Prof. Dr. Esin AKI-YALÇIN
Ankara Üniversitesi
Eczacılık Fakültesi
Farmasötik Kimya Anabilim Dalı
Prof. Dr. Esin AKI
İLAÇ ETKEN MADDESİ TASARIM VE
GELİŞTİRİLMESİ YÖNTEMLERİ
Prof. Dr. Esin AKI WCADD-1
Kimyasal sentez yolu ile ya da doğal kaynaklardan
kazanılan, insan ve hayvan organizmasındaki
hastalıkların engellenmesinde, geriletilmesinde,
iyileştirilmesinde ve tanısında kullanılan, kimyasal
yapısı ve özellikleri saptanmış olan maddelere ilaç
etken maddesi denir.
İlaç Etken Maddesi
Prof. Dr. Esin AKI
5000 in üzerinde ilaç etken maddesi var.
20000 in üzerinde farmasötik ürün var.
Prof. Dr. Esin AKI
Alzheimer Hastalığının Yaygınlığı 2000-2010
Kronik Hastalıklar Yaygınlık Beklentisi
• Diabet Hastalığı 2000-2030
Yaşam Süresinin Uzaması
• Yeni İlaçlar, 52 ülkede yapılan çalışmalar sonucunda yaşam süresinin uzamasında 40% etkili oldukları bulunmuştur.
– U.S.A da AIDS den ölüm oranı 70% düşmüştür.
– Yeni kanser ilaçları 50-60% 6 yıllık yaşam süresini 1975 den bu yana arttırmıştır. İlk kez bu oran öncesi 70 yıl gözönüne alındığında en büyük düşüş 2003 de görülmüştür.
– Kalp hastalıklarından ölüm de azalmaktadır.
Yeni İlaçlar Yaşam Süresini Uzatır
• Yaşam süresinin uzaması %40 yeni ilaçlara bağlı
Prof. Dr. Esin AKI
ABD de Yaşam süresinin uzaması
Prof. Dr. Esin AKI
2010 81.5
Türkiye’de yaşam beklentisi
ABD de AIDS de ölüm oranının düşmesi
Prof. Dr. Esin AKI
Kanser Tedavisinde İlaçların Önemi• Yeni ilaçlar meme kanserinde tekrar ve ölümü azaltmıştır (
Teşhisden sonraki 5-10 yıl çalışma gerçekleştirilmiştir)
Yeni İlaçlar Ölümü Oranını Azaltmıştır
İlaçlar Artirit Hastalığında
Hareket Bozukluğunu Önler
Yeni İlaçlar Diabet Hastalığının
Komplikasyonlarını Azaltır
Yeni ilaçların kullanılması vaka başına
$111 kazandırır
Prof. Dr. Esin AKI
1. Daha etkili (Daha geniş spektrumlu)
2. Daha az toksik
3. Daha az yan etkili
İdeal İlaç Geliştirmek:
1. İstenen etki süreli
2. İstenen farmokinetik özelliklerini düzenleme
Absorbsiyon, Dağılım, Metabolizma, Atılım
Ayrıca;
Prof. Dr. Esin AKI
Seçici
Radikal etkinlik gösteren
Toksik etkisi bulunmayan
Prof. Dr. Esin AKI
Bir İlacın Piyasaya Sürülmesi:
1989
10.000 bileşikten birisi
12-16 yıl
1999
5.000 bileşik
12-16 yıl
Günümüzde:
4.000 bileşik
8-10 yıl
Maliyet
500 bilyon $
Prof. Dr. Esin AKI
• FDA 2005 yılında 28 ilaç onayı verdi
• 1995-2005 arası 10 yıllık bir süreçte 160
dan fazla öksüz ilaç onay almıştır.
