РАЗВИТИЕ ХИМИИ ОТДЕЛЬНЫХ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ВЕЩЕСТВ
Начало развития химии синтетических лекарственных веществ, т.е. тех соединений, которые в организме человека или животного не присутствуют, а при введении в организм вызывают ответную реакцию какого-либо типа (например, снижение температуры, успокоительная, снижение давления и т.д.) можно отнести к рубежу 19 и 20 веков. Именно тогда в 1846 году начали использовать диэтиловый или «серный» эфир в качестве системного анестетика, обычный фенол для дезинфекции особенно в период эпидемии стал применяться с 1867 году. Более яркий пример практического использования – это безусловно антипиретик аспирин (ацетилсалициловая кислота), используемый с 90-х годов 19 века до настоящего времени. Причем это один из саамы применяемых препаратов.
Особенно бурное развитие химия лекарственных веществ получила с открытием бактериостатического действия азокрасителей, содержащих сульфанил амидный фрагмент в отношении грамположительных бактерий (стрептококков). Впервые это было описано венгерским ученым Г.Домагк в отношении красителя ПРОНТОЗИЛА:
Большее распространение в Советском союзе получил, так называемый красный стрепоцид, разработанный Руководителем ВНИХФИ в Магидсоном в 30-х годах и выпускавшийся на Московском заводе им. Семашко. Синтез протекает по той же самой схеме. Что и приведенная выше, отличается только азокомпонента:
Свойство тормозить развитие грамположительных микроорганизмов, а именно стафилококков, впервые было обнаружено у красного красителя. Откуда взялся этот краситель. В конце 19 начале 20 века был бум изучения синтетических красителей, особенно в Германии, где позиции органической химии перед Первой мировой войной были особенно сильны.. Самыми доступными и самыми массовыми в то время были азокрасители, а именно п-аминосульфокислота и ее производные давали устойчивые при хранении и комнатной температуре диазониевые соли, что очень важно для промышленного производства. Именно в Германии начали изучать воздействие органических соединений на организм, там появились первые отравляющие вещества: иприт, названный так в связи с его применением на реке Ипр, позднее появились азотистый иприт, аналоги которого сейчас широко применяются как противоопухолевые средства и первое ОВ из ряда нервнопаралитических Табун.
Остановимся на некоторых примерах развития отдельных классов лекарственных веществ с тем, чтобы понять как протекает развитие и создание этих препаратов и сформулировать некоторые обобщенные понятия.
Развитие химии сульфаниламидных препаратов
Самым классическим примером создания целого направления в химиотерапии является создание синтетических антимикробных препаратов так называемого сульфаниламидного ряда. Впервые антимикробные свойства производных сульфаниламида были обнаружены у азокрасителей, чуть позднее в разных странах и в том числе СССР появилось лекарственное средство Красный стрептоцид, выпускавшийся до войны на базе Московского завода им. Семашко. Тогда же было обнаружено, что препарат более эффективен в отношении грамположительных бактерий in vivo, нежели in vitro. Это натолкнуло исследователей на мысль, что красный стрептоцид сам по себе лекарством не является, а служит пролекарством, т.е. веществом дающим в процессе метаболизма в организме действующее начало, обладающее необходимой биологической активностью. Такой подход иногда практикуется в химии лекарственных веществ, когда введение или использование активного вещества как-либо затруднено или вовсе невозможно. Действующим веществом оказался его метаболит –сульфамоилфениламинометилсульфонат натрия – водорасторимая форма «белого стрептодица»:
Причины побудившие заниматься синтезом новых соединений этого ряда были следующими: во-первых, сам красный стрептоцид обладал высокой токсичностью для макроорганизма; во-вторых, его биодоступностью для макроорганизма была невысока, т.е. в большинстве он выделялся в неизмененном виде и усваивался организмом примерно на 20-40%; в-третьих, препарат очень быстро выводился из организма, поэтому для успешного лечебного эффекта необходимо было вводит высокие дозы; в-четвертых, наблюдалось привыкание микроорганизмов к этому лекарству, а в отношении ряда других он был просто не эффективен, особенно грам-отрицательных. Все это способствовало необходимости поисковых исследований среди аналогичных соединений.
