razvoj in uvajanje novih zdravil -...

Inštitut za farmakologijo in eksperimentalno toksikologijo, Medicinska fakulteta, Univerza v Ljubljani

Razvoj in uvajanje novih zdravil

Lovro Stanovnik Inštitut za farmakologijo in

eksperimentalno toksikologijo

Razvoj novih zdravil

• Eno od osnovnih področij raziskav v farmakologiji

• Metode pri teh raziskavah:

– Enake kot v biokemiji in v fiziologiji

– Metode, specifične za farmakologijo (tako v nekliničnih kot v kliničnih raziskavah)



Značilnosti farmakoloških metod

• Zdravila naj popravljajo motnje v organizmu: – Za preizkušanje potencialnih zdravil potrebni

bolezenski modeli

– Poskusi na živalih

• Pomembna lastnost zdravil: UČINEK – Študij učinka – poskus na celi živali

– Natančnejši študij učinka zdravil Þ izolirani organi


Cilji raziskav v farmakologiji:

• Razvoj novih zdravil – Načrtovanje snovi z določenim učinkom – Ugotavljanje učinkov in drugih lastnosti nove snovi – Mehanizem delovanja novega zdravila

• Raziskave novega zdravila na človeku – klinična farmakologija – Preizkušanje novih zdravil na človeku (različne

faze kliničnih preizkusov) – Spremljanje zdravil v kliniki – nove indikacije


Pristopi pri odkrivanju novih zdravil • Zgodovinski: Cinchona (kinin) & vrbovo lubje (aspirin);

kitajska tradicionalna medicina.

• Študij bolezenskih procesov: ca dojke (tamoksifen); Parkinsonova bolezen (l-dopa).

• Študij biokemičnih in fizioloških poti: renin/angiotensin.

• Razvoj SAR za endogene ligande: Beta-adrenoceptorji (propranolol), H2-receptorji (cimetidin).

• Načrtovanje prileganja vezavnemu mestu z znano strukturo: inhibitorji angiotenzinske konvertaze.

• Slučajna odkritja (serendipity); slučajnostno presejavanje: Penicilin; dimenhidrinat; petidin.

• Genomika: Identifiikacija receptorjev; genska terapija; recombinantni materiali.

Teme predavanj:

• Analiza učinkov zdravil – odnos med koncentracijo (dozo) in učinkom

• Metode za študij receptorjev za zdravila

• Metode v klinični farmakologiji



Kako zdravila privedejo do učinka?

• Paul Ehrlich (v začetku prejšnjega stoletja): E = f (kem. interakcije med zdravilom in sestavinami tkiv)

• Pojem receptorja (v najširšem pomenu besede): Mesto vezave zdravila v (na) celici, ki omogoča nastanek učinka.


Značilnosti učinka zdravil: • Učinek zdravila se navadno pokaže že

pri zelo nizkih koncentracijah • Specifičnost (strukturna ~)

optične izomere - razlike v učinkovitosti • Selektivnost (delovanje omejeno na

določene strukture odn. tkiva) - pogojena z: – vezavo na določene celične sestavine,

prisotne le v določenih tkivih, – s farmakokinetskimi lastnostmi (omejenost

distribucije)


Tarče delovanja zdravil (receptorji v širšem pomenu)

• Receptorji za endogene ligande – mediatorje – farmakološki receptorji

• Ionski kanali (Na+, Ca++, K+, Cl- …..)

• Transportni sistemi (ledvice, protonska črpalka, Na+,K+-ATPaza, ….)

• Encimi (MAO, karboanhidraza, PD5, ……)

• Nukleinske kisline (purini, pirimidini Ü citostatiki)


Povezava med aktivacijo receptorjev in učinkom

Receptorji – ionski kanali (ligand gated ion channels


Ligand-gated ion channels – LGIC • Integral membrane proteins that form a pore which

allows the regulated flow of selected ions across the plasma membrane

• LGICs – fast synaptic transmission, millisecond timescale, in the nervous system and at the somatic neuromuscular junction. – Excitatory, cation selective:

• nicotinic Ach-R, • 5-HT3-R, • ionotropic glutamate R, • P2X R

– inhibitory, anion-selective R: • GABAA, • glycine R


Receptorji, sklopljeni s proteinom G (Protein G Coupled Receptors)


G-protein Coupled Receptors – GPCR


Family Class A (Rhodopsin-like)

Class B (Secretin)