Prof. Dr. Esin AKI
Yeni Bir İlaç Piyasaya Verilmesi
Prof. Dr. Esin AKI
Aşamalara Göre Molekül Başarı Oranları
İLAÇLARIN PAZARA ULAŞMA ORANI (KLASİK TANIM)
5.000 – 10.000
Ön Elemeler
250
Pre-Klinik Faz
5
Klinik Faz
1
Pazara Sunulabilen
Prof. Dr. Esin AKI
ÖZGÜN BİR İLACIN PİYASADA YER ALMASI İÇİN
YÜRÜTÜLEN ÇALIŞMALAR
KLİNİK ÇALIŞMALAR
RUHSATLANDIRMA
Prof. Dr. Esin AKI
İLAÇ TASARIMI &
PRE- KLİNİK ÇALIŞMALAR
İLAÇ TASARIMI
&
PRE- KLİNİK ÇALIŞMALAR
In Vitro,
In Vivo
AktiviteADME/Tox.
ÖNDER
MOLEKÜL
SentezCADDsBilgisayar
Destekli İlaç
Tasarımı
Prof. Dr. Esin AKI
ŞANSESERİ
BİYOLOJİK
ETKİ TARAMA
KİMYASAL
ÇEŞİTLEME
MEKANİSTİK
TASARIM
Hastalık Etmenin
Moleküler Düzeyde
Saptanması Tanımı
Efektör Hedef
Tanımı Tanımı
Teorik İlaç Etken
Madde Tasarımı
Sentezi
YENİ İLAÇ
ETKEN
MADDESİ
Biyolojik Etkinin
Gözlenmesi
***
Esin AKI
BİLGİSAYAR
DESTEKLİ İLAÇ
TASARIMI
PRE-KLİNİK ÇALIŞMALAR
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Yıl
3.2
2.5
2.4
8.1
1960’lar
5.1
4.4
2.1
11.6
1970’ler
5.1 5.9
5.5
2.8
14.2
5.5
1980’ler
6.1
6.3
1.8
14.2
1990’lar
SENTEZDEN ONAYA KADAR GEÇEN TOPLAM İLAÇ GELİŞTİRME SÜRESİ
Pre-Klinik Faz
Klinik Faz
Ruhsatlandırma
DiMasi, JA, “New Drug Development in US 1963-1999”, Clinical Pharm.&Ther.,May,2001
Prof. Dr. Esin AKI WCADD-1
• FDA 2005 yılında 28 ilaç onayı verdi
• 10 İlaçtan sadece 3 ü hesaplanan kar
oranını yakalamış ya da üzerine geçmiştir.
• 1995-2005 arası 10 yıllık bir süreçte 160
dan fazla öksüz ilaç onay almıştır.
Prof. Dr. Esin AKI
PRE- KLİNİK ÇALIŞMALAR
1. Farmakokinetik Faz (ADME/Tox)
2. Farmakodinamik Faz (Efektör-Hedef İlişkileri)
ŞANSESERİ
BİYOLOJİK
ETKİ TARAMA
KİMYASAL
ÇEŞİTLEME
MEKANİSTİK TASARIM
Hastalık Etmenin Tanımı
Efektör Hedef
Tanımı Tanımı
Yapı Etki İlişkilerinin
Çözümlenmesi (QSAR)
Teorik İlaç Etken
Madde Tasarımı
Sentezi
YENİ İLAÇ ETKEN
MADDESİ Biyolojik Etkinin
Gözlenmesi
Prof. Dr. Esin AKI
İlaçlar bazen şanseseri ya da sezgi yardımı ile
bulunabilir
Raslantı sonucu bulunan ilaçlara Sülfonilüre grubu
ilaçlar örnek
İlaçlar daha sık olarak organize araştırmalar sonucu
bulunmaktadır
Bilgisayar teknolojisi geliştikçe ilaç tasarım
yöntemleri de paralel şekilde gelişme göstermektedir.
ŞANSESERİ İLAÇ KEŞFİ
Prof. Dr. Esin AKI
ŞANSESERİ
BİYOLOJİK
ETKİ TARAMA
KİMYASAL
ÇEŞİTLEME
MEKANİSTİK
TASARIM
Hastalık Etmenin
Moleküler Düzeyde
Saptanması Tanımı
Efektör Hedef
Tanımı Tanımı
Teorik İlaç Etken
Madde Tasarımı
Sentezi
YENİ İLAÇ
ETKEN
MADDESİ
Biyolojik Etkinin
Gözlenmesi
BİLGİSAYAR
DESTEKLİ İLAÇ
TASARIMI
Prof. Dr. Esin AKI
Daha çok geçmişte uygulanan bu yöntemde istenen
etki için fazla sayıda bileşik taranır.