Было синтезировано несколько десяткой тысяч производных стрептоцида, из которых в реальную практику внедрено более 30 препаратов, часть из которых по той или иной причине исключена из Госреестра, а часть продолжает успешно использоваться в медицине. Модификации структуры проводились главным образом по двум аминогруппам и привели к заметному изменению фармакологической картины биодействия получаемых производных, что позволяло конкретизировать пути их применения (при инфекциях желудочно-кишечного тракта, мочевых путей, глазных заболеваний и др. болезнях), улучшить их проникание в биожидкости, ткани, через клеточные мембраны, а также пролонгировать действие лекарственных веществ.
Здесь следует остановиться на таком понятии как ФАРМКОФОРНАЯ ГРУППА. Фармакофорным называют такой фрагмент молекулы, который обеспечивает фармакологическую активность данной химической структуры. Т.е. изменение структуры фармакофора, как правило приводит к исчезновению активности как таковой или данного вида активности. Так вот в сульфамидах фармакофорной группой является п-аминосульфонамид (белый стретоцид). Следует отметить, что перемешение в фармакофоре аминогруппы из положения 4 в положение 2 или 3, а также замена ее на любой безазотистый заместитель ведет к исчезновению данного вида активности. Введение заместителей в сульфамоильную группу изменяет токсичность лекарственного вещества и, часто, увеличивает время полувыведения лекарственного вещества из организма.
Что такое время полувыведения лекарственного вещества из организма. Следует понимать, что любое лекарственное вещество действует в организме в виде раствора на молекулярном уровне и при введении в организм важны два понятия: биодоступность, т.е. как быстро из лекарственной формы препарат поступает в кровь и период полувыведения (полураспада и т.д.). Именно высокий уровень препарата в крови обеспечивает его эффективность, но в тоже время любой препарат, за редким исключением, подвергается в организме метаболизму и/или выведению из организма. Таким образом, период полувыведения вещества из организма, это период времени за который максимальная концентрация вещества в крови, достигнутая при введении препарата снижается в два раза. Для сульфаниламидных препаратов, особенно для стрептоцида это составляет несколько часов. Первым препаратом, обладающим более широким спектром действия стал сульфидин, разработанный и внедренный во время войны в Свердловске академиком И.Я.Постовским. ниже приводится полный синтез этого соединения исходя из анилина:
Препарат сыграл громадную роль в период второй мировой войны, но затем из-за низкой эффективности и токсичности был исключен из госреестра. В настоящее время используют около 20 различных сульфамидных препаратов. Процесс поиска новых более эффективных препаратов позволил сформулировать подходы к их созданию и выявил возможные направления исследований. Так было выяснено, что модификации может подвергаться только лишь заместитель у сульфамидной группы, причем обе аминогруппы должны быть сохранены. В качестве заместителей используют нециклические и гетероциклические заместители. Ниже приведены некоторые из используемых в настоящее время сульфамидных препаратов:
Введение легкоудаляемых заместителей в ароматическую аминогруппу, как правило, используют для препаратов желудочно-кишечного тракта: фталазол, фтазин, растворимый стрептоцид, салазопиридазин, салазодиметоксин, дисульформин:
сульфаниламиды подавляют рост грамположительных и некоторых грамотрицательных бактерий, некоторых простейших (возбудители малярии и токсоплазмоза), некоторых видов хламидий. Механизм антибактериального действия сульфониламидов хорошо изучен. Известно, что микроорганизмы в своем развитии синтезируют фолиевую кислоту (витамин Вс), которая контролирует биосинтез аминокислот, пуриновых и пиримидиновых оснований. Структура нормальной фолиевой кислоты содержит фрагмент п-аминобензойной кислоты. Однако, фермент, осуществляющий синтез этого витамина в присутствии лекарственного вещества, вместо аминобензойной кислоты использует ее имитатор — антагонистический сульфонамидный фрагмент. В результате микроорганизм синтезирует псевдофолиевую кислоту, что блокирует образование дигидро- и тетрагидрофолиевых кислот – нормальных метаболитов. В целом нарушается синтез нуклеиновых кислот и клеточных белков, что и лежит в основе бактериостатического и бактерицидного действия лекарственного вещества. Эти препараты не действуют подобным образом на клетки человека, так как его организм не вырабатывает витамины, а получает их с пищей.
