Projeto de drogas - Drug design

O desenho de medicamentos , freqüentemente denominado desenho racional de medicamentos ou simplesmente desenho racional , é o processo inventivo de encontrar novos medicamentos com base no conhecimento de um alvo biológico . A droga é mais comumente uma pequena molécula orgânica que ativa ou inibe a função de uma biomolécula , como uma proteína , que por sua vez resulta em um benefício terapêutico para o paciente . No sentido mais básico, o design de drogas envolve o design de moléculas que são complementares em forma e cargaao alvo biomolecular com o qual interagem e, portanto, se ligarão a ele. O projeto de medicamentos freqüentemente, mas não necessariamente, depende de técnicas de modelagem de computador . Esse tipo de modelagem às vezes é conhecido como projeto de medicamento auxiliado por computador . Finalmente, o design de drogas que se baseia no conhecimento da estrutura tridimensional do alvo biomolecular é conhecido como design de drogas baseado na estrutura . Além de moléculas pequenas, biofármacos incluindo peptídeos e, especialmente, anticorpos terapêuticos são uma classe cada vez mais importante de drogas e métodos computacionais para melhorar a afinidade, seletividade e estabilidade dessas terapêuticas baseadas em proteínas também foram desenvolvidos.

A frase "desenho de medicamento" é, até certo ponto, um nome impróprio . Um termo mais preciso é design de ligante (ou seja, design de uma molécula que se ligará fortemente ao seu alvo). Embora as técnicas de projeto para previsão da afinidade de ligação sejam razoavelmente bem-sucedidas, existem muitas outras propriedades, como biodisponibilidade , meia-vida metabólica , efeitos colaterais , etc., que primeiro devem ser otimizadas antes que um ligante possa se tornar uma droga segura e eficaz. Essas outras características costumam ser difíceis de prever com técnicas de design racional. No entanto, devido às altas taxas de atrito, especialmente durante as fases clínicas do desenvolvimento de drogas , mais atenção está sendo focada no início do processo de design de drogas na seleção de drogas candidatas cujas propriedades físico-químicas são previstas para resultar em menos complicações durante o desenvolvimento e, portanto, mais propensas a levar a um medicamento comercializado e aprovado. Além disso, experimentos in vitro complementados com métodos de computação são cada vez mais usados ​​na descoberta inicial de drogas para selecionar compostos com ADME mais favorável (absorção, distribuição, metabolismo e excreção) e perfis toxicológicos .

Alvos de drogas

Um alvo biomolecular (mais comumente uma proteína ou um ácido nucleico ) é uma molécula-chave envolvida em uma via metabólica ou de sinalização particular que está associada a uma doença ou patologia específica ou à infecciosidade ou sobrevivência de um patógeno microbiano . Os alvos potenciais de drogas não são necessariamente causadores de doenças, mas devem, por definição, serem modificadores da doença. Em alguns casos, pequenas moléculas serão projetadas para aumentar ou inibir a função alvo na via específica de modificação da doença. Moléculas pequenas (por exemplo, agonistas , antagonistas , agonistas inversos ou moduladores ; ativadores ou inibidores de enzimas ; ou abridores ou bloqueadores de canais iônicos ) serão projetados para serem complementares ao local de ligação do alvo. Moléculas pequenas (drogas) podem ser projetadas de modo a não afetar quaisquer outras moléculas importantes "fora do alvo" (freqüentemente referidas como antitarrgets ), uma vez que as interações medicamentosas com moléculas fora do alvo podem levar a efeitos colaterais indesejáveis . Devido às semelhanças nos locais de ligação, os alvos intimamente relacionados identificados através da homologia de sequência têm a maior chance de reatividade cruzada e, portanto, o maior potencial de efeito colateral.

Mais comumente, os medicamentos são pequenas moléculas orgânicas produzidas por meio de síntese química, mas os medicamentos baseados em biopolímeros (também conhecidos como biofármacos ) produzidos por meio de processos biológicos estão se tornando cada vez mais comuns. Além disso, tecnologias de silenciamento de genes baseadas em mRNA podem ter aplicações terapêuticas.

Descoberta racional de drogas

Em contraste com os métodos tradicionais de descoberta de medicamentos (conhecidos como farmacologia direta ), que dependem de testes de tentativa e erro de substâncias químicas em células de cultura ou animais e combinando os efeitos aparentes com os tratamentos, o design racional de medicamentos (também chamado de farmacologia reversa ) começa com a hipótese de que a modulação de um alvo biológico específico pode ter valor terapêutico. Para que uma biomolécula seja selecionada como alvo de uma droga, são necessárias duas informações essenciais. O primeiro é a evidência de que a modulação do alvo será modificadora da doença. Esse conhecimento pode vir de, por exemplo, estudos de ligação de doenças que mostram uma associação entre mutações no alvo biológico e certos estados de doença. A segunda é que o alvo é " druggable ". Isso significa que ele é capaz de se ligar a uma pequena molécula e que sua atividade pode ser modulada pela pequena molécula.

