające ugruntowaną pozycję w lecznictwie. Rozwijanie tego kierunku badań oprócz walorów poznawczych ma również istotne, jak wskazują przytoczone wyżej przykłady, znaczenie praktyczne. W przypadku leków racematów, w których jeden z enancjomerów wykazuje znacznie większą aktywność w porównaniu z drugim nieaktywnym lub obarczonym działaniem niepożądanym, rozdział na izomery w celu wykorzystania tylko „właściwego leku" może okazać się niezbędny. Dla określenia enancjomeru o dużej aktywności wprowadzono nazwę „eutomer", a izomer pozbawiony działania określa się nazwą „distomer".
Równolegle z badaniami dotyczącymi jakościowej zależności między strukturą i działaniem (SAR — structure activity relationship) podejmowano próby ilościowego określenia istniejących relacji (QSAR — quantitative structu-re-activity relationship). Jedna z metod opracowana przez Hanscha i wsp. w latach sześćdziesiątych ujmuje w formułę matematyczną zarówno niektóre mierzalne wartości charakteryzujące cząsteczkę związku, jak i efekt biologiczny przez nią wywołany. Jako parametry określające badany związek przyjęto stałą
hydrofobową wyrażoną za pomocą współczynnika podziału (log P) wyznaczonego w układzie «-oktanol/woda, właściwości elektronowe podstawników wyrażone stałą Hammetta oraz parametry przestrzenne związku opisane stałą Tafta. Dla wyrażenia efektu biologicznego przyjęto stężenie badanego związku, wzrastające w mierzonym czasie, wywołujące określone działanie biologiczne. Równanie matematyczne uwzględnia wymienione wyżej parametry dla związku bez podstawników (wzorcowego) oraz dla co najmniej kilku bliskich strukturalnie połączeń, zawierających określone podstawniki, co umożliwia korelację w obrębie analizowanych struktur.
Mimo wielu ograniczeń i niedoskonałości wynikających m.in. z faktu, że część przyjętych wartości parametrów można określić jako jedynie półilościowe, metoda Hanscha, uzupełniona później przez Free-Wilsona pozwoliła uzyskać wiele cennych informacji na temat zależności struktura-działanie. Uzyskano m.in. potwierdzenie ilościowej zależności między siłą działania biologicznego a niektórymi wartościami charakteryzującymi cząsteczkę związku. Potwierdzono także możliwość uzyskania podobnego efektu biologicznego przy różnych podstawnikach obecnych w badanych związkach. Występowanie tego rodzaju zależności określa się jako zjawisko bioizosteryczne. Natomiast mimo uzyskania szeregu obliczonych zależności, nie udało się na ich podstawie zaprojektować związku o oczekiwanych właściwościach biologicznych.
Ostatnie lata przyniosły znaczący postęp w badaniach nad potencjalnymi lekami, wynikający głównie ze zmiany podejścia do rozwiązywania tych problemów. Badania wcześniejsze, które można nazwać tradycyjnymi, polegały głównie na syntezie związków „wiodących" lub chemicznej modyfikacji znanych leków i poddawaniu całych serii testom farmakologicznym w nadziei uzyskania połączeń o wysokiej aktywności biologicznej i korzystnych parametrach far-makokinetycznych oraz poznania mechanizmu ich działania i miejsca wiązania, określanego jako „punkt uchwytu". W badaniach tych bardzo niewiele uwagi poświęcono substratom ustrojowym, czyli tym strukturom, z którymi wiąże się lek wywołując efekt farmakologiczny.
