Introdução à Química Farmacêutica & Medicinal

Introdução à Química Farmacêutica & Medicinal

http://www.farmacia.ufrj.br/lassbio

Laboratório de Avaliação e Síntese de Substâncias Bioativas

Eliezer J. BarreiroParte 3Parte 3Parte 3Parte 3

http://www.evqfm.com.br

Sumário; o FÁRMACO e o medicamento & benefício social; a QUÍMICA

Medicinal; DEFINIÇÃO; Como nascem os fármacos? O processo de descoberta dedededenovos fármacos; o berço da Química Medicinal; Ernest forneau; Alfred Burger; alinha do TeMPO da Química Medicinal; as moléculas pioneiras; alcaloides;MORFINA; STREPTEASE molecular; Os fármacos e o Prêmio Nobel; Alexander Fleming;Ernest Chain; Howard FLOREY = penicilina; bent Samuelsson; Sune bergstron; JohnVANE = AAS; teoria das assinaturas; James Black e o propranolol; A estrutura química e aatividade: características estrutrais dos FÁRMACOS; dissecação molecular; conceito defragmento molecular; as razões moleculares DA ação dos fármacos: sutis efeitos daestrutura na atividade; pontos e grupos farmacofóricos, auxofóricos e toxicofóricos; oPARADIGMA de Fischer; o centenário modelo chave-fechadura; TIPOS de interaçõesFÁRMACOS-biorreceptores; os alfabetos bioquímicos; AS ligações frágeis: ligações-H;

Topografia 3D dos BIORRECEPTORES; QUÍMICA COMPUTACIONAL;QUEM são OS biorreceptores; reconhecimento MOLECULAR;SIMILARIDADE MOLECULAR; as fases DA ação dos FÁRMACOS; FASEfarmacocinética (PK); metabolismo dos fármacos; A origem dos fármacos: o papel dosprodutos NATURAIS; Digoxina, o décano dos FÁRMACOS Planejamento RACIONAL;abordagem fisiológica; CONCEITO de composto-PROTÓTIPO; Estratégias dedesenho MOLECULAR; MOLÉCULAS inteligentes; simplificação molecular; hibridaçãomolecular; biososterismo; Do BOLOR aos fármacos bilionários; estatinas; OSFÁRMACOS do século 21: fÁRMACOS multi-alvos; Tinibes; epílogo; Blog de

I m

Introdução a Química farmacêutica medicinal

Sítio de reconhecimento molecular

Biorreceptor

Fármaco

Estrutura 3D do alvo terapêutico

http://www.esa.ipb.pt/medchem/protein.html

Química Computacional

O

O

O

S

O

OHN

CH3

Sítio da COX-2

O

CH3

CH3

H

H H

O CH3

progesterona

17

1

8

14

O

CH3

CH3OH

H

H H

testosterona

1

17

8

14

CH3

HCH3

O H H

O

CH3

H

19

18

17

73

1

20

21

A B

C D

B/C C/D trans

Esqueleto ciclopentanoperidrofenantreno

C19 C21

similaridade molecular

1,41 A

progesterona testosterona

PGF2αααα em cães provocasevera broncoconstrição

PGF2αααα em cães provocaforte broncodilatação

CO2H

CH3

OHHO

HO

PGF2

H

PGE2PGF2αααα

1,59

Fase farmacocinética

(PK)

Biofase

Biorreceptor

Fase farmacodinâmica

(PD)

Efeito terapêutico

As fases de ação dos fármacos….

Posologia

SciELO - Scientific Electronic Library Onlinewww.scielo.org/

30/01/2014

A D Buss & MS Butler(Eds)

V Cechinel-Filho (Editor)

natural product-derived drugs

Inter-alia: GA Cordell, MD Colvard , J. Nat. Prod. 2012, 75, 514;D Newman, GM Cragg, J. Nat. Prod. 2012, 75, 311;DGI Kingston, J. Nat. Prod, 2011, 74, 496; EJ Barreiro, VS Bolzani,Quim. Nova 2009, 32, 679

Os produtos naturais e os fármacos

20092012

Digoxina

cardenolidos

Digitalis purpurea

1542 – Leonhard Fuchs Digitalis purpurea

1785 – William Withering, UK

1875 – Johann Schmiedeberg isola DGX

1928 – Sydney Smith, Burroughs Welcome

1930 – Adolf OR Windaus, Un. Göttingen, AL

1965 – JC Skou*/O Hansen (Na+/K+-ATPase)