Günümüzde ideal ilaç tasarım yöntemi olarak
görülmemektedir.
Bu yöntemde hedefin yapısı ve hastalığın
mekanizması aydınlatılamaz.
Çok fazla zaman, emek ve masraf kaybına neden olur.
YENİ İLAÇLAR İÇİN BİYOLOJİK ETKİ
TARAMA (ELEME) YÖNTEMİ
Prof. Dr. Esin AKI
HTS (High-throughput Screening) Yöntemi
İnvitro olarak çok sayıda bileşiğin etkisi test edilir
Robotlar bir çok bileşiği birarada eş zamanlı olarak analizleyebilir
Bir günde 100,000 bileşik test edilebilir
Prof. Dr. Esin AKI
ŞANSESERİ
BİYOLOJİK
ETKİ TARAMA
KİMYASAL
ÇEŞİTLEME
MEKANİSTİK
TASARIM
Hastalık Etmenin
Moleküler Düzeyde
Saptanması Tanımı
Efektör Hedef
Tanımı Tanımı
Teorik İlaç Etken
Madde Tasarımı
Sentezi
YENİ İLAÇ
ETKEN
MADDESİ
Biyolojik Etkinin
Gözlenmesi
BİLGİSAYAR
DESTEKLİ İLAÇ
TASARIMI
Prof. Dr. Esin AKI
Etkisi bilinen bir ilaç etken maddesi üzerinde
etki değişikliklerini gözlemek amacıyla grup ya
da atomlar üzerinde modifikasyonlar yapmak
KİMYASAL ÇEŞİTLEME (MODİFİKASYON)
Prof. Dr. Esin AKI
Bu yöntemin uygulanabilmesi için, yapısı bilinen aktif bir bileşiğin var olması gerekir.
Doğal veya sentetik yoldan hareketle yapısı belirlenmiş bir aktif bileşik ele geçmiş ise, kimyasal yapı üzerinde birtakım modifikasyonları oluşturarak, etki potensini arttırmanın veya yan etkileri azaltmanın genellikle mümkün olabileceği görülmüştür.
Ör: ikinci ve üçüncü kuşak sefalosporin türü antibiyotikler.
İzosterik gruplar kullanılır türdeş (analog) veya
benzeş (homolog) türevler
Fizikokimyasal özellikleri farklı gruplar kullanılır.
Deneme-yanılma yöntemi. Sistematik olarak çalışılır ya da CADD ile birlikte kullanılırsa yararlı olabilir.
KİMYASAL ÇEŞİTLEME (MODİFİKASYON)
Prof. Dr. Esin AKI
• Kimyasal çeşitleme işlemi, genellikle, monovalen, bivalen ve/veya halka eşdeğerleri gibi izosterik gruplar kullanılarak, eldeki moleküler yapının türdeş (analog) veya benzeş (homolog) türevlerini oluşturacak modifikasyonlar ile gerçekleştirilir.
• Bu modifikasyon işlemi, sterik, elektronik ve/veya lipofilik özellikler açısından farklı fizikokimyasal nitelikler içeren yeni bazı türevlerin ortaya çıkmasını sağlayarak, aktivite için optimum moleküler nitelikleri taşıyan yapının ele geçirilmesini amaçlar.