Kolejnym krokiem było sukcesywne poznawanie w ogranizmie miejsc wiążących, czyli receptorów, ich budowy i właściwości fizykochemicznych, a nawet sklonowania niektórych, dzięki poznaniu ich struktury I-rzędowej, w czym ogromny udział ma biologia molekularna w powiązaniu z farmakologią i dyscyplinami pokrewnymi. Osiągnięcia te stały się podstawą analizy zjawisk zachodzących na poziomie molekularnym, czyli śledzenia reakcji cząsteczek badanego związku (leku) z białkami receptorowymi lub enzymatycznymi. Stworzono tym samym podstawy dla nowego podejścia do badań nad lekiem i zaistniałymi zależnościami. W odróżnieniu od metody tradycyjnej punktem wyjścia nie jest badany związek, lecz struktura, z którą ma on reagować w organizmie. Tak więc projektowanie i synteza potencjalnych leków wymaga uprzedniego poznania struktury receptora, aby zapewnić możliwie komplementarne wiązanie związków, tzw. ligandów, z miejscami wiążącymi. W rozwijaniu tego kierunku badań zasadniczą rolę odgrywa modelowanie cząsteczkowe oparte na szybko postępującej technice komputerowej. Upraszczając, można powiedzieć, że modelowanie cząsteczkowe służy do projektowania nowych związków o określonym z góry kierunku działania farmakologicznego i badania na poziomie molekularnym mechanizmów tego działania. Sprowadza się to
w praktyce do zaprojektowania hipotetycznego związku chemicznego, pomiaru odległości między poszczególnymi elementami struktury, analizy konformacyj-nej, analizy map rozkładu gęstości elektronów. Korzystając z dostępnych programów można przewidywać niektóre właściwości fizykochemiczne, jak lipofilność czy stałe jonizacji, a także przeprowadzić klasyczną analizę zależności struktura-aktywność. Uzyskane na tej drodze informacje pozwalają ograniczyć liczbę syntetyzowanych połączeń do tych, które w badaniach in vitro wykażą znaczną aktywność i selektywność w powinowactwie do określonego receptora. Tylko wyselekcjonowane związki są następnie badane in vivo. Jest to na pewno droga krótsza i tańsza, głównie ze względu na znaczne ograniczenie liczby syntetyzowanych i testowanych farmakologicznie połączeń. Jako przykład leku wyselekcjonowanego na tej drodze przytacza się często kaptopril — lek hipotensyjny, działający jako inhibitor konwertazy angiotensywnej i należy przypuszczać, że szereg zaprojektowanych w ten sposób związków jest w stadium badań klinicznych.
Obecnie można sądzić, że zarówno metoda postępowania tradycyjnego, jak i rozwijany szczególnie ostatnio sposób wcześniejszego rozpoznania „celu molekularnego" mogą się wzajemnie uzupełniać w badaniach nad nowymi lekami i ustalaniu zależności między ich strukturą a działaniem farmakologicznym.
1.8. Zagadnienia analityczne w chemii leków
Maria Gorczyca
W obszarze zainteresowań chemii leków mieszczą się także problemy związane z chemiczną oceną jakości substancji leczniczych w aspekcie ich przydatności do sporządzania leków i potrzeb farmakoterapii. Substancja o właściwościach leczniczych musi odpowiadać ściśle określonym przez ustawodawstwo normom, gwarantującym jakość. Zbiorem podstawowych wymagań i przepisów dotyczących substancji leczniczych i form leków jest obowiązująca aktualnie Farmakopea Polska (V wydanie). Leki nie objęte farmakopeą (tzw. pozafar-makopealne) są oceniane według odrębnych, indywidualnych norm zakładowych przygotowywanych przez producenta.
Zakres badań chemicznych oceniających jakość i przydatność substancji obejmuje:
1) potwierdzanie tożsamości związku lub jego identyfikację,
2) badanie czystości,
3) określanie zawartości substancji czynnej w badanym preparacie.
Potwierdzenie tożsamości dokonuje się na podstawie danych fizykochemicznych i reakcji charakterystycznych zawartych w odpowiednich monografiach farmakopealnych lub normach producenta. Badania te w przypadku substancji jednoskładnikowych nie nastręczają na ogół większych trudności. Problemem bardziej złożonym jest natomiast potwierdzenie tożsamości preparatów kilku-składnikowych (m.in. leków recepturowych); przy braku reakcji selektywnych konieczny staje się rozdział na poszczególne składniki.
Identyfikacja związków nowych, co ma miejsce np. przy opracowywaniu norm przemysłowych, jest z reguły bardziej pracochłonna. Wymaga określenia właściwości fizykochemicznych charakteryzujących związek, potwierdzenia struktury metodami chemicznymi i spektralnymi, oraz opracowanie reakcji możliwie selektywnych, pozwalających na jego identyfikację.
Przy ustalaniu czystości substancji leczniczych obowiązują ściśle określone normy zawarte w odpowiednich monografiach Farmakopei, a dla preparatów pozafarmakopealnych w normach producenta. Zanieczyszczenia dyskwalifikujące badany lek mogą pochodzić z produkcji (zanieczyszczony substrat, rozpuszczalniki) i wtedy określane są jako zanieczyszczenia niespecyficzne. Mogą też powstawać jako produkty uboczne podczas syntezy lub jako produkty rozkładu substancji leczniczej na skutek niewłaściwego przechowywania i wpływu rozmaitych czynników przyspieszających ten rozkład (światło, wilgoć, temperatura) — ten typ zanieczyszczeń określa się jako specyficzne. Obecność któregokolwiek z przewidzianych zanieczyszczeń, w ilościach przekraczających dopuszczalne normy, może stanowić podstawę do orzeczenia o nieprzydatności leku dla terapii.