Uma vez que um alvo adequado foi identificado, o alvo é normalmente clonado e produzido e purificado . A proteína purificada é então usada para estabelecer um ensaio de triagem . Além disso, a estrutura tridimensional do alvo pode ser determinada.

A busca por pequenas moléculas que se ligam ao alvo é iniciada pela triagem de bibliotecas de compostos de drogas potenciais. Isso pode ser feito usando o ensaio de triagem (uma "tela úmida"). Além disso, se a estrutura do alvo estiver disponível, uma tela virtual pode ser realizada de drogas candidatas. Idealmente, os compostos de fármaco candidatos devem ser " semelhantes a fármacos ", isto é, devem possuir propriedades que se prevê que conduzam à biodisponibilidade oral , estabilidade química e metabólica adequada e efeitos tóxicos mínimos. Vários métodos estão disponíveis para estimar a semelhança com o medicamento, como a Regra de Cinco de Lipinski e uma variedade de métodos de pontuação, como a eficiência lipofílica . Vários métodos para prever o metabolismo de drogas também foram propostos na literatura científica.

Devido ao grande número de propriedades do medicamento que devem ser otimizadas simultaneamente durante o processo de design, às vezes são empregadas técnicas de otimização multiobjetivo. Finalmente, por causa das limitações dos métodos atuais de predição de atividade, o design de drogas ainda depende muito da serendipidade e da racionalidade limitada .

Projeto de drogas auxiliado por computador

O objetivo mais fundamental no design de medicamentos é prever se uma determinada molécula se ligará a um alvo e, em caso afirmativo, com que força. A mecânica molecular ou dinâmica molecular é mais frequentemente usada para estimar a força da interação intermolecular entre a pequena molécula e seu alvo biológico. Esses métodos também são usados ​​para prever a conformação da molécula pequena e modelar mudanças conformacionais no alvo que podem ocorrer quando a molécula pequena se liga a ela. Métodos semi-empíricos , de química quântica ab initio ou teoria funcional de densidade são frequentemente usados ​​para fornecer parâmetros otimizados para os cálculos de mecânica molecular e também fornecer uma estimativa das propriedades eletrônicas (potencial eletrostático, polarizabilidade , etc.) do candidato a medicamento que irá influenciar a afinidade de ligação.

Métodos de mecânica molecular também podem ser usados ​​para fornecer previsão semiquantitativa da afinidade de ligação. Além disso, a função de pontuação baseada em conhecimento pode ser usada para fornecer estimativas de afinidade de ligação. Esses métodos usam regressão linear , aprendizado de máquina , redes neurais ou outras técnicas estatísticas para derivar equações de afinidade de ligação preditivas ajustando afinidades experimentais a energias de interação derivadas computacionalmente entre a molécula pequena e o alvo.

Idealmente, o método computacional será capaz de prever a afinidade antes de um composto ser sintetizado e, portanto, em teoria, apenas um composto precisa ser sintetizado, economizando muito tempo e custo. A realidade é que os métodos computacionais atuais são imperfeitos e fornecem, na melhor das hipóteses, apenas estimativas qualitativamente precisas de afinidade. Na prática, ainda são necessárias várias iterações de projeto, síntese e teste antes que uma droga ideal seja descoberta. Os métodos computacionais aceleraram a descoberta, reduzindo o número de iterações necessárias e, muitas vezes, forneceram novas estruturas.

O projeto de medicamentos com a ajuda de computadores pode ser usado em qualquer um dos seguintes estágios de descoberta de medicamentos:

1. identificação de acertos usando triagem virtual (design baseado em estrutura ou ligante)
2. otimização hit-to-lead de afinidade e seletividade (design baseado em estrutura, QSAR , etc.)
3. otimização de liderança de outras propriedades farmacêuticas, mantendo a afinidade

Fluxograma de uma análise de agrupamento usual para o projeto de drogas com base na estrutura

A fim de superar a previsão insuficiente de afinidade de ligação calculada por funções de pontuação recentes, a interação proteína-ligante e informações de estrutura 3D do composto são usadas para análise. Para o projeto de drogas com base na estrutura, várias análises pós-triagem com foco na interação proteína-ligante foram desenvolvidas para melhorar o enriquecimento e efetivamente explorar potenciais candidatos:

• Pontuação de consenso
  • Seleção de candidatos votando em várias funções de pontuação
  • Pode perder a relação entre as informações estruturais da proteína-ligante e o critério de pontuação
• Análise de cluster
  • Representar e agrupar candidatos de acordo com informações 3D de proteína-ligante
  • Necessita de representação significativa das interações proteína-ligante.