Сульфониламидные антибактериальные препараты по времени циркуляции после однократного приема разделяют на 4 группы:
А)короткого действия (стрептоцид, норсульфазол, этазол, сульфодимезин);
Б)среднего действия (сульфазин и др.);
В)длительного действия (сульфопиридазин, сульфомонометоксин, сульфодиметоксин);
Г) сверхдлительного действия (сульфален) период полувыведения более 120 часов.
Почти 65 летний период применения обусловил появление большого количества микробных штаммов, устойчивых к сульфониламидам. Преодолеть устойчивость удается, сочетая сульфониламиды с триметопримом. Последний ингибирует дигидрофолат-редуктазу и тормозит превращение появившейся в микробной клетке (несмотря на присутствие сульфониламида) дигидрофолиевой кислоты и ее коферментную форму тетрагидрофолиевую кислоту, блокируется перенос одноуглеродистых фрагментов в синтезе пуринов и пиримидинов, результатом чего становится нарушение репродукции РНК и ДНК.
Обширные исследования в области поиска новых более эффективных сульфониламидных препаратов привел к открытию группы близких по структуре соединений, обладающих другими видами активности: диуретикам, антидиабетическим средствам, противолепрозным средствам, подсластителям:
Как мы видим развитие одного факта, замеченного при использовании красителя, привело не только к созданию целой группы антимикробных препаратов, но позволило обнаружить ряд новых направлений биологической активности. Кроме того, приведенные примеры позволяют четко сформулировать и наглядно продемонстрировать такое понятие как фармакофорная группа.
Если сульфамиды были ярким примером чисто синтетической химии, то история развития пенициллинов – это процесс воспроизводства и развития природного продукта. Впервые пенициллин был обнаружен как продукт жизнедеятельности плесневого гриба Penicillium. Эпоха пенициллиновых антибиотиков началась с 1929 года с открытием антибактериальных свойств культуральной жидкости плесневого гриба, который предотвращал рост микроорганизмов Staphylococcus. Действующее вещество было выделено в чистом виде только в 1940 году. Наибольшее развитие из природных пенициллинов получил самый дешевый и низкотоксичный бензилпенициллин. В основе строения всех природных и синтетических (полусинтетических) пенициллинов лежит 6-аминопенициллановая кислота, представляющая собой мостиковый бициклический гетероцикл, состоящий из азетидинового ( β-лактамного) кольца и тиазолидинового. Отличаются пенициллины строением заместителей при 6-аминогруппе. Все они проявляют бактерицидную активность главным образом на грамположительных бактериях: стрептококках, стафилококках, пневмококках и др., ингибируя в них биосинтез белков клеточных стенок, особенно на последней стадии – поперечного сшивания белков. Эти антибиотики дезактивируют клеточную транспептидазу, катализирующую поперечное сшивание белков, ковалентно связываясь с ее активным центром. Циклическая часть молекулы пенициллина формально может быть представлена дипептидом, составленным из α-аминокислот- серина и цистеина или цистеина и валина:
Подобный дипептидный остов пенициллина, по-видимому, имитирует фрагмент белковой молекулы, на который фермент конформационно откликается, допуская антибиотик к своему активному центру.
Недостатком большинства пенициллинов является их малая кислотоустойчивость (быстрый гидролиз лактамного ядра при приеме внутрь), узкий спектр действия ( они не подавляют развитие грамотрицательных микроорганизмов) и быстрое развитие резистентности у бактерий. Последние два обстоятельства объясняются выработкой микроорганизмами фермента пенициллиназы (β-лактамазы), которая легко раскрывает лактамный цикл пенициллинов, превращая их из производных 6-аминопенициллановой кислоты в неактивные производные пенициллоиновой кислоты:
где: R=РhОСН2 – феноксиметилпенициллин
R=РhСН(NН2) – ампициллин
R=4-НО-С6Н4-СН(NН2) –амоксициллин
Для преодоления этих недостатков получено огромное количество полусинтетических антибиотиков, среди которых найдены препараты, достаточно устойчивые к действию кислот и лактамаз, например, феноксиметилпенициллин, ампициллин. Амоксициллин. В промышленности получают из пенициллина 6-аминопенициллановую кислоту используя для этого фермент пенициллинаминогидролазу. Последнюю ацилируют соответствующим остатком карбоновой кислоты и получают таким образом полусинтетические антибиотики.