Kontrola procentowej zawartości substancji czynnej w badanym produkcie ma
również istotne znaczenie w całościowej ocenie jakości leku. Normy far-makopealne i przemysłowe określają procentową zawartość składnika czynnego wraz z dopuszczalnymi odchyleniami. Analiza ilościowa substancji jednoskładnikowej, trwałej chemicznie, jest na ogół prosta. Trudności mogą wynikać z nietrwałości niektórych związków, szczególnie w roztworach (np. leki płynne). Z podobnymi trudnościami należy się liczyć nawet przy rutynowych oznaczeniach zawartości substancji czynnej i jej metabolitów w płynach ustrojowych, szczególnie przy mikrogramowych zawartościach składników. Często w takich sytuacjach muszą być podejmowane nowe opracowania analityczne. Dotyczy to szczególnie metod ilościowych, które można wykorzystać w badaniach far-makokinetycznych. Z trudnościami w oznaczaniu ilościowym należy się także liczyć przy lekach recepturowych zawierających kilka składników. Zagadnieniom tym poświęca się ciągle wiele uwagi w opracowaniach analitycznych.
Odrębny problem w chemicznej analizie leków stanowią substancje pomocnicze, używane do sporządzania różnych form leków. Wiadomo, że ich rodzaj, właściwości i zawartość mogą mieć istotny wpływ na trwałość leku w warunkach in vitro oraz na uwalnianie i wchłanianie substancji czynnej w organizmie.
Na tle przedstawionych jedynie w zarysie podstawowych problemów związanych z chemiczną analizą leków, można scharakteryzować program dydaktyczny z chemii leków dotyczący poruszonych zagadnień. Program ten obejmuje teoretyczne i praktyczne podstawy oceny jakościowej i ilościowej substancji leczniczych mono- i kilkuskładnikowych. Zagadnieniom tym poświęcone są prawie w całości ćwiczenia z chemii leków. Zarówno zakres tematyki, jak i stosowane techniki badawcze są w głównej mierze oparte na obowiązującej Farmakopei Polskiej. Wiadomości teoretyczne niezbędne do zrozumienia i interpretacji zachodzących w toku wykonywania analiz procesów są uzupełniane w oparciu o aktualnie dostępne podręczniki i skrypty z analizy leków. Program ćwiczeń eksperymentalnych obejmuje z reguły identyfikację i potwierdzanie tożsamości substancji leczniczych, badanie czystości oraz ilościowe określanie zawartości związku czynnego. Przy założeniu opanowania podstaw klasycznej analizy jakościowej i ilościowej w ciągu poprzednich lat studiów, ćwiczenia z chemii leków pozwalają na ich weryfikację w zastosowaniu do analizy leków, a ponadto na zapoznanie się z metodami specyficznymi szeroko wykorzystywanymi przez Farmakopeę (m.in. metody chromatograficzne w zastosowaniu do potwierdzania tożsamości i czystości, czy analiza ilościowa w środowiskach niewodnych). Dobór przykładów analizowanych leków jest podyktowany w pewnym stopniu dążeniem do maksymalnego powiązania materiału ćwiczeniowego z zagadnieniami dotyczącymi pełnej charakterystyki poszczególnych grup leków, co jest przedmiotem równolegle prowadzonych wykładów.
Chemiczna analiza leków obejmuje szeroki zakres zagadnień o bardzo różnej tematyce i rozmaitych stopniach trudności przy ich rozwiązywaniu. Niektóre z tych problemów, w ujęciu bardziej kompleksowym są objęte programem wykładów i ćwiczeń z „analizy leków" w ramach studiów kierunkowych.
Rozwój nowoczesnych technik analitycznych i doskonalenie aparatury po-' miarowej przyczyniły się w znacznym stopniu do rozwiązania wielu problemów analitycznych, poprzednio nierozwiązywalnych. W miarę jednak wprowadzania do terapii nowych leków, pojawiają się często zagadnienia analityczne, wymagające nowych opracowań metodycznych.
Wyszukiwarka