KİMYASAL ÇEŞİTLEME (MODİFİKASYON)
Prof. Dr. Esin AKI
PENİSİLİNLER
Esin AKI
ŞANSESERİ
BİYOLOJİK
ETKİ TARAMA
KİMYASAL
ÇEŞİTLEME
MEKANİSTİK
TASARIM
Hastalık Etmenin
Moleküler Düzeyde
Saptanması Tanımı
Efektör Hedef
Tanımı Tanımı
Teorik İlaç Etken
Madde Tasarımı
Sentezi
YENİ İLAÇ
ETKEN
MADDESİ
Biyolojik Etkinin
Gözlenmesi
BİLGİSAYAR
DESTEKLİ İLAÇ
TASARIMI
Prof. Dr. Esin AKI
Biyolojik yolak bilinmeli
Tüm çalışmalar moleküler düzeyde gerçekleştirilir
Günümüzde ideal ilaç tasarım yöntemidir
MEKANİZMAYA DAYALI İLAÇ TASARIMI
Prof. Dr. Esin AKI
BİLGİSAYAR DESTEKLİ
İLAÇ TASARIMI
(CADD)
ZAMAN
EMEK
PARA
KAZANÇ
Bilgisayar ve İnformasyon Teknolojileri
RASYONEL İLAÇ ETKEN MADDESİ TASARIMI
CADD’ in YER ALDIĞI ÇALIŞMALAR
İLAÇ TASARIMI &
PRE- KLİNİK ÇALIŞMALAR
KLİNİK ÇALIŞMALAR
RUHSATLANDIRMA
Prof. Dr. Esin AKI
BİLGİSAYAR DESTEKLİ TASARIM
3. Farmasötik Faz
1. Farmakokinetik Faz
2. Farmakodinamik Faz
Prof. Dr. Esin AKI
Farmakokinetik Faz
• Absorbsiyon
• Dağılım (Hedefe Ulaşma)
• Biyotransformasyon (Metabolizma)
• Atılım (İtrah)
Prof. Dr. Esin AKI
Farmakodinamik Faz
• Farmakolojik Etkiler
• Terapötik Etkiler
• Toksik Etkiler
Prof. Dr. Esin AKI
HEDEF-EFEKTÖR ETKİLEŞMELERİ
Efektör:
Organizmadaki doğal endojen maddeler.
Ör: Ligantlar.
İlaç Etken Maddeleri
Hedef:
Organizmada ligantların etki yaparak yanıt
oluşturulan biyopolimerler, makromoleküller.
Yapı-etki ilişkilerinin (SAR) rasyonel tanımlanması, efektör-hedef veya ligant-
reseptör etkileşmelerinin incelenmeğe başlanması ile başlamıştır.
Anahtar-Kilit Örneği
Anahtar-
Kilit Örneği
Prof. Dr. Esin AKI
EFEKTÖR:
Hedefin etkili yüzeyini işgal eden,hedefi
olumlu ya da olumsuz etkileyen doğal endojen
maddeler veya ilaçlar.
Prof. Dr. Esin AKI
***Hücre membran yüzeyinde, sitoplazma ve/veya
çekirdeğinde yer alan ve bir seri olay sonucu belirli
bir biyolojik yanıtı oluşturabilen proteinler olarak
tanımlanmaktadır.
Bir çok kaynakta reseptör terimi, organizmada
efektörlere afinite gösteren ve efektörlerle
etkileşerek biyolojik yanıt oluşturabilen yapılar
olarak da kullanılmaktadır.
Ligant + Reseptör R L R + Etki
RESEPTÖR
Prof. Dr. Esin AKI
Hedeflerin yapılarının aydınlatılması:
•X-ışınları kristalografi çalışmaları ile reseptörlerin,
•NMR verileri ile enzim-substrat etkileşmelerinin,
•Rekombinant DNA teknolojisi ve klonlama çalışmaları,
reseptör ve enzimlerin primer yapıları aydınlatılır.
Prof. Dr. Esin AKI
Efektörlerin etkileştiği hedefler
Hedef Bulunduğu Yer Örnek
Reseptör Hücre Yüzeyi -Adrenoreseptör
Reseptör İntraselüler Periferal Benzodiazepin Reseptörü
(Mitokondiriyal)
Enzim Hücre Yüzeyi /
İntraselüler
Anjiyotensin-Dönüştürücü Enzim
Hormon Yanıtlayıcı
Eleman
Nükleik Asit Retinoid Reseptörler
OligonükleotidSitoplazma NPY-Y1
Öksüz Reseptör Sitoplazma COUP-TF
Prof. Dr. Esin AKI
• Efektör hedefin aktif yüzeyi ile anahtar-kilit
örneği şeklinde etkileşecek
• Efektör ile hedef arasında yük taşıyan gruplar
karşılıklı uyum içinde olacak
• Efektör ile hedef arasında uygun kimyasal bağlar
oluşacak
Efektör-Hedef Etkileşmeleri
Prof. Dr. Esin AKI
F656
Y652G648
V625
MK-499
hERG ‘e inhibitörlerin bağlanması:
membran
dış
Bağlanma yöresi
İç membran
G.Yellen Nature 2002, 419, 35-42
D. Rampe et al., J. Med.Chem. 2003, 46, 1-6
J.S.Mitcheson et al, PNAS, 2000, 97(22), 12329-33
• Biyolojik etki gösteren bileşiklerin taşıdığı fonksiyonel grupların, uzaysal özelliklerinin bağlanma yöresi
ile belirli bir uyum içinde olması gerekmektedir.