Digitalis lanata

Dedaleira

Plantaginaceae

Ebers Papyrus

& H Zhang et al., Digoxin and other cardiac glycosides inhibit hypoxia inducible factor-1 (HIF-1a) synthesis

and block tumor growth, PNAS 2008, 105, 19579;

* JR Huh et al, Digoxin and its derivatives suppress T(H)17 cell differentiation …, Nature 2011, 472, 486

bufanolidos

O

O

CH3

HO

O

O

CH3

OH

HCH3

H

O

H

H

O

O

CH3CH3

HOHO

OH

O OH

1928/1997

Sumário; o FÁRMACO e o medicamento & benefício social; a QUÍMICA

Medicinal; DEFINIÇÃO; Como nascem os fármacos? O processo de descoberta dedededenovos fármacos; o berço da Química Medicinal; Ernest forneau; Alfred Burger; alinha do TeMPO da Química Medicinal; as moléculas pioneiras; alcaloides;MORFINA; STREPTEASE molecular; Os fármacos e o Prêmio Nobel; Alexander Fleming;Ernest Chain; Howard FLOREY = penicilina; bent Samuelsson; Sune bergstron; JohnVANE = AAS; teoria das assinaturas; James Black e o propranolol; A estrutura química e aatividade: características estrutrais dos FÁRMACOS; dissecação molecular; conceito defragmento molecular; as razões moleculares DA ação dos fármacos: sutis efeitos daestrutura na atividade; pontos e grupos farmacofóricos, auxofóricos e toxicofóricos; oPARADIGMA de Fischer; o centenário modelo chave-fechadura; TIPOS de interaçõesFÁRMACOS-biorreceptores; os alfabetos bioquímicos; AS ligações frágeis: ligações-H;Topografia 3D dos BIORRECEPTORES; QUÍMICA COMPUTACIONAL; QUEM são OSbiorreceptores; reconhecimento MOLECULAR; SIMILARIDADE MOLECULAR; as fasesDA ação dos FÁRMACOS; FASE farmacocinética (PK); metabolismo dos fármacos; Aorigem dos fármacos: o papel dos produtos NATURAIS; Digoxina, o décano dosFÁRMACOS Planejamento RACIONAL; abordagem fisiológica; CONCEITO decomposto-PROTÓTIPO; Estratégias de desenho MOLECULAR; MOLÉCULAS inteligentes;simplificação molecular; hibridação molecular; biososterismo; Do BOLOR aos fármacosbilionários; estatinas; OS FÁRMACOS do século 21: fÁRMACOS multi-alvos; Tinibes;

epílogo; Blog de FARMACOS e suas descobertas; F I m.

Introdução a Química farmacêutica medicinal

Estratégias de desenho

molecular

hit/ligante

É a primeira substância de umasérie congênere – i.e. estruturalmente

relacionada – com atividade em modelos farmacológicos

validados in vivo - que pode vir a ser otimizado por modificações

moleculares subsequentes, planejadas.

Conceito de composto-protótipo

Otimizaçãodo

protótipo

www.uff.br/rvq

Estratégias de desenhomolecular

hit/ligante

Sumário; o FÁRMACO e o medicamento & benefício social; a QUÍMICA

Medicinal; DEFINIÇÃO; Como nascem os fármacos? O processo de descoberta dedededenovos fármacos; o berço da Química Medicinal; Ernest forneau; Alfred Burger; alinha do TeMPO da Química Medicinal; as moléculas pioneiras; alcaloides;MORFINA; STREPTEASE molecular; Os fármacos e o Prêmio Nobel; Alexander Fleming;Ernest Chain; Howard FLOREY = penicilina; bent Samuelsson; Sune bergstron; JohnVANE = AAS; James Black e o propranolol; A estrutura química e a atividade:características estrutrais dos FÁRMACOS; dissecação molecular; conceito de fragmentomolecular; as razões moleculares DA ação dos fármacos: sutis efeitos da estrutura naatividade; pontos e grupos farmacofóricos, auxofóricos e toxicofóricos; oPARADIGMA de Fischer; o centenário modelo chave-fechadura; TIPOS de interaçõesFÁRMACOS-biorreceptores; os alfabetos bioquímicos; AS ligações frágeis: ligações-H;Topografia 3D dos BIORRECEPTORES; QUÍMICA COMPUTACIONAL; QUEM são OSbiorreceptores; reconhecimento MOLECULAR; SIMILARIDADE MOLECULAR; as fasesDA ação dos FÁRMACOS; FASE farmacocinética (PK); metabolismo dos fármacos; Aorigem dos fármacos: o papel dos produtos NATURAIS; Digoxina, o décano dosFÁRMACOS Planejamento RACIONAL; abordagem fisiológica; CONCEITO de

composto-PROTÓTIPO; Estratégias de desenho MOLECULAR; MOLÉCULAS inteligentes;

simplificação molecular; hibridação molecular; biososterismo; Do BOLORaos fármacos bilionários; estatinas; OS FÁRMACOS do século 21: fÁRMACOS multi-

alvos; Tinibes; epílogo; Blog de FARMACOS e suas descobertas; F I m.