Tipos

Ciclo de descoberta de drogas destacando estratégias de design de drogas baseadas em ligantes (indiretas) e baseadas em estruturas (diretas).

Existem dois tipos principais de desenho de medicamentos. O primeiro é denominado desenho de fármaco baseado em ligante e o segundo desenho de fármaco baseado em estrutura .

Baseado em ligante

O projeto de drogas baseado em ligante (ou projeto de drogas indireto ) depende do conhecimento de outras moléculas que se ligam ao alvo biológico de interesse. Estas outras moléculas podem ser usadas para derivar um modelo farmacóforo que define as características estruturais mínimas necessárias que uma molécula deve possuir para se ligar ao alvo. Em outras palavras, um modelo do alvo biológico pode ser construído com base no conhecimento do que se liga a ele, e esse modelo, por sua vez, pode ser usado para projetar novas entidades moleculares que interagem com o alvo. Alternativamente, uma relação quantitativa estrutura-atividade (QSAR), na qual uma correlação entre as propriedades calculadas das moléculas e sua atividade biológica determinada experimentalmente , pode ser derivada. Essas relações QSAR, por sua vez, podem ser usadas para prever a atividade de novos análogos.

Baseado em estrutura

O design de drogas baseado em estrutura (ou design de drogas direto ) depende do conhecimento da estrutura tridimensional do alvo biológico obtido por meio de métodos como cristalografia de raios-X ou espectroscopia de RMN . Se uma estrutura experimental de um alvo não estiver disponível, pode ser possível criar um modelo de homologia do alvo com base na estrutura experimental de uma proteína relacionada. Usando a estrutura do alvo biológico, as drogas candidatas que se prevê que se liguem com alta afinidade e seletividade ao alvo podem ser projetadas usando gráficos interativos e a intuição de um químico medicinal . Alternativamente, vários procedimentos computacionais automatizados podem ser usados ​​para sugerir novos candidatos a drogas.

Os métodos atuais para o desenho de medicamentos com base na estrutura podem ser divididos aproximadamente em três categorias principais. O primeiro método é a identificação de novos ligantes para um determinado receptor, pesquisando grandes bancos de dados de estruturas 3D de pequenas moléculas para encontrar aquelas que se encaixam no bolso de ligação do receptor usando programas de acoplamento aproximado rápido . Este método é conhecido como triagem virtual . Uma segunda categoria é o design de novo de novos ligantes. Neste método, as moléculas de ligante são construídas dentro das restrições do bolso de ligação, reunindo pequenos pedaços de uma maneira gradual. Essas peças podem ser átomos individuais ou fragmentos moleculares. A principal vantagem de tal método é que novas estruturas, não contidas em nenhum banco de dados, podem ser sugeridas. Um terceiro método é a otimização de ligantes conhecidos avaliando os análogos propostos dentro da cavidade de ligação.

Identificação do site de ligação

A identificação do local de encadernação é a primeira etapa no design baseado em estrutura. Se a estrutura do alvo ou de um homólogo suficientemente semelhante for determinada na presença de um ligante ligado, então o ligante deve ser observável na estrutura, caso em que a localização do local de ligação é trivial. No entanto, pode haver locais de ligação alostérica desocupados que podem ser de interesse. Além disso, pode ser que apenas estruturas de apoproteína (proteína sem ligante) estejam disponíveis e a identificação confiável de locais desocupados que têm o potencial de se ligar a ligantes com alta afinidade não seja trivial. Em resumo, a identificação do local de ligação geralmente depende da identificação de superfícies côncavas na proteína que podem acomodar moléculas do tamanho de drogas que também possuem "pontos quentes" apropriados ( superfícies hidrofóbicas , locais de ligação de hidrogênio , etc.) que conduzem a ligação do ligante.

Funções de pontuação

O projeto de drogas com base na estrutura tenta usar a estrutura das proteínas como base para projetar novos ligantes, aplicando os princípios de reconhecimento molecular . A ligação seletiva de alta afinidade ao alvo é geralmente desejável, uma vez que leva a drogas mais eficazes com menos efeitos colaterais. Assim, um dos princípios mais importantes para projetar ou obter novos ligantes potenciais é prever a afinidade de ligação de um determinado ligante ao seu alvo (e antitargets conhecidos ) e usar a afinidade prevista como um critério de seleção.