• Uyum ne kadar fazla olursa ilacın reseptöre afinitesi ve biyolojik aktivitesi artmaktadır.
21
L
R
R
R
A
S1
S2
A) Reseptör R deki bağlanma
yöresi S1 ve S2’ ye ligant L , ya
sulu fazdan doğrudan difüzyon
ile veya membran içinde
dağılıma uğradıktan sonra
bağlanma yöresine difüzyonu
sonucu ulaşır.
B) Lipit tabakasının yapısı
lipofilik ve özellikle amfoter
ilaçların belirli bir derinliğe
kadar penetre olmalarını
kısıtlarlar; ilaç X yeterli derinlikte
bulunduğundan dolayı rahatlıkla
bağlanma yöresi ile etkileşir,
yeterli derinliğe ulaşamayan ilaç
Y ise yeterli derecede
etkileşemez.
C) İlacın konformasyonu
membran tarafından da
düzenlenir. Bu konformasyon
sıvı fazdaki konformasyonundan
farklı da olabilir. Burada ilaç X
etkili iken ilaç Y’ nin etkisi
bulunmamaktadır .
C
B
İlaçların Etki Mekanizmaları
• İlaçların organizmayı terkettikten sonra bile etkileri
saatler, günler sürebilir.
• Ekstraselüler sinyaller intraselüler sinyallere
dönüşür.
• İkinci Ulak (second messenger)
Prof. Dr. Esin AKI
GA B
X Y-Y -Y-P
EFEKTöR
MEMBRAN
HÜCRE DIŞI
HÜCRE İÇİ
1: Yağda çözünür özelliğe sahip ligant,
membranı geçerek hücre içi hedeflerle
etkileşir ;
2: Ligant, transmembran proteinin hücre
dışı kısmına bağlanarak hücre içi
enzimler aktivite edilir;
3: Ligant, transmembran proteininin hücre
dışı kısmına bağlanarak, protein tirozin
kinaz aktive edilir;
4: Ligant, reseptörün hücre dışı kısmına
bağlanarak, iyon kanalının açılıp
kapanması sağlanır;
5: Ligant hücre yüzeyindeki reseptöre
bağlanarak, G protein aktive edilir ve
bunun sonucu olarak hücre içi ikinci ulak
meydana gelir.
İlaç veya ligantın plazma
membranının lipid tabakasını
aşması sonucunda kimyasal
bilginin taşınması ve
transmembran sinyallerinin
oluşması (çeşitli biyolojik yanıtlar)
5 değişik mekanizma sonucu
meydana gelmektedir.
Prof. Dr. Esin AKI
Bilgisayar Destekli İlaç Tasarımının
Tarihçesi ve Gelişmesi
• 60 – 70 ler … QSAR
• 80 ler … Moleküler Modelleme
• 90 ların başı … 3D (3 Boyutlu) Tarama, Hedef Tabanlı İlaç Tasarımı (de Novo tasarımı)
• 90 ların sonu … Kombinatoryal Kimya, HTS (High Througput Screening)
• 00 ler … Tüm Yöntemlerin birarada kullanımı
Prof. Dr. Esin AKI
QSAR Çalışmaları Ürünü
• NOROXIN®, antibakteriyel - Kyorin Pharmaceutical
• Norfloxacin: QSAR
6-Fluorokinolonlar’ın antibiyotik olarak kullanıma sunulması.
• Koga, H. et al. J. Med. Chem. 1980, 23, 1358-1363.
Prof. Dr. Esin AKI
• COZAAR® for
Antihipertansif - DuPont,
Merck
• Losartan: Angiotensin II
reseptör antagonisti
• Duncia, J. V. et al. J. Med. Chem.