Introdução a Química farmacêutica medicinal

Pat

ente

obt

ida

O

NH

NO

O

S

O

NH

NO

O

S

LASSBio-294

Cardiotônicos vasoativosPatent (USPTO) 7.091.238 (15/08/2006)

Mecanismos Alternativos para o Aumento do Inotropismo

Cardíaco

Propriedades inotrópicas, vasodilatadoras (arritmias ventriculares)

NH

O

CH3

NN

N

O

H

NHN

OCH3

H3CN

N

O

H

N

N

benzimidazola

Imazodana

Pimobendana2H-piridazinona

9.16-9.60 A

mirilnona

PiridinonaPiridazinona

Desenho estrutural

N

NH

O

N

N

N

NH

O

N

NH

O

zoom

acila

hidrazona

E. J. BarreiroE. J. BarreiroE. J. BarreiroE. J. Barreiro, C. A. M. Fraga et al. “QuQuQuQuímica Medicinal de Derivados mica Medicinal de Derivados mica Medicinal de Derivados mica Medicinal de Derivados NNNN----AcilidrazônicosAcilidrazônicosAcilidrazônicosAcilidrazônicos, Prot, Prot, Prot, Protótipos de Agentes tipos de Agentes tipos de Agentes tipos de Agentes

AntiinflamatAntiinflamatAntiinflamatAntiinflamatóriosriosriosrios, Analg, Analg, Analg, Analgésicos e sicos e sicos e sicos e AntiAntiAntiAnti----trombtrombtrombtrombóticosticosticosticos”, QuQuQuQuímica Nova,mica Nova,mica Nova,mica Nova, 25252525, , , , 129-148 ( 2002).

http://www.sbq.org.br/publicacoes/quimicanova/qnol/2002/vol25n1/21.pdf

ca. 56% overall yield LASSBio-294LASSBio-286

Síntese de LASSBio-294

EtOH, HCl (cat.)EtOH, HCl (cat.)

EtOH

N2H4 , H2OI2 , KOH, MeOH

0

o

C

Zn/AcOHb)

a)

-10

o

C

O3 /O2

AcOH

tBuOH

KOH aq.

O

O

O

NN

H H

S

S CHOO CHO

O

O

O

NN

H H

O

O

O

O

NHNH2

O

O CO2CH3

O

O CHO

O

O CH3

O

O

CH2

M.E.F. Lima & E. J. Barreiro, J. Pharm. Sci. 1992, 81, 1219

Z-isomer E-isomer

M. R. L. Santos, M. G. de Carvalho, R. Bráz-Filho, EEEE.... JJJJ.... BarreiroBarreiroBarreiroBarreiro, "1H and 13C of New

Bioactive Isochromanylactylarylhydrazone Derivatives", MagnMagnMagnMagn.... ResonResonResonReson.... ChemChemChemChem.... 1998199819981998,,,, 36363636,,,,

533.L. F. C. C. Leite, EEEE.... JJJJ.... BarreiroBarreiroBarreiroBarreiro, M. N. Ramos, J. B. P. da Silva, S. L. Galdino & I. R. Pitta,

“Electron Impact Mass Spectrometry of Some 3-[3-(4-aryl)-1,2,4-oxadiazole-5-yl] acyl

arylaldehyde Hydrazone derivatives”, SpectroscopySpectroscopySpectroscopySpectroscopy 2000, 14141414, 115.

Análise espectroscópica e por difração de Raios X da configuração relativa de

LASSBio-294

Kummerle, A. E.; Raimundo, J. M.; Leal, C. M.; Silva, G. S.; Balliano, T. A.; Pereira, M. A.; DeSimone, C. A.; Sudo, R. T.; Zapata-Sudo, G.; Fraga, C. A. M.; Barreiro, E. J. , Eur. J. Med. Chem. 2009, 44, 4004-4009.