Из новейших пенициллиновых антибиотиков следует отметить мециллинам, содержащий в 6 положении амидиновый фрагмент. Этот препарат активен в отношении грамотрицательных микроорганизмов:
Природную клавулановую кислоту, не обладающую антимикробной активностью, используют в качестве стабилизатора пенициллинов, так как она необратимо блокирует действие лактамаз. Известны комбинированные препараты амоксиклав, клавулин. Модификации клавулиновой кислоты позволили получить высокоэффективный антибиотик близкий по строению цефалоспоринам, где вместо серы в гетероцикле находится кислород.
На примере двух особо ярких групп лекарственных средств мы рассмотрели процесс развития химии лекарств. В дальнейшем мы сформулируем стратегические подходы к созданию новых лекарственных веществ.
Ежегодно синтезируется в мире до 200 тысяч новых органических химических соединений. Многие из этих веществ проходят первичный отбор на выявление той или иной биологической активности. Этот этап поиска называют скринингом. Ранее скрининг проводился на моделях: бактериальных клетках, культуре тканей макроорганизма, лабораторных животных. Все эти исследования крайне дороги и продолжительны. Поэтому на современном этапе для массового скрининга используют математические модели. Как мы уже отмечали взаимодействие организма с любым веществом происходит на молекулярном уровне в виде раствора. Поэтому ключевую роль в этом играют пространственные факторы, определяющие размеры и конфигурацию молекулы, а также ее физико-химические свойства, что в конечном итоге определяет возможность первичного встраивания молекулы лекарства в метаболизм макроорганизма или микроорганизма. Очевидно, что фактически изучить все новые соединения на сотни различных видов активности практически невозможно, поэтому для этого созданы или создаются модели взаимодействия основных видов лекарственных препаратов и особо значимых заболеваний путем компьютерного моделирования (кластерный анализ) или моделированием взаимодействия лекарственного вещества с конкретным биорецептором ( если таковой известен). В этом случае исходя из модели удается получить основные рекомендации о наиболее перспективном веществе, которое может представлять интерес для дальнейшего изучения на биологических моделях. Подобное сито значимо экономит деньги и время, однако возможно оно только для модификации известных уже групп препаратов или фармакофорных группировок. Выявление принципиально новых видов активности или фармакофорных группировок, по-видимому, еще долго будет оставаться уделом случая, биологического эксперимента и интуиции. В целом математическое моделирование может служить лишь одним из стратегических направлений целенаправленного поиска новых биологически активных веществ.
2.Принцип химического модифицирования структуры.
Модифицирование структуры известных лекарств или природных соединений является чисто интуитивным и умозрительным. Мы достаточно подробно остановились на этом принципе в начале лекции, где рассматривали подходы в создании сульфаниламидов и пенициллинов. Другим примером такого подхода может служить разработка целого класса противораковых веществ на основе азотистого иприта. В этом случае, в отличие от токсикохимиков, главная задача стояла снизить токсичность препарата по отношению к здоровым клеткам макроорганизма. снижая тем самым побочные эффекты от препарата. С другой стороны фактор случайности и необходимости широкого изучения препаратов на различные виды активности наглядно показан на примере открытия антидиабетических и мочегонных средств в ряду производных сульфамидов. Здесь хотелось бы отметить и поиски противовирусных препаратов – практически все известные препараты были обнаружены чисто случайно, а многочисленные модификации не очень эффективны. Так, например, ремантадин был получен химической модификацией препарата амантадин, использовавшегося для лечения гриппа, но до сих пор другие модификации амантадина и ремантадина не приводят к положительному результату.
3.Принцип введения фармакофорной группы.
Метод заключается во введении фармакофорной группы известного лекарственного вещества в молекулу нового вещества. Такой подход был применен при разработке некоторых противораковых средств, например, сарколизина, некоторых противовирусных препаратов. В целом, подход достаточно спорный и малоэффективный.
4.Принцип молекулярного моделирования.
