Dr. Antonio DelgadoProfesor Titular de la Universidad de BarcelonaFacultad de FarmaciaUnidad de Química Farmacéutica (Unidad Asociada al CSIC) (Abril-Mayo 2009)

UNIVERSITAT DE BARCELONA

MC06: Hit to Lead Optimization

Medicinal Chemistry & Molecular DesignPrograma de doctorado: “Mechmod”

Universitat de Girona

Hit: Substance that produces a significant response in a screen (usually isolated enzymes or cell extracts) designed to reveal promising substances.

Lead: A molecular modification of a hit that produces promising activity in a whole cell, intact organ system or whole animal, confirming the relevance of the activity found in the initial screen.

Candidate drug: A lead that shows promising properties in more than one relevant animal species suffering from a model disease.

Clinical candidate: Selected molecule for further development and biological evaluation in humans.

Drug: Molecule that has passed successfully through all the above stages and advances into human use.

Some basic concepts

A suitable lead substance

Other properties that must be considered in a drug

Toxicity (acute, chronic)MutagenicityStabilityFormulabilityPatentabilityCost

Diseño racional

Azar

Origen Posibles ventajas Posibles limitaciones

Productos naturales Singularidad Solubles en agua

Estructura compleja Pequeñas cantidades

Cribado de colecciones elegidas al azar (HTS)

Diversidad Costosas Posibilidad de compuestos con propiedades físicas inadecuadas (PM, clogP)

Fármacos conocidos Propiedades adecuadas Pocas modificaciones estructurales

Limitaciones derivadas de la propiedad intelectual (patentes)

Ligando endógeno Racional Colecciones dirigidas

Conocimiento del ligando Conocimiento del proceso bioquímico

Diana terapéutica Racional Diversidad Nuevas cabezas de serie

Conocimiento de la diana terapéutica Posibilidad de compuestos con propiedades físicas inadecuadas (PM, clogP)

Posibilidades para el descubrimiento de nuevos fármacos

Origen de hits

Active compounds of natural origin• Plants

CH3O

CH3O

CH3O

NH

O

CH3O

C CH3

O

HN

HN

OO

O–

CH2OH

HH

HOH2N

HO

H

OHHO

O

HOH

O

NCH3

OCH3

NH

O

CH3

CH3

tetrodotoxina

batracotoxina

+

• Animals

colchicina

Active compounds of natural origin• Plants

N

S CH3

CH3

O

H

COOH

HHNC

O

R

Active compounds of natural origin• microorganisms

Diseño a partir de productos naturales

Farmacomodulación disyuntiva

CH3H

O

H3C

O

H3C

CH3

O

OHO

C6H5

CH3

H3C

O

OHO

F

HMGCoA-reductase inhibitors

Farmacomodulación disyuntiva(Apertura de anillos)

NH3C CH3

CH3

OHlevorfanolmetazocina

N

CH3

CO2C2H5

petidina

H3CN

CH3COC2H5

CH3

metadona

NH3C

OH

NH3C

OH

OHO

morfina

Semisíntesis (síntesis parcial)

N

S CH3

CH3

O

H

COOH

HHN

bencilpenicilina(penicilina G)

O

penicilín acilasa

N

S CH3

CH3

O

H

COOH

HH2N

6-APA

COOH

ácido fenilacético

N

S

O

H2N

RCOOH/DCC*

O

CR Cl

O

CR N3

O

CR

O

CRO

base

base

N

S

O

HN

O

R

*DCC: N,N'-diciclohexilcarbodiimidaN C N

Et3N

Semisíntesis (síntesis parcial)

Extracción a partir de las hojas de Taxus bacata (aprox 1g/Kg)

TaxolAnálogos estructurales

From hit to lead: the problem of target identification

Bioactive compounds

Targets

Rational d

esign

Forward chemical genetics(Ligand-based approach)

Reverse chemical genetics(Receptor-based approach)

GenomicsStructural knowledge

(X-ray, NMR)

Hits(natural products, HTS,

ligands)

Target identificationLigand identification

Genética química

(“chemical genetics”) 

Empleo de moléculas para obtener información alternativa y/o complementaria a la que se obtiene mediante métodos basados en la genética clásica

Y.-H. Ahn and Y.-T. Chang, Tagged Small Molecule Library Approach for Facilitated Chemical Genetics. Acc. Chem. Res. 2007, 40, 1025-1033.

D. P. Walsh and Y. T. Chang, Chemical Genetics. Chem. Rev. 2006, 106, 2476-2530.

D. R. Spring, Chemical genetics to chemical genomics: small molecules offer big insights. Chem Soc Rev 2005, 34, 472-482.