Uma das primeiras funções de pontuação empírica de propósito geral para descrever a energia de ligação dos ligantes aos receptores foi desenvolvida por Böhm. Esta função de pontuação empírica assumiu a forma:

${\ displaystyle \ Delta G _ {\ text {bind}} = \ Delta G _ {\ text {0}} + \ Delta G _ {\ text {hb}} \ Sigma _ {h-bonds} + \ Delta G _ {\ text {ionic}} \ Sigma _ {ionic-int} + \ Delta G _ {\ text {lipofílico}} \ left \ vert A \ right \ vert + \ Delta G _ {\ text {rot}} {\ mathit {NROT}} }$

Onde:

• ΔG ₀ - deslocamento derivado empiricamente que em parte corresponde à perda geral de entropia translacional e rotacional do ligante após a ligação.
• ΔG _hb - contribuição da ligação de hidrogênio
• ΔG _iônico - contribuição das interações iônicas
• ΔG _lip - contribuição das interações lipofílicas em que | A _lipo | é a área de superfície de contato lipofílico entre o ligante e o receptor
• ΔG _rot - penalidade de entropia devido ao congelamento de um rotativo na ligação de ligante após a ligação

Uma equação "mestre" termodinâmica mais geral é a seguinte:

${\ displaystyle {\ begin {array} {lll} \ Delta G _ {\ text {bind}} = - RT \ ln K _ {\ text {d}} \\ [1.3ex] K _ {\ text {d}} = {\ dfrac {[{\ text {Ligante}}] [{\ text {Receptor}}]} {[{\ text {Complexo}}]}} \\ [1.3ex] \ Delta G _ {\ text {bind} } = \ Delta G _ {\ text {desolvation}} + \ Delta G _ {\ text {motion}} + \ Delta G _ {\ text {configuration}} + \ Delta G _ {\ text {interação}} \ end {array} }}$

Onde:

• dessolvatação - penalidade entálpica para remover o ligante do solvente
• movimento - penalidade entrópica para reduzir os graus de liberdade quando um ligante se liga ao seu receptor
• configuração - energia de deformação conformacional necessária para colocar o ligante em sua conformação "ativa"
• interação - ganho entálpico para "resolver" o ligante com seu receptor

A ideia básica é que a energia livre de ligação geral pode ser decomposta em componentes independentes que são conhecidos por serem importantes para o processo de ligação. Cada componente reflete um certo tipo de alteração de energia livre durante o processo de ligação entre um ligante e seu receptor-alvo. A Equação Mestre é a combinação linear desses componentes. De acordo com a equação da energia livre de Gibbs, foi construída a relação entre a constante de equilíbrio de dissociação, K _d , e os componentes da energia livre.

Vários métodos computacionais são usados ​​para estimar cada um dos componentes da equação mestre. Por exemplo, a mudança na área de superfície polar após a ligação do ligante pode ser usada para estimar a energia de dessolvatação. O número de ligações rotativas congeladas após a ligação do ligante é proporcional ao termo de movimento. A energia configuracional ou de deformação pode ser estimada usando cálculos de mecânica molecular . Finalmente, a energia de interação pode ser estimada usando métodos como a mudança na superfície apolar, potenciais estatisticamente derivados de força média , o número de ligações de hidrogênio formadas, etc. Na prática, os componentes da equação mestre são ajustados aos dados experimentais usando múltiplos regressão linear. Isso pode ser feito com um conjunto de treinamento diversificado, incluindo muitos tipos de ligantes e receptores para produzir um modelo "global" menos preciso, mas mais geral, ou um conjunto mais restrito de ligantes e receptores para produzir um modelo "local" mais preciso, mas menos geral.

Exemplos

Um exemplo particular de projeto racional de drogas envolve o uso de informações tridimensionais sobre biomoléculas obtidas a partir de técnicas como cristalografia de raios-X e espectroscopia de RMN. O projeto de drogas auxiliado por computador, em particular, torna-se muito mais tratável quando há uma estrutura de alta resolução de uma proteína alvo ligada a um ligante potente. Essa abordagem para a descoberta de medicamentos às vezes é chamada de desenho de medicamentos com base na estrutura. O primeiro exemplo inequívoco da aplicação de um projeto de medicamento baseado em estrutura que leva a um medicamento aprovado é o inibidor da anidrase carbônica dorzolamida , que foi aprovado em 1995.

Outro estudo de caso importante no projeto racional de drogas é o imatinibe , um inibidor da tirosina quinase projetado especificamente para a proteína de fusão bcr-abl que é característica para leucemias positivas para o cromossomo Filadélfia ( leucemia mielóide crônica e ocasionalmente leucemia linfocítica aguda ). O imatinibe é substancialmente diferente dos medicamentos anteriores para o câncer , pois a maioria dos agentes da quimioterapia simplesmente tem como alvo as células que se dividem rapidamente, não diferenciando entre as células cancerosas e outros tecidos.

Exemplos adicionais incluem:

Estudos de caso

Crítica

Tem-se argumentado que a natureza altamente rígida e focada do design racional de medicamentos suprime o acaso na descoberta de medicamentos.

Veja também

Referências

links externos

• Drogas + projeto na Biblioteca Nacional de Medicina dos Estados Unidos Medical Subject Headings (MeSH)