Farmakochemie

Farmakochemie

Historie

  1. etapa přírodních léčiv (= léčiva první generace)

– využití empirické metody pokus – omyl

– účinky nejen léčivé (např. psychotropní)

– další poznatky toxikologické

– v Evropě tato etapa trvalo zhruba do 16. století

– znalost účincích koky, kurave (= šípový jed)

– nevýhoda: neznalost, nestálost chemických látek

 

  1. etapa chemiatrická (= léčiva druhé generace)

– vzniká obor iatrochemie       – obor, kde k léčení se využívá chemických látek

– představitelem je P. A. Paracelsus – účinnost látky udává dávka

– do 18. století se využívali jednoduché sloučeniny Fe, Hg, Au, Ag, Pb, …

– na počátku 19. století se rozvíjí výroba organických látek izolované z rostlin

– Karl Wilhem Scheele – glycerol, kys. benzoová, jablečná, vinná, močová

– Friedrich Sertürner – izolace morfinu z opia (1803)

– průmyslová izolace chininu

 

  1. etapa chemická (= léčiva třetí generace)

– patří sem látky, které vznikly cílenou obměnou struktury sloučenin přírodního nebo syntetického původu o

známém biologickém účinku → farmakofor

– Ludwig Knorr – první chemik, který se o toto pokusil

– objevení prvních organických léčiv, které v přírodě nemají obdoby

– průmyslová syntéza kyseliny salicylové (1874)

– byly syntetizovány vitamíny a hormony (inzulín)

 

  1. etapa chemicko-biologická

– vytvoření nových oborů – biosyntéza, která využívala biologické procesy mikroorganismů → výroba ATB

– farmakologie

– QSAR (= Quantitative structure–activity relationship) – léky vzniklé touto metodou, vznikly

s využitím korelačních vztahů mezi strukturou a biologickou aktivitou sloučenin

– rozvoj biochemie objasnil podstatu transport, distribuce, metabolismu, vylučování, …

– podařilo se objasnit strukturu receptoru

 

Moderní léčiva

– kombinatoriální chemie – chemické knihovny

– systematické a pakované spojování vhodných typů stavebních bloků o různé struktuře

– dochází ke vzniku různých souborů látek o různém chemickém složení

– dokonalejší oblast hodnocení a testování léčiv

– správná výrobní praxe

 

Nanomedicína

– aplikace nanotechnologií v medicíně

– je založena na třech vzájemně se překrývajících a progresivně se rozvíjejících molekulárních technologií:

  1. Nanostrukturní materiály a zařízení

– zlepšování funkcí diagnostiky biosenzorů, cílené distribuce léčiv a vývoj inteligentních léků

 

  1. Molekulární medicína

– genomika (= využití umělých organismů)

 

  1. Molekulární stroje

– např. nanoboti, kteří umožňují prakticky okamžitou diagnostiku následovanou kauzálním zásahem

 

Farmokochemie – úvod

– zabývá se výrobou a syntézou léčiv, jejich výzkumem

– zajímá se o chemická léčiva a o pomocné látky

– obory přispívající: farmakologie, biochemie, toxikologie, analytická a organická chemie, molekulárních biologie

termíny: léčivo – je přesně definované státem

– látka či její směsi, podávané pacientovi v profylaxi (= prevence), léčení či zmírnění nemoci

léčivá látka (= substance) – jedná se o látku přírodního či syntetického původu

– má farmakologické, imunologické nebo metabolické účinky

– liší se velikostí v závislosti na receptoru

pomocné látky – nemají terapeutický účinek

– přidávají se k léčivům, aby se usnadnila výroba, aplikace (emulgátory, plniva), zvýšení jakosti

(stabilizátory)

– mohou zvýšit biologickou dostupnost

dělení:  chemické – jedná se o látky, které nám zvýší objem léčiva, nebo nám ovlivní barvu, chuť