1990, 33, 1312-1329; Duncia, J.
V. et al. Med. Res. Rev. 1992, 12,
149-191.
QSAR +Moleküler Modelleme
Çalışmaları Ürünü
Prof. Dr. Esin AKI
Moleküler Modelleme ürünü
• TEVETEN® Hipertansiyon
Tedavisinde kullanılır -
Smithkline Beecham
• Eprosartan: Angiotensin II
receptör antagonisti
• Weinstock, J. et al. J. Med.
Chem. 1991, 34, 1514-1517;
Keenan, R. M. J. Med. Chem.
1993, 36, 1880-1892.
Prof. Dr. Esin AKI
Hedef Tabanlı Tasarım (SBD)
• CRIXIVAN® for AIDS –Merck
• Indinavir: HIV-1 Protease Inhibitor developed via X-ray crystallography, molecular mechanics calculations, and structure-based design
• Dorsey, B. D. et al. J. Med. Chem. 1994, 37, 3443-3451; Holloway, M. K. et al. In Computer-Aided Molecular Design, Reynolds, C. H. et al., Eds. ACS Symp. Series 589, 1995, 36-50.
• Merck researchers involved with this study have received ACS award for “Creative Invention” Chem. Eng. News, 1999, Jan. 11
Prof. Dr. Esin AKI
Hedef Tabanlı Tasarım ve ab initio
hesaplamaları Ürünü
• TRUSOPT® for Glokom
Tedavisinde - Merck
• Dorzolamide: Karbonik
Anhidraz İnhibitörü
• Greer, J. et al. J. Med.
Chem. 1994, 37, 1035-
1054; J. Med. Chem. 1989,
32, 2510
Prof. Dr. Esin AKI
Farmakofor Analizleri (Moleküler
Modelleme) Ürünü• ZOMIG® Migren
tedavisinde -
Wellcome, Zeneca
• Zolmitriptan: 5HT1-
agonisti
• Glen, R. C. et al. J. Med.
Chem. 1995, 38, 3566-
3580.
Prof. Dr. Esin AKI
TGF- Inhibitörü
200,000 compounds
87 compounds
Drug Target (eg. TRI)
N
NH
N
N
IC50 27nM
Farmakofor Analizleri
Biogen-Idec
HTS Yöntemi
Eli Lilly
Sildenafil Farmakofor Modeline
uygulanarak bulunmuştur.
Ekins, S. et al. Pharmacophore Perception, Development and Use in Drug Design, Güner, O. F., Ed., 2000, La Jolla, pp 269-288.
Prof. Dr. Esin AKI
Piyasadan çekilen İlaçlar
• Mibefradil (Posicor)
• Kalcium-kanal blokörü
• Hoffmann LaRoche
• Piyasaya sürülüşü: May 1997
• Piyasadan çekilişi: Haz 1998
• Pazarda kalış süresi: 11 ay
• Nedeni: ilaç-ilaç
etkileşmeleri (p450 3A4
inhibisyonu)
Prof. Dr. Esin AKI
İlaç Adaylarının 1964-1985 İngiltere’de
Başarısızlık Saptamaları
• Prentis, et al., Br. J. Clin. Pharmac. 1988, 25, 387-396
Pharmacokinetics
Efficacy
Animal Toxicity
Adverse Effects
Business/Other
39.4%
29.3%
11.1%
10.1%10.1%
EFEKTÖRE DAYALI İLAÇ TASARIMI
Efektörden hareket edilir
Efektörün yapısı bilinir
HEDEFE DAYALI İLAÇ TASARIMI
Hedeften hareket edilir
Hedefin yapısı bilinir
İLAÇ ETKEN MADDESİ TASARIM
YÖNTEMLERİ
Prof. Dr. Esin AKI
Reseptör, Enzim ve Nükleik Asit
Ligantlar
İlaç Etken Maddeleri
EFEKTÖRE DAYALI İLAÇ TASARIMI
1. Geleneksel (2D) QSAR, QSPR
2. 3-D QSAR (CoMFA, CoMSIA)
3. Farmakofor Analizi
Kemoinformatik çalışmalar
Prof. Dr. Esin AKI