Class C (Glutamate) Adhesion Frizzled

R with known ligands 197a 15 12 0 11

Orphans 87 - 8 26 0

Sensory (olfaction) 390 - - - -

Sensory (vision) 10 opsins - - - -

Sensory (taste) 30 taste 2 - 3 taste 1 - -

Sensory (pheromone)

5

vomeronasal 1

- - - -

Total 719 15 22 33 11

GPCR • 5-Hydroxytryptamine R • Acetylcholine R (muscarinic) • Adenosine R • Adhesion Class GPCRs • Adrenoceptors • Angiotensin R • Apelin R • Bile acid R • Bombesin R • Bradykinin R • Calcitonin R • Calcium-sensing R • Cannabinoid R • Chemerin R • Chemokine R • Cholecystokinin R • Class Frizzled GPCRs • Complement peptide R • Corticotropin-RF R • Dopamine R • Endothelin R • Estrogen (G protein-

coupled)¸R • Formylpeptide R

• Neuropeptide R • Neurotensin R • Opioid R • Orexin R • Oxoglutarate R • P2Y R • Parathyroid hormone R • Peptide P518 R • Platelet-activating factor R • Prokineticin R • Prolactin-releasing peptide R • Prostanoid R • Proteinase-activated R • Relaxin family peptide R • Somatostatin R • Succinate R • Tachykinin R • TRH R • Trace amine R • Urotensin R • Vasopressin and oxytocin R • VIP and PACAP R


• Free fatty acid R • GABAB R • Galanin R • Ghrelin receptor • Glucagon R family • Glycoprotein hormone R • Gonadotrophin-releasing

hormone R • GPR18, GPR55 and GPR119 • Histamine R • Hydroxycarboxylic acid R • Kisspeptin receptor • Leukotriene R • Lysophospholipid (LPA) R • Lysophospholipid (S1P) R • Melanin-concentrating

hormone R • Melanocortin R • Melatonin R • Metabotropic glutamate R • Motilin receptor • Neuromedin U R

Katalitični receptorji


Catalytic receptors • Cytokine receptor family

– IL-2 receptor family – IL-3 receptor family – IL-6 receptor family – IL-12 receptor family – Prolactin receptor family – Interferon receptor family – IL-10 receptor family – Immunoglobulin-like family of IL-1

receptors – IL-17 receptor family

• GDNF receptor family • Integrins • Natriuretic peptide receptor

family • Pattern Recognition receptors

– Toll-like receptor family – NOD-like receptor family

• Receptor kinases – Other protein kinases – Receptor Guanylate

Cyclase (RGC) family – TK: Tyrosine kinase

• Receptor tyrosine kinases

– TKL: Tyrosine kinase-like • Receptor

serine/threonine kinase (RSTK) family

• Receptor tyrosine phosphatases (RTP)

• Tumour necrosis factor (TNF) receptor family


Jedrni receptorji


Nuclear hormone receptors

• Nuclear hormone receptors – Thyroid Hormone Receptors – Retinoic acid receptors – Peroxisome proliferator-

activated receptors – Rev-Erb receptors – Retinoic acid-related orphans – Liver X receptor-like receptors – Vitamin D receptor-like

receptors – Hepatocyte nuclear factor-4

receptors – Retinoid X receptors

– Testicular receptors – Tailless-like receptors – COUP-TF-like receptors – Estrogen-related receptors – Nerve growth factor IB-like

receptors – Fushi tarazu F1-like

receptors – Germ cell nuclear factor

receptors – DAX-like receptors

• Steroid hormone receptors – Estrogen receptors – 3-Ketosteroid receptors


Zdravila, ki inducirajo CYP

Encimi


Enzymes

Enzyme families: • EC 1.-.-.- Oxidoreductases; • EC 2.-.-.- Transferases; • EC 3.-.-.- Hydrolases; • EC 4.-.-.- Lyases; • EC 5.-.-.- Isomerases; • EC 6.-.-.- Ligases. Many more enzymes than receptors Many drugs that target prokaryotic enzymes are effective medicines, Generally, enzyme inhibition – main mechanism


Transporterji


Transporters – ATP-binding cassette transporter family – F-type and V-type ATPases – P-type ATPases

• Na+/K+-ATPases • Ca2+-ATPases • H+/K+-ATPases • Cu+-ATPases • Phospholipid-transporting ATPases

– Major facilitator superfamily (MFS) of transporters

– SLC superfamily of solute carriers


Ion channels


Ion channels Second largest target for existing drugs after G protein-coupled receptors

