E-screening af lægemidler
Computerbaserede metoder integrerer medicinalkemi og farmaci og gør det muligt både at optimere et lægemiddelstofs biologiske aktivitet og dets biotilgængelighed.
Af Flemming Steen Jørgensen, Jørgen Bonefeld Kristensen og Inge Thøger Christensen
Fra Lægemiddelforskning 2001
Udviklingen af et nyt lægemiddel er en kompliceret, langvarig og kostbar proces. Ofte er det nødvendigt at fremstille titusindvis af stoffer, hvoraf et eller måske et par stykker efter 5-10 års arbejde ender som nye lægemidler. Det er selvsagt klart, at medicinalindustrien forsøger at optimere udviklingsprocessen, som kan sammenlignes med et forhindringsløb, hvor der ved hver forhindring skilles nogle deltagere fra. Oprindelig var det medicinalkemikernes job at fremstille et potentielt lægemiddelstof med passende aktivitet og selektivitet. Lægemiddelkandidaten blev derefter sendt videre i systemet med henblik på at opnå en farmaceutisk formulering, som sikrede, at lægemiddelstoffets biotilgængelighed var passende, så det blev optaget i kroppen og nåede det ønskede virkningssted.
For blot få år siden indså man nødvendigheden af at bestemme disse egenskaber så tidligt som muligt under udviklingen af et nyt lægemiddel. Man er derfor begyndt at udvikle computerbaserede metoder, som alene ud fra et stofs kemiske strukturformel kan forudsige stoffets opløselighed, absorption, transport, metabolisme, udskillelse og senest toksicitet.
Den største betydning af de nye metoder er, at beregningerne gør det muligt at kombinere de medicinalkemiske og farmaceutiske undersøgelser. Med computernes hjælp kan medicinalkemikerne nu samtidig med optimeringen af aktivitet og selektivitet sikre sig, at de fremstillede stoffer har passende egenskaber og biotilgængelighed i kroppen.
Denne integration af de traditionelle medicinalkemiske og farmaceutiske områder stiller store krav til uddannelsen af personer indenfor begge discipliner. Det projekt, som beskrives her, er da også inspireret af og stærkt påvirket af et samarbejde mellem Institut for Medicinalkemi og Institut for Farmaci.
Forudsigelse af egenskaber
Vi har som udgangspunkt valgt at udvikle to forholdsvis enkle metoder, fordi de skal være tilstrækkeligt hurtige til, at hundredvis eller måske tusindvis af stoffers egenskaber kan forudsiges i løbet af nogle minutter.
Tidsfaktoren er vigtig, fordi man i dag designer og fremstiller biblioteker med tusindvis af stoffer i de indledende faser under udviklingen af et nyt lægemiddel. Her er det nødvendigt, at stofferne - samtidig med, at de er strukturelt forskellige - opfylder bestemte krav til opløselighed, absorption, transport, metabolisme og udskillelse. Tidsforbruget for begge beregningsmetoder er kun omkring 1 sekund pr. stof. Den ene metode, vi har udviklet, bygger på det princip, at et stof består af forskellige atomer og hvert af disse atomer bidrager til stoffets egenskaber. En tre-dimensionel model konstrueres ud fra stoffets kemiske struktur, og hvert atoms bidrag til stoffets vandtilgængelige overflade beregnes. For hver atomtype vægtes arealet nu med en koefficient, som er karakteristisk for atomtypen, og endelig lægges bidragene fra alle atomerne sammen.
Ved den anden metode, fragmentmetoden, deles stoffet op i fragmenter svarende til funktionelle grupper og ringsystemer. Hvert fragment antages at bidrage med en karakteristisk værdi og ved sammenlægning af bidragene fås værdien for den aktuelle egenskab, som vi vil vide noget om.
Begge metoder har indtil nu været anvendt til forudsigelse af egenskaber som vandopløselighed, absorption i mavetarm-kanalen og transport over blod-hjerne-barrieren.
- Beregning af acetylsalicylsyres vandopløselighed efter ATW WASA princippet. ATW står for Atom-Type Weigthed og WASA står for Water-Accessible Surface Area. Baseret på en traditionel kemisk formel konstrueres en tre-dimensionel model af molekylet. Denne model bruges til at beregne, hvor meget de enkelte atomer bidrager til den vandtilgængelige overflade. Overfladearealet for hvert atom multipliceres med en koefficient, som er karakteristisk for hver atomtype, og derved opnås tal for, hvor meget de enkelte atomer bidrager til den vandige opløselighed. Endelig summeres bidragene fra alle atomerne og man får molekylets vandige opløselighed. HCar henviser til brintatomer bundet til et aromatisk kulstofatom og Osp2 henviser til iltatomerne i carbonylgrupperne.
- Beregning af acetylsalicylsyres vandopløselighed ved hjælp af fragmentmetoden. Med udgangspunkt i stoffets kemiske formel identificeres karakteristiske grupper eller fragmenter og deres antal bestemmes. For acetylsalicylsyre finder vi f.eks. en methylgruppe, fire-CH= grupper, en estergruppe osv. Opløseligheden beregnes derefter ved at summere bidragene fra hver af disse fragmenter.
Vandopløselighed
Når et lægemiddel indtages gennem munden, typisk i form af en tablet, skal lægemiddelstoffet først opløses i maven eller tarmen, dernæst passere tarmvæggen og endelig optages i blodet, som sørger for den videre transport.
Vandopløseligheden har altså stor betydning for mængden af tilgængeligt lægemiddelstof i mave-tarm-systemet og dermed for absorptionen og biotilgængeligheden af lægemiddelstoffet.
Vi har brugt begge de nye computermetoder til at beregne vandopløseligheden af 1292 strukturelt meget forskellige stoffer. Til denne type forudsigelse var fragmentmetoden bedst (for andre egenskaber er det omvendt), og vandopløseligheden af stofferne kunne forudsiges relativt sikkert.
- Figuren viser en tredimesionel model af acetylsalicylsyre, hvor atomerne er farvet efter type (ilt er rød, kulstof hvid og brint lyseblå). Den vand-tilgængelige overflade, dvs. den overflade, som afspejler, hvor tæt et vandmolekyle kan komme på acetylsalicylsyre, er vist som en halvgennemsigtig sky rundt om modellen.
pH-afhængig opløselighed
Det er ikke kun et stofs vandopløselighed ved neutral pH, som har interesse i lægemiddelsammenhæng. Såfremt stoffet skal opløses i mavesækken, er det også vigtigt at kende dets opløselighed i sur væske.
Vi har derfor forsøgt at udvide begge metoder til ikke blot at kunne forudsige opløseligheden i rent vand, men også til at estimere opløselighedens afhængighed af pH. Desværre vanskeliggøres dette af manglen på eksperimentelt bestemte pHopløselighedsdata. Indtil nu er det dog lykkedes os at forudsige opløseligheden som funktion af pH for simple stoffer, som kun indeholder en svagt sur eller en svagt basisk gruppe. Ovennævnte er kun nogle eksempler på de mange egenskaber, som computerbaserede metoder kan bruges til at forudsige. Metoderne er for tiden inde i en rivende udvikling, og de anvendes allerede ved udvikling af nye lægemidler.