– např. škrob, gelový základ

technické – usnadňují nebo dokonce umožňují výrobu

– např. voda, rozpouštědla

lékové formy – přizpůsobení na požadovanou cestu a cíli a musí splňovat chemické a fyzikální vlasnosti

léčivý přípravek – připravují se jistým postupem z jedné nebo více léčivých látek do příslušné lékové formy (tablety, tobolky, mastě, gely, čípky, kapky, oleje, …)

– humánní nebo veterinární

 

léčivá látka + pomocná látka → léčivý přípravek

kys. acetylsalicylová + škrob → acylpyrin

 

Aplikace léčiv

– samotné léčivo nelze podat pacientovi, proto je upraveno do lékové formy

– formu volíme podle požadovaného účinku a mechanismu působení léku

– léková forma musí splňovat určitá kritéria, zejména by měla být zachována stabilita a přesné dávkování léčiva

 

  1. Perorální podání léku

– lék se podává ústy, kdy léčivo proniká do organismu resorpcí v trávicím traktu

využití: tablety, tobolky, sirupy, kapky, roztoky, draže (= obdukety) – mají vrstvy ze sacharózy

zvláštní aplikace: bukální – umístění léku mezi vnitřní sliznici úst a dásní

sublingvální – umístění léku pod jazyk

 

  1. Parenterální podání

– při této aplikaci se obejde trávicí a vylučovací soustava

– léčiva se aplikují injekčně nebo pomocí infuzí, tedy: intravenózně, intramuskulárně nebo subkutánně

– této aplikace využíváme, když potřebujeme navodit systémový nebo velmi rychlý účinek

 

  1. Lokální (= topické) podání

– léčiva se aplikují přímo na kůži nebo sliznice, dále do oka, nosu a ucha

– dochází tedy pouze k lokálnímu účinky, až na výjimky (náplast s hormonální antikoncepcí)

– využití: čípky, gely (hydrofilní charakter), mastě (lipofilní charakter), roztoky, kapky, …

– zvláštní aplikace: vaginální, transdermální a implantáty

 

  1. Rektální podání

– léčivo se aplikuje v podobě čípků do konečníků

– léčivo je umístěno do tukového obalu, který po aplikaci taje vlivem tělesná teploty

– nedochází k dráždění GIT

 

  1. Inhalační podání

– aplikace spočívá ve vdechování léků v podobě mlhy, dýmů nebo aerosolů

 

Proléčiva = profarmaka

– neúčinné prekurzory, které se během metabolických procesů změní na účinnou formu léku

– často se vyhýbáme vedlejším účinkům

– využívají se, aby účinkovali v potřebném místě použití

Výroba léčiv

– výroba probíhá ve farmaceutických závodech nebo v lékárnách (= magistraliter)

 

dělení chemických léčiv podle biologického působení

– látky, které nahrazují chybějící látky v organismu

– hormony (inzulín, růstový) vitamíny, minerály, látky ovlivňující funkci buněk (antikoncepce), látky usmrcující infekční

onemocnění (ATB), látky zastavující dělení nádorů (cytostatika)

 

Základní pojmy z farmakologie

– obecná farmakologie se zabývá obecnými principy mezi organismy a léčivy

 

rozdělení: farmakokinetika – zabývá se osudem léčiv v organismu (procesy, které ovlivňují koncentraci léčiva na místě zásahu)

– zajímá ji závislost koncentrace/čas

farmakodynamika – zabývá se mechanismem účinku léčiv

 

Osud léčiva v organismu

  1. farmaceutická fáze – vede k uvolnění molekul léčiva z lékové formy
  2. farmakokinetická – organismus působí na léčivo
  3. farmakodynamická – léčivo působí na organismus

 

Farmakokinetická fáze

mechanismy transportu léčiv v organismu:

– transport látek po celém těle – krevní oběh, lymfatický systém

– látky jsou rozpustné ve vodě, nebo schopné se vázat na bílkoviny krevní plasmy (= globuliny)