P. C. Lima, L. M. Lima, K. C. M. da Silva, P. H. O. Léda, A. L. P. Miranda, C. A. M. Fraga & E. J. Barreiro, “Synthesis and Non-addictiveAnalgesic Activity of Novel N-acylarylhydrazones and Isosters, Derived from Natural Safrole”, Eur. J. Med. Chem., 35, 187 (2000).

N

NH

O

N

N

N

NH

O

O

O

N

N

NH

O

O

O

N

N

LASSBio-286

LASSBio-294LASSBio-252

Imazodana

benzodioxola

(safrol)

C. L. M. Silva, F. Noël & E. J. Barreiro,“Vasodilatory Properties of LASSBio-294 and its dependence on cGMPincrease”, Brit. J. Pharmacol., 235, 239(2002).

100 µµµµM de LASSBio-294

cGMP inhibitor

L-NAME (500 µµµµM, A) Indo, 10 µµµµM, B

IC50 = 74 µµµµM

Estudos de Toxicidade Aguda e Sub-aguda

�A toxicidade sistêmica aguda e sub-aguda foi investigada emratos, por duas vias de administração, p.o. e i.p., nas doses de1000 µµµµM/kg e 73 µµµµM/kg, respectivamente (i.p., administrando-se2 vezes ao dia, durante 15 dias seguidos: ~ 100 vezes superior àED50 in vivo).

Não se observaram efeitos

neurotóxicos em culturas

de neurônios hipocampais

de ratos, tratadas com

LASSBio-294 (500 µµµµM).

Efeito neuroprotetor

foi observado em < doses.

Não tem efeito letal, não provoca

letargia, não reduz a motilidade,

nem altera o pêso dos animais.

Não provoca alterações na

contagem de células sanguíneas,

hematócrito, nem altera a taxa de

glicose, uréia, TGO, TGP,

creatinina.

Não altera histopatologicamente

orgãos vitais, tais como fígado,

pulmão, SNC.

Estratégias de desenhomolecular

hit/ligante

validação precoce do

alvo-terapêutico

a = Introdução de grupos com diferente perfil de contribuição estereoeletrônica;

b = Substituinte R na posição 6 do anel benzodioxola – efeitos estereoeletrônicos;

c = Alquilação do grupamento farmacofõrico – Modificação da habilidade como doador de

ligação de H; Alterações conformacionais;

d = Introdução de substituintes alquila – Efeitos estéricos e/ou conformacionais;

e = Redução da dupla ligação imínica – Modificação da extensão de conjugação do

grupamento farmacofórico; aumento da liberadade conformacional;

f = Troca do anel tiofeno por núcleos isostéricos com diferentes contribuições eletrônicas;

g = Introdução de grupos com diferente perfil de contribuição estereoeletrönica.

“lead optimisation is defined as those activities thatare required to optimise a screening hit to a pre-clinical candidate. Thus, lead optimisation invariablycomprises synthetic and medicinal chemistry,biochemical and functional screening, computer-aideddrug design, in vitro and in vivo pharmacokineticstudies and physicochemical (e.g. solubility, partitioncoefficient and acidity) studies”Baxter, A. D. & Lockey, P. M. (2001) Drug Discov. World

2, 9–15.

Novos Análogos do Protótipo Cardioativo LASSBio-294

Silva, A.G. et al., Bioorg. Med. Chem. 2005, 13, 3431; Zapata-Sudo, G. et al., Am. J. Hypertens. 2010, 23, 135

Síntese e Caracterização Estrutural de LASSBio-897

ESTUDO DO MECANISMO DE AÇÃO

CEREP

DiversityProfile

101Alvos Moleculares

Receptores deAdenosina A2A

IC50= 9.5 µM

IC50= 4.6 µM

Receptor A2A

PDB 3EML

V.Jaakola et al. Science 2008, 322, 1211

ML Ruiz, Y-H Lim, J Zheng, Adenosine A2A Receptor as

a Drug Discovery Target, J. Med. Chem. 2014, 58,000

GPCR

In vitro

pharmacology

44

LASSBio-294 e LASSBio-897 são ligantes de receptores de adenosina A2A

LASSBio-294

A2A IC50 = 4,6 µM

A2A IC50 = 9,5 µM

CEREP STUDY NUMBER 18080 / FINAL REPORT

LASSBio-897

∆ C=S ~1.57 A

O

O

O

NH

N

S

3

…mais um exemplo dos efeitos sutis da estrutura

na atividade.