– Voltage-gated ion channels • CatSper and Two-Pore channels • Cyclic nucleotide-regulated channels • Potassium channels

– Calcium-activated potassium channels – Inwardly rectifying potassium channels – Two-P potassium channels – Voltage-gated potassium channels

• Transient Receptor Potential channels • Voltage-gated calcium channels • Voltage-gated proton channel • Voltage-gated sodium channels

– Ligand-gated ion channels – Other ion channels

• Aquaporins • Chloride channels • Connexins and Pannexins • Sodium leak channel, non-selective



Mesta delovanja zdravil

Target numbers as of December 2014


Vrste delovanja zdravil • Agonizem – agonisti • Antagonizem

– Farmakološki antagonizem – na nivoju receptorjev • kompetitivni reverzibilni • kompetitivni ireverzibilni • nekompetitivni antagonizem

– Kemijski antagonizem – Fiziološki antagonizem (na različne R-

sisteme)

– Fenomenološka razdelitev: presegljiv – nepresegljiv


Analiza odnosa med koncentracijo agonista in njegovim učinkom

CILJI: • Zvedeti kaj več o interakciji med

agonistom in receptorjem • Primerjati učinkovitost različnih agonistov • Določati lastnosti in tip antagonistov • Ugotavljati tipe in podtipe receptorjev

(Ü antagonisti!!) • Določanje selektivnosti zdravil


Tipi farmakoloških modelov


S kakšno funkcijo opišemo odnos med koncentracijo in učinkom?

• Proces saturacije • Langmuirova adsorpcijska

enačba – razne transformacije


Interakcija med agonistom in receptorjem

1

2

signalne potik

kA R AR E¾¾®+ ®®®®¬¾¾

t

D

R AAR

K A

é ùé ùê úê úë û ë ûé ù

ê úë û é ùê úë û

×=

+

ß

ß

ß

V ravnotežju: ß


Funkcije, ki opisujejo odnos med koncentracijo in učinkom

[ ]50

m AAEC

E E=

é ùë û

×+

[ ]50

p

pp

m A

AECE E

=é ùë û

×+

Logistična funkcija


Grafični prikazi odnosa med koncentracijo agonista ([A]) in

učinkom (E)

• Linearen (glede na skalo na abscisni osi - koncentracija)

• Semilogaritmičen (prednost: srednji del linearen)

• Po Lineveawer-Burku – 1/E =f(1/[A])

Presenter

Presentation Notes

Katere funkcije opisujejo CRR? Kako jo izberemo?


Kako določimo parametre funkcije?

• Parametri funkcije: Em, EC50, p

• Izbira oblike funkcije (linearne oblike manj zanesljive)

• Prilagajanje krivulje eksperimentalnim podatkom

• Metoda najmanjših kvadratov

ß

• Računalniški programi


Opredelitve učinkovitosti agonistov:

• Maksimalni učinek (učinkovitost, efficacy)

• EC50 (moč, potency) (ED50)

• Prednost zdravil z večjo močjo?


Povezave med [A], [AR] in E

[A]

E

Določena s poskusom


Povezave med [A], [AR] in E

?

[A]

E


Teorije receptorjev • Okupacijske (učinek povezan z

deležem zasedenih receptorjev) – Klasična okupacijska (Ariëns)

– Stephensonova (Furchgot)

– Operativni pristop (Black in Leff)

• Alosterična


Teorije receptorjev klasična okupacijska - Ariëns

[ ]50

m AAEC

E E=

é ùë û

×+

t

D

R AAR

K A

é ùé ùê úê úë û ë ûé ù

ê úë û é ùê úë û

×=

+

[ ]E ARa= ×

[ ]m tE Ra= ×



intrinzična aktivnosta ®

0 1a® ®antagonist agonist

delni agonist



• Določanje KD direktno iz odnosa med koncentracijo in učinkom

• Primeri delnih agonistov (alkaloidi Secale, nekateri antagonisti b)

[ ]D

m AA

E EK=

é ùë û

×+ 50DK EC=


• Predpostavka ne drži v vseh primerih

• močni (polni) agonisti :

– Em ç [AR]<< [Rt]

– EC50 < KD

• Dokazi : nekomp. antagonisti : vezavne študije

• Modifikacije klasične okupacijske teorije (Furchgot, Black in Leff)