– nutné překonat biologické membrány → cílová struktura zodpovědná za účinek léčiva

– biologická membrána – dvě vrstvy fosfolipidů

 

pohyby látek přes cytoplasmatickou membránu:

  1. pasivní přenos (= transport)

– např. difuze, osmóza

– z oblasti koncentraci do oblasti o nižší koncentraci → nevyžaduje dodávání energie

– závislost na lipofilitě látky (čím lipofilnější, tím snadněji překonává membránu)

 

  1. aktivní přenos (= transport)

– zprostředkován speciálními membránovými strukturami

– iontové kanály – lithný kation

– speciální nosič (glykoprotein)

– transport větších molekul (AMK, peptidů, cukrů)

– působí proti koncentračnímu spádu → nutnost dodání energie v podobě ATP

 

  1. exocytóza

– odstraňování odpadních látek z buňky (vezikuly)

 

  1. endocytóza

– dochází k vychlípení membrány

– do vzniklého prostoru se dostává tekutina (např. s léčivem)

– vezikul se oddělí od buněčné membrány

 

Osud léčiva po aplikaci

Organismus – jako systém propojených kompartmentů

kompartment = vzájemně propojené části, ve kterých jsou konstantní fyzikálně-chemické parametry, charakterizující

chování a pohyb léčiv

– pouze nevázané léčivo podléhá:

– farmakokinetickým procesů (absorpce, distribuce, biotransformace, eliminace)

– farmakodynamickým účinkům

 

Absorpce a distribuce léčiv

– proces (pohyb), při kterém se látka, v místě podání dostává do systémové cirkulace

– procesu odpovídá příslušná absorpční konstanta (ka)

parametr: biologická dostupnost

                   – vyjadřuje množství látky, které přejde do systémové cirkulace

 

Distribuce

– ovlivňuje se vazba na proteiny krevní plasmy

– vazba na proteiny může limitovat koncentraci léčiv v cílové oblasti

– rozvoz, rozdělení látek po systémové cirkulaci

– při distribuci dochází k transportu látek přes bariéry, přičemž některé bariéry jsou nepropustné

distribuční prostor: prostor, kam se látka může dostat přes bariéry

– parametr: distribuční objem

                    – vyjadřuje kapacitu distribučního prostoru

 

Biotransformace

– chemické reakce, které jsou katalyzovány biokatalyzátory (= vitamíny, hormony, enzymy)

– cílem celé biotransformace je přeměna látky (= léčiva) na látku rozpustnou ve vodě, kvůli lepší eliminaci

– obvykle biotransformace probíhá ve dvou fází

 

  1. fáze

– oxidační reakce (cytochrom P450) v játrech

– redukční reakce (nitoreduktáza) v endogenní sloučeninu (na původní, vlastní látku organismu)

– hydrolytické reakce (esterifikace, amidáza)

→ transformace látek na polárnější

 

  1. fáze

– syntetické (konjugační) reakce s vnitřními produkty normálního metabolismu

→ konjugáty bývají ve vodě rozpustné (pot, moč, stolice)

 

metabolity:

  1. metabolity vykazující stejný účinek jako účinná látka
  2. inaktivace, detoxikace metabolitu, vzniká neúčinnou látku
  3. aktivace metabolitu, vzniká účinná látka
  4. toxická látka (toxičtější než látka původní – methanol)

– jen ve velmi málo případech nedochází k biotransformaci

 

Eliminace

– vyloučení metabolitu léčiva z organismu

parametr: eliminační poločas, eliminační konstanta, clearens

 

Klinická farmakokinetika

– účelem léčby je udržet v organismu, v systémové cirkulaci, po určitou dobu, určitou koncentraci léčiva

– léčiva se podávají v opakovaných dávkách

 

koncentrace:

– toxická

– efektivní

– minimálně efektivní

 

Farmakodynamika

dělení podle mechanismů:

  1. specifický mechanismus účinku léčiv

– interakce produktu farmakokinetické přeměny léčiva s receptory na struktuře buňky → biologické působení

– konečným výsledkem farmakodynamické fáze je změna funkce biosystému

efektor – systém, který se aktivuje po obsazení receptoru specifickou látkou – přenos signálu (= odezva)

 

navázání léčiva na receptor:

– slabé interakce – elektrostatické síly (ion – ion, dipól – ion)

– orientace molekuly léčiva

– konformační přizpůsobení tvaru receptoru

– fixace na receptor     – vodíkové můstky, Van der Waalsovy síly, hydrofobní interakce

– komplex s minimálním obsahem Gibbsovy energie

 

– již se podařilo izolovat a charakterizovat receptor a určit jejich prostorovou strukturu → pozitivem pro vývoj léčiv

– přirozené ligandy receptorů v organismu (hormony, neurotransmitery)

receptor:        – efektorové místo, kde dochází k navázání látek

– po obsazení receptoru ligandem se primární informace

mění na odezvu

               – receptor je většinou umístěn v cytoplasmatické membráně

 

  1. receptor umožňující přenos iontů do buňky (a)

– pomocí otevíracích kanálů

  1. receptor aktivující enzym v buňce (b)

– dochází k tvorbě dalších poslů (= reakcí) = řetězová reakce

– např. steroidní hormony

  1. receptor aktivující enzymy v membráně (c)

– může ovlivnit enzymy uvnitř buňky

 

agonista – látky, které po navázání na receptor navodí podobný

účinek jako přirozený ligand

antagonista – látky, které brání navázání vlastních látek na receptor

ireverzibilní antagonista – látky, které obsadí receptor nevratně

reverzibilní antagonista – látky, které obsadí receptor pouze

na omezenou dobu

 

  1. nespecifický mechanismus účinku léčiv

– působení látky je způsobeno jen fyzikálně-chemickými vlastnostmi

– nejsou přesné požadavky na strukturu molekuly léčiva (téhož účinku lze dosáhnout s látkami s jiným složením)

– např. – těkavé lipofilní látky mohou vyvolat narkózu

– osmoticky aktivní látky neprostupují membránou, strhávají na svoji stranu a na sebe vodu, některé z nich lze použít jako projímadlo

– kyseliny a zásady se používají jako acida a antacida (látka na zvýšení a snížení tvorby žaludečních šťáv)

 

Vývoj nových léčiv

– operace, která trvá velmi dlouhou dobu (10-15 let)

Fáze výzkumu

– terapeutická i komerční hlediska

– výběr terapeutického zásadu

– volba metodik pro úvodní testování

– modifikace možných struktur

– biochemické testování in vitro, in vivo

→ preklinická fáze a klinická fáze

Preklinická fáze

– cílem je určit farmakokinetický a farmakodynamický profil:

– mechanismus účinku

– reakce na dávku a na koncentraci látky

– potenciální způsoby aplikace, lékové formy

– systémová farmakologie včetně účinku na klíčové orgány a fyziologickou odpověď

farmakokinetiku – absorpci, distribuci, metabolismus, exkreci

Klinická fáze

1. podání léku zdravému člověku – vyberou se dobrovolníci, kterým je lék podán. Hodnotí se biologická dostupnost (zda se

lék dostává lék tam, kam má)
orientační sledování farmakodynamiky – zda opravdu působí ten lék, jak má (jako analgetikum, antirevmatikum… např.

viagra byla původně vyvíjena jako lék proti angině pectoris)

komparativní studie – částí pacientům je podáno testované léčivo a části placebo nebo již vyzkoušené léčivo. Podmínkou je

randomizace (náhodný výběr pacientů do skupin).

postregistrační sledování – ověření účinků léčiva v široké klinické praxi.