Этот подход в сочетании с рентгеноструктурным анализом позволяет установить стереохимические особенности молекулы лекарственного вещества и биорецептора, конфигурацию их хиральных центров, измерить расстояния между отдельными атомами или зарядами. Получаемые таким образом данные позволяют достаточно четко и достоверно смоделировать данный механизм и, имея конфигурацию рецептора, спрогнозировать активное вещество. Метод был использован для создания группы ненаркотических анальгетиков: просидола, трамадола. Препаратов, действующих на ЦНС, например, аналогов гамма-аминомасляной кислоты – фенигам, пантогам и др.
5.Стратегия пролекарств.
Лекарственный препарат после введения в организм сразу же подвергается атаке ферментными системами, защищающими организм от чужеродных веществ (ксенобиотиков). Лекарственное вещество в таком случае метаболирует с образованием различных производных. В ряде случаев установлено, что не само введенное лекарственное вещество (его в этом случае называют пролекарством), а его метаболит оказывает лечебный эффект. Поэтому тщательное изучение метаболизма лекарственных веществ, синтез и биотестирование его метаболитов могут привести к созданию новых лекарственных веществ. На этой основе возникла идея заведомого синтеза пролекарств, которые сами по себе не обладая активностью, но имея структуры, позволяющие легко проникать через различные защитные барьеры организма легко достигают мишени и так метаболируя оказывают лечебный эффект. Считается, что почти четвертая часть всех лекарственных препаратов являются пролекарствами. Типичными примерами можно считать такие препараты как кодеин и азидотимидин. Кодеин, попадая в организм способен давать обезболивающий эффект метаболируя в морфин, азидотимидин используется в форме полифосфатного производного, что обеспечивает ему легкую проницаемость через клеточные мембраны и липидные оболочки макрофагов, где и накапливаются вирусные частицы.
6.Концепция антиметаболитов.
Этот подход базируется на создании синтетического лекарственного средства, структурно близкого к какому-либо природному метаболиту организма человека. Задача такого синтетического вещества, называемого антиметаболитом, состоит в подмене метаболита в естественных биореакциях. Антиметаболиты должны лишь частично выполнять в организме функции метаболитов. Являясь химическими имитаторами метаболитов, лекарственные вещества такого типа обманывают контролирующие ферментные системы, встраиваются в метаболическую схему и изменяют собой настоящий метаболит, например, в растущей цепочке РНК или ДНК, Подобный прием был использован для получения противовирусных и противораковых средств. Например, ацикловир и виразол.
Важной характеристикой синтетических антиметаболитов является то, что они обладают малой токсичностью и не оказывают нежелательных побочных эффектов.
7.Принцип функциональной геномики и протеомики.
Формирующийся принцип коррекции метаболических процессов на основе знания генома человека и его коррекции. Пока рассматривается только с теоретических позиций, но вероятно, имеет будущее.
Связь структура-биологическая активность
Химическое и пространственное строение вещества определяет наличие у него биоактивости. Однако ее уровень (эффективность действия) может в значительной степени зависеть от разнообразных факторов. Большинство лекарственных веществ должно обладать хорошей растворимостью в воде, так как они переносятся в организме главным образом кровяным потоком, что благоприятствует созданию концентрации, достаточной для проявления фармакологического действия. Многие лекарственные вещества должны иметь хорошую липофильность и обладать способностью проникать через клеточные полупроницаемые мембраны, чтобы влиять на биохимические процессы метаболизма Препараты, действующие на ЦНС, должны свободно проходить из крови в спинномозговую жидкость и мозг, т.е. преодолевать гематоэнцефалический барьер, который защищает мозг от проникновения в него чужеродных веществ, растворенных в крови. другим барьером для проникновения лекарственных веществ к тканям органа-мишени являются стенки капилляров. Для большинства лекарственных веществ не очень высокой молекулярной массы этот барьер преодолим. Существует еще один барьер – плацентарный, отделяющий организм плода от матери. Он обычно легко проницаем для лекарственных веществ, поэтому отбор препаратов для использования беременным женщинам крайне сложен и строг. В целом лекарственная молекула кроме основной фармакофорной группировки, непосредственно отвечающей за терапевтический эффект, должна содержать гидрофильные и/или липофильные фрагменты (быть сбалансированной по ним), чтобы осуществлялся нормальный перенос к соответствующей системе организма.