LASSBio-294

LASSBio-897

Novo protótipo de fármaco cardioativo*

*European Patent EP1532140; WO-0078754

*US Patent US7091238-15/08/2006

Thienylhydrazone with digitalis-like properties (positive inotropic effects)

� Estruturalmente simples; rota de síntese com >55% de rendimento global,

empregando matéria-prima acessível; escalonável até 5,0 kg (18,2 M);� Potentes propriedades inotrópicas positivas & vasodilatadoras; tambémneuroprotetoras; ativo por via oral; boa biodisponibilidade;� Novo mecanismo farmacológico de ação: ligante de receptores adenosinérgicos;�Sem citotoxicidade, genotoxicidade, nem toxicidade sistêmica (aguda e sub-aguda) emduas vias de administração (p.o. e i.p.*) nas doses 1000 µµµµM/kg e 73 µµµµM/kg,respectivamente;*i.p.= 2 vezes ao dia, durante 15 dias seguidos: ~100 vezes ED50 in vivo.

C13H10N2O3SPM 274

1. RC Braga, VM Alves, CAM Fraga, EJ Barreiro, V de Oliveira, CH Andrade, Combination of docking,

molecular dynamics and quantum mechanical calculations for metabolism prediction of 3,4-

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methylenedioxvbenzoylhydrazine (LASSBio-294), develops fatigue resistance and has a positive

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Med. Chem., 35, 187−203 (2000). (Times cited: 70)

RESULTADOS RECENTES

Life Sciences 2014, 94, 30–36

Estratégias de desenhomolecular

hit/ligante

C18H16N2O4S2Peso Molecular = 388,4

cLog P = 2,3MR = 100 [cm3/mol]

Novo composto-protótipo dual

LASSBio-468

Desenhado por

hibridação molecular

LASSBio-596L. M. Lima, P. Castro, A. L. Machado, C. A. M. Fraga, C. Lugnier, V. L. G. Moraes, E. J. Barreiro, Synthesis and Anti-inflammatory

activity of Phthalimide Derivaatives, Designed as New Thalidomide Analogues, Bioorg. Med. Chem. 2002, 10, 3067.

TNF-α ED50 2,5 mg/Kg

PDE-4 IC50 = 13,6 µM

TNF-α PDE-4

Estudos dometabolismo

NH

O

CO2H

SN

O O

S

anti-fibrogenic

LASSBio-596

L. M. Lima et al., Synthesis and Anti-inflammatory Activity of Phthalimide Derivatives, Designed as New Thalidomide Analogues,

Bioorg. Med. Chem. 2002, 10, 3067; A. L. Machado et al., Design, Synthesis and anti-inflammatory activity of novel phthalimide

derivatives, structurally related to thalidomide, Bioorg. Med. Chem. Lett. 2005, 15, 1169; M. S. Alexandre-Moreira et al.,

LASSBio-468: a New achiral Thalidomide Analogue which Modulates TNF-α and NO Production and Inhibit Endotoxic Shock and

Arthritis in Animal Model, Internat. Immunopharmacol. 2005, 5, 485; L. M. Lima, N. M. de Lima, Contribuição do LASSBio no

desenvolvimento de novos candidatos a protótipos de fármacos antiasmáticos, Rev. Virtual Quim. 2009, 1, 35; R.M.P. Rocco et al.,

LASSBio-596: da descoberta aos ensaios pré-clínicos, Rev. Virtual Quim. 2010, 2, 10; G.M.C. Carvalho et al., Can LASSBio-596 and

dexamethasone treat acute lung and liver inflammation induced by microcystin-LR?, Toxicon 2010, 56, 604; N.V. Casquilho et al.,

LASSBio-596 per os avoids pulmonary and hepatic inflammation induced by microscystin-LR, Toxicon 2011, 58, 195.

www.inct-inofar.ccs.ufrj.br/aar2012/

LASSBio-468

LASSBio-596Differential scanning calorimetry of LASSBio-596

x-ray diffraction

x-ray diffraction

Ames TestThe bacteria reversed mutation assay : in the presence or

absence of liver S9 fraction ⇒ LASSBio-596 (625-3125 µµµµg/plate) not presented carcinogenic potential

Micronucleus Test Used to quantify chromosomal damage in eukaryotic cell : in

the presence or absence of liver S9 fraction ⇒ LASSBio-596 (153-768 µΜµΜµΜµΜ) not presented genotoxic potential

LASSBio 596 - YouTube