[ ]m tE Ra= ×


Alosterična teorija receptorjev


Alosterična teorija

• Receptor aktiven tudi brez prisotnosti agonista

• Agonisti: večja afiniteta za Ra

• Antagonisti: enaka afiniteta za Ri in Ra

• Pojem inverznih agonistov: večja afiniteta za Ri ® zmanjšanje ‘bazalne’ aktivnosti receptorja

Presenter

Presentation Notes

Regulation of the activity of a receptor with conformation-selective drugs. The ordinate is some activity of the receptor produced by Ra, the active receptor conformation (e.g., stimulation of adenylyl cyclase). If a drug D selectively binds to Ra, it will produce a maximal response. If D has equal affinity for Ri and Ra, it will not perturb the equilibrium between them and will have no effect on net activity; D would appear as an inactive compound. If the drug selectively binds to Ri, then the net amount of Ra will be diminished. If there is sufficient Ra to produce an elevated basal response in the absence of ligand (agonist-independent constitutive activity), then activity will be observably inhibited; D will be an inverse agonist. If D can bind to receptor in an active conformation Ra but also bind to inactive receptor Ri with lower affinity, the drug will produce a partial response; D will be a partial agonist.


Antagonizem

• Antagonisti v terapevtiki Þ večji pomen kot agonisti

• Delni agonisti • Inverzni agonisti • Eksperimentalno:

– diferenciacija receptorjev – ugotavljanje mesta oz. mehanizma

delovanja agonistov


Merjenje učinkovitosti antagonistov

• pA2 - Schild 1947

• Negativni logaritem tiste koncentracije antagonista, ki učinek dvojne koncentracije agonista zmanjša na velikost učinka enojne koncentracije (Schildova definicija)

• pA2 = pKB (neg. log disociacijske konstante kompleksa antagonist-receptor)


Pomen določanja pA2

• Metoda: Schildov graf (Schild plot) • Merilo učinkovitosti antagonistov • Metoda za diferenciacijo receptorjev in

določanje njihovih podtipov • Cilj raziskav v farmakologiji: čimbolj

selektivna zdravila • Diferencirani receptorji (podtipi) in

selektivni antagonisti (agonisti)


Izolirani organi

• Pogoji za delovanje – primerno okolje (hranilna raztopina): – Izotoničnost – Primerna temperatura – pH – Ionska sestava (variacije) – Glukoza

• Kaj merimo? – Kontrakcijo (mišica) – Sekrecijo (žleze) – Električne pojave (vzdražne celice, membrane)


Izolirane mišice • Progasta mišica:

– Diafragma podgane (pogosto v kombinaciji z n. phrenicus) – živčno-mišični stik

– Gastrocnemius kunca • Gladka mišica:

– Traheja budre (receptorji za Hi, M-R, R za LT, PAF) – Ileum budre (M-R, R za Hi, LT, PG, 5-HT, SP, VIP, NO) – Vas deferens podgane (simpatična inervacija) – Žilni preparati – različni deli arterij (simpatična inervacija, R

za NO, Hi, PG, endotelin, …) • Srčna mišica:

– Srce po Langendorfu (kontrakcija, perfuzija, električni pojavi)

– Desni in levi atrij (kontraktilnost, pri desnem tudi frekvenca; simp. in parasimp. inervacija, R za Hi, kardiotonični glikozidi)

– Trak ventrikla – Papilarna mišica


Žlezni preparati

• Izoliran želodec (miš, budra) – Vplivi na sekrecijo kisline – R za Hi, gastrin, PG, M-R, …. – PPI

• Izolirani mastociti (podgana) – Študij snovi ki vplivajo na sproščanje Hi

• Tkivne rezine – sproščanje raznih snovi


Uporaba izoliranih organov

• Analiza odnosa med koncentracijo in učinkom

• Primerjava učinkovitosti agonistov in antagonistov

• Raziskave mehanizma delovanja novih snovi (delovanje na določen tip R, agonisti, antagonisti, delni agonisti)

• Stimulacija izoliranih organov: – agonisti – električna stimulacija živca, ki jih inervira – stimulacija z električnim poljem

Druge oblike krivulj odnosa med dozo in učinkom

• Bifazne krivulje (oblika J ali obrnjen U)

• Predvsem v študijah na kompleksnejših sistemih – cel organizem

• Hormeza (Hugo Schultz, nemški farmakolog, 1853–1932) ormaw


c l

razvoj in uvajanje novih zdravil -...

Documents