При конструировании лекарственного препарата стараются учитывать приведенные выше факторы, вводя соответствующие химические группировки в потенциальное лекарственное вещество. Так, введение в структуру фенольных группировок, карбоксильных или сульфогрупп, основного или аммонийного азота (четвертичная соль) улучшает водорастворимость органической молекулы лекарственного вещества, изменяет ее основность или кислотность, усиливает, как правило, ее биодействие. Наличие н-алкильных заместителей, их удлинение улучшает липофильность молекулы, облегчает их прохождение через биомембраны.Разветвленность алкильных заместителей и присутсиве атомов галогена затрудняет метаболизм лекарственных веществ. Циклоалкильные заместители улучшают связывание молекулы с биорецептором за счет Ван-дер-Ваальсовых сил.Биологические системы при действии на них синтетических лекарственных веществ часто не делают различия между веществами в которых, например, вместо бензольного цикла присутствует пиридиновый, вместо фуранового-пиррольное или тиофеное кольцо, т.е. замена одного плоского ядра на другое может составлять часть стратегии при дизайне синтетических лекарственных средств для изменения полярности молекулы, введения различных заместителей в кольцо.
К настоящему времени выявлен ряд фармакофорных групп, введение которых, как правило, в молекулу потенциального лекарственного вещества прививает ему нужную биоактивность. Например, наличие фенольных группировок обеспечивает бактерицидную активность, введение карбамидного фрагмента способствует проявлению снотворного эффекта. Диарил(аминоалкил) метановая группировка ответственная за антигистаминное действие. Здесь сразу следует отметить, что в общем это только лишь тенденции и прогнозировать таким образом активность новых препаратов достаточно спорно.
Очень часто природные вещества имеют хиральные центры, т.е. если рассматривать заместители у углерода хиральным является углерод имеющий все четыре различных заместителя. В этом случае имеет место образования оптических изомеров. Поэтому в процессе создания лекарственных веществ, имеющих хиральные центры необходимо учитывать, что активность оптических изомеров обычно не одинакова, и более того имеются примеры серьезных проблем, возникавших тогда, когда не учитывался этот фактор. Таким примером является талидомид, препарат не использовавшийся в СССР и России, но тем не менее являющийся ярчайшим примером такого случая. Один из энантиомеров обладает выраженной седативной активностью и является хорошим снотворным, тогда как его оптический изомер в добавок ко всему оказался еще и тератогеном. Почти всего оптический изомер менее активен, если активен вообще, правда есть и прямо противоположные примеры, например камфора и ее производные, где активными являются оба оптических изомера. Но этот пример говорит скорее всего о том, что активным веществом в организме является какой-либо продукт ее метаболизма. Связано это с тем, что взаимодействие лекарственного вещества с рецептором происходит в трехмерном пространстве и важное значение в этом взаимодействии имеет не только размеры молекулы, но и ее свойства.
В настоящее время среди лекарственных препаратов доля хиральных лекарственных средств составляет примерно 15%, это такие препараты, как бромкамфора, адреналин, камфора, многие антибиотики, некоторые противотуберкулезные средства, аминокислоты и т.д. Известны препараты, содержащие несколько хиральных центров, например витамин В12 отсюда и практическая невозможность их получения химическим путем, а только биосинтезом.
Мы в данной лекции остановились на проблеме развития химии лекарственных препаратов на примере двух наиболее ярких направлений: антибиотиков и синтетических антимикробных средств. Такие тенденции наблюдаются для любых классов соединений.
Отдельный класс представляют собой препараты природного происхождения, воспроизведенные и используемые в качестве лекарственных препаратов:
ВИТАМИНЫ
ГОРМОНЫ
АМИНОКИСЛОТЫ
Сложные белковые компоненты (иммуноглобулины и т.д.)
Большинство таких препаратов получают или полусинтетическим путем- модификацией сырья, получаемого из природных источников, или полным синтезом, или, наконец, биосинтезом (например, витамин В12). Известны ряд препаратов с измененной структурой по сравнению с природными источниками, которые уже используют для лечения, например раковых заболеваний, гормональных дисфункций и т.д.