 

Metody vyhledávání biologicky aktivních látek

– Metoda strukturních variací

– QSAR

– Orientační metody v hledání nových biologicky aktivních látek

– Molekulové modelování

– Kombinatoriální chemie

– Izolace látek z přírodních zdrojů

 

  1. Metody strukturních variací

– strukturní vzorec látky je rozdělen na fragmenty a zjišťuje se:

– která část je farmakofor

– která část je změnitelná bez ztráty účinku

– která část je postradatelná bez podstatného vlivu na biologickou aktivitu látky

 

Látka, na které se provádí strukturní obměny, se nazývá lead (leading structure)

Sleduje se zejména:

– rychlost vstřebávání léčiva v organismu

– pevnost vazby léčiva na bílkoviny

– schopnost léčiva podléhat biotransformačním přeměnám

– snadnost eliminace léčiva z organismu

– poměr biologické účinnosti léčiva k jeho toxicitě

 

Prostorové uspořádání jednotlivých funkčních skupin v molekule má zásadní vliv na její vlastnosti

skupinové izomery

polohové izomery – kyselina salicylová (antipyretikum, analgetikum), estery (dezinfekční látky a antiseptika PARABENY)

geometrická izomerie – kyselina fumarová (dezinficiens do nápojů), kyselina maleinová (iritant – podporuje vyprazdňování)
– vyplívá z nemožnosti rotace okolo dvojné vazby → rozdílná chemická individua lišící se

fyzikálně – chemickými vlastnostmi i biologickými vlastnostmi

chiralita (optická otáčivost) – Naproxen (S izomer je 28x účinnější než R), dextropopoxyfen (analgetikum)

– důkladné testování nových potenciálních léčiv s jedním a více stereogenními centry

– testuje se směs i každý stereoizomer zvlášť

– přednost registrace samotného eutomeru (stereoizomer chirálního léčiva s vyšší aktivitou)

Princip izosterie

– při nahrazení určitého atomu nebo skupiny

– odvozená sloučenina má podobné biologické vlastnosti

– za předpokladu zachování rozložení elektronové hustoty

– tvar molekuly ovlivňuje více biologickou aktivitu (ovlivnění dostupnosti na receptoru)

 

  1. QSAR

Quantitative structure – aktivity relationships

Kvantitativní vztahy mezi chemickou strukturou a biologickou aktivitou

Φ = f(x) x-rozdělovací koeficiend oktanol-voda, polarita, lipofilita

 

Návrh postupu QSAR

– syntetizujeme látky se stejným farmakoforem a ověříme biologickou aktivitu

– hodnoty udávající rozpustnost, reaktivitu a sterické vlastnosti zadáme do databáze, získáme hodnoty regresních koeficientů

– matematicky získáme maxima těchto hodnot

– syntetizujeme sloučeniny, jejichž struktura co nejlépe odpovídá těmto hodnotám

– ověříme biologickou dostupnost

 

  1. Orientační metody v hledání nových biologicky aktivních látek

– jedná se o metody, které umožňují rychlé vyhledávání nejúčinnější látky ve skupině analogů pomocí algoritmizovaných

rozhodovacích pravidel (např. Toplissovo operační schéma, simplexová metoda…)

 

  1. Molekulové modelování CADD

– interakce studovaných sloučenin (ligandů) s receptory

– použití matematických modelů

– podstatou je vytvoření 3D modelů příslušeného receptor. K tomuto modelu se pak navrhují potenciální farmakofory

s komplementární strukturou

– problém neznalost prostorového uspořádání cílových receptorů (n úrovni atomů, funkčních skupin)

 

  1. Kombinatoriální chemie

– je to systematické a opakované kovalentní chování vhodných typů stavebních bloků různé struktury, které vede ke vzniku

velkých souborů různých chemických sloučenin. Tyto soubory se nazývají chemické knihovny, knihovna peptidů – Robert

Bruce Merrifield

 

  1. Izolace látek z přírodních zdrojů

– izolace nových přírodních materiálů

– modifikace přírodních látek

– výroba syntetického léčiva s farmakoforem z přírodní látky