Про селективность на примере киназных ингибиторов

Ингибиторы фосфорилирующих киназ (КИ) - это одна из самых больших групп лекарственных молекул, около 100 молекул сейчас уже находятся на рынке и применяются в отношении широкого спектра опухолевых и аутоиммунных заболеваний. Такое разнообразие препаратов обусловлено тем, что механизмы возникновения заболеваний, будь то рак молочной железы или лейкемия, могут кардинально отличаться, опухоли мутировать, а химиотерапию часто необходимо подбирать индивидуально и согласно стадии заболевания.

Киназы, по-другому их еще можно назвать фосфотрансферазы, опосредуют перенос фосфатной группы от молекулы АТФ к некоторому, чаще всего белковому, субстрату. Механизм же ингибирования, то есть временного (или даже полного) выключения белка из биологического цикла, для КИ заключается в том, что КИ первого поколения (самая распространенная категория) мимикрируют под молекулу АТФ, связываются с киназой сильнее АТФ, но не имея в своей структуре легко отщепляемого фосфата - выступают в роли заглушки.

Самая большая сложность в разработке КИ кроется именно в том, что все киназы имеют в своей структуре АТФ-связывающий участок, более-менее одинаковый для всех киназ и практически идентичный внутри семейств. Если первые препараты (вроде иматиниба) могли себе позволить быть пан-киназными, то есть ингибирующими сразу много разных видов киназ, то новейшие препараты должны обладать свойством селективности.

Селективность - это способность препарат связываться исключительно с одной мишенью, реже с семейством мишеней. Проще говоря, активность препарата дожна быть во много раз выше в отношении одного белка, например, киназы, чем в отношении других.

Почему селективность так важна в современной разработке? Все очень просто, помимо негативных в онкологии или аиз, киназы выполняют еще жизненно важные функции в обычных клетках. Выключение ключевых киназ неселективным ингибитором приведет к гибели здоровых клеток, что с высокой вероятностью вызовет массу нежелательных побочных эффектов у пациентов. Можно посмотреть подробнее, например, здесь.

Как же достичь селективности у КИ? Вот здесь уже нет однозначного ответа. При довольно большой схожести связывающих карманов, даже близкородственные киназы могут отличаться в определенных аминокислотах. Глицин или аланин, тирозин или фенилаланин? Новый hindge-связывающий мотив с необычным положением в кармане? На таких минимальных отличиях можно построить стратегию дизайна.

Из интересных кейсов могу отметить два Janus kinase ингибитора. Я недавно упоминал их в своей длинной телеге об ошибке выжившего.

В одном случае, был обнаружен необычный пиразолопиридоновый фрагмент, который был довольно специфически активен в отношении jak1 за счет именно хемотипа, а не только оптимизирующих модификаций.

В другом, авторы увидели необычную стабильность фосфорилирующей петли в X-ray структуре белка. Обычно эту петлю не получается достоверно увидеть и качественно закристаллизовать, так как в норме она очень подвижна. Тем не менее, в ходе исследования удалось обнаружить удивительное качество разрешенной структуры, что навело на мысль о стабилизирующей роли ингибитора, который, как бы, фиксировал петлю в пространстве. Авторам удалось выделить и воспроизвести структурную особенность ингибитора из кристалла в своих молекулах. Таким образом, гипотеза привела к разработке одного из самых селективных на данный момент ингибитора Jak1 киназы, AZD4205.

Бигфарма очень трепетно хранит свои секреты. Особенно это касается структуры лекарственной молекулы, которая поедет непосредственно на клинические исследования. Если у конкурентов получится раскрыть эту структуру, то они очень быстро cмогут разработать аналогичный препарат и тогда first-in-class недолго будет снимать сливки с рынка.

Чтобы усложнить задачу в патентной практике принято обозначать активности соединений шифрами, например, указывая диапазоны буквами, звездочками, плюсиками: A: <10 nM, B: 10 nM < X < 100 nM… Другая история - это Маркуш, способ записи молекулы в патенте таким образом, что каждый участок ее подробно расписан, чем больше перечислено заместителей, тем меньше возможности у конкурентов обойти патент.

Недавно я наткнулся на the mother of patents на 1000 страниц от компании Relay Therapeutics на селективный ингибитор FGFR2. Судя по тому, что их патент покрывает гигантское химическое пространство, включает в себя подробно описанные 1500 молекул (с активностями и даже спектрами ЯМР), то это навевает на мысль, что они и правда нашли что-то стоящее.

Предлагаю подписчикам сыграть в одну игру, попробовать предположить ту молекулу, которую RelayThx отправили на клинику.

У меня тоже есть свои мысли на этот счет, чуть позже выложу подсказку)

М-метаболизм

Пожалуй, одна из самых важных и обсуждаемых тем в медицинской химии - это метаболизм лекарственных молекул. Думаю, все мы знаем, что молекула, проходя через стенки кишечника, попадает в воротную вену и едет прямиком в печень. В клетках печени есть, т.н. микросомальные ферменты, цитохромы. Их основная задача сделать из молекулы-ксенобиотика (то есть, чужеродной организму) что-то, что гораздо быстрее и проще выйдет обратно наружу через почки или кишечник. Если молекула липофильная, то скорее всего она будет окислена цитохромом CYP3A4, гидроксилирована, а затем конъюгирована, например, с глютатионом. Далеко не всегда процесс метаболизма приводит к дезактивации ксенобиотика, тогда в результате получается