S. M. Khersonsky and Y. T. Chang, Strategies for facilitated forward chemical genetics. Chembiochem 2004, 5, 903-908.

“Forward chemical genetics”

Síntesis de nuevas moléculas y cribado orientado a la evaluación de una función celular

“Forward genetics”

Experimentos basados en la genética clásica por los que se identifican nuevos

componentes (enzimas o receptores) de un proceso celular particular

Descubrimiento de nuevas dianas celulares (proteínas)

¿Dónde actúan los compuestos?

“Forward genetics”

1. Generación de mutantes

2. Cribado para identificar alteraciones en el fenotipo (variación funcional del proceso celular de interés)

3. Identificación de las mutaciones en los genes específicos que dan lugar al fenotipo observado

4. Identificación de la proteína codificada (diana molecular) por el gen objeto de la mutación

Zebrafish (Danio rerio)adult (up) and larvae (left)

Mutated larvae

“Forward chemical genetics”

1. Generación de colecciones combinatorias (“diversity oriented synthesis “DOS”)

2. Cribado (HTS) para identificar alteraciones en el fenotipo (variación funcional del proceso celular de interés)

3. Identificación de las moléculas activas (inhibición de un proceso celular)

4. Identificación de la diana molecular (proteína inhibida)

Use target compound to pull out protein responsible for phenotype and identify gene that codes for the protein

¿Dónde actúan los compuestos?

El problema de la identificación de la diana

Ahn, Y.-H.; Chang, Y.-T., Tagged Small Molecule Library Approach for Facilitated Chemical Genetics. Acc. Chem. Res. 2007, 40, 1025-1033.

El problema de la identificación de la dianaTraditional Approach

MS microsequencing

Spring, D. R., Chemical genetics to chemical genomics: small molecules offer big insights. Chem Soc Rev 2005, 34, 472-482.

“Reverse chemical genetics”

Identificación de ligandos específicos para una proteína determinada.

“Reverse genetics”

Experimentos basados en la genética clásica por los que se pone de manifiesto la función

de una proteína determinada

Información sobre la función de una proteína particular

¿Cuáles son los ligandos una proteína?

“Reverse genetics”

1. Mutaciones dirigidas a la proteína diana

2. Cribado dirigido al estudio del fenotipo resultante

3. Inferencia de la función de la proteína diana

“Reverse chemical genetics”

1. Generación de colecciones combinatorias (“target oriented synthesis TOS”)

2. Identificación de ligandos de la proteína diana

3. Estudios celulares en presencia del ligando

4. Determinación de la función de la proteína diana

Observe phenotypic changes to determine protein function

¿Cuáles son los ligandos una proteína?

La identificación de ligando(“small-molecule microarrays”)

Ma, H.; Horiuchi, K. Y., Chemical microarray: a new tool for drug screening and discovery. Drug Discov. Today 2006, 11, 661-668.

La identificación de ligando(“small-molecule microarrays”)

Spring, D. R., Chemical genetics to chemical genomics: small molecules offer big insights. Chem Soc Rev 2005, 34, 472-482.

La identificación de ligando (“surface plasmon resonance”) (Assay Drug Dev Technol 2004, 2, 407-415)

Uso de fragmentos como ligandos(“fragment screening”)

Fragment screening: An approach to hit or lead

identification based on the selection of fragments (small

molecules with low MW).

Drug-like molecules can be regarded as the result of the

combination of two or more individual binding epitopes or

fragments.

The “rule of three” in fragment screening

Rees, D. C.; Congreve, M.; Murray, C. W.; Carr, R.Fragment-based lead discovery. Nat. Rev. Drug Discov. 2004, 3, 660-672.

Carr, R. A.; et al., Fragment-based lead discovery: leads by design. Drug Discov Today 2005, 10, 987-992.

Ligand efficiency in fragment screening

La optimización de fragmentos es más adecuada que la de “HTS hits” para llegar a compuestos que cumplan la regla de Lipinski

Methods used for fragment screening

Carr, R. A.; et al., Fragment-based lead discovery: leads by design. Drug Discov Today 2005, 10, 987-992.

Fragment screening (FS) vs HTS

Rees, D. C.; Congreve, M.; Murray, C. W.; Carr, R.Fragment-based lead discovery. Nat. Rev. Drug Discov. 2004, 3, 660-672.

HTS: Suitable forforward chemical genetics

FS: Suitable for reverse chemical genetics

Aproximaciones al “fragment screening”

Rees, D. C.; Congreve, M.; Murray, C. W.; Carr, R., Fragment-based lead discovery. Nat. Rev. Drug Discov. 2004, 3, 660-672.

Aproximaciones al “fragment screening”

Rees, D. C.; Congreve, M.; Murray, C. W.; Carr, R., Fragment-based lead discovery. Nat. Rev. Drug Discov. 2004, 3, 660-672.

Aproximaciones al “fragment screening”

Aproximaciones al “fragment screening”

Rees, D. C.; Congreve, M.; Murray, C. W.; Carr, R., Fragment-based lead discovery. Nat. Rev. Drug Discov. 2004, 3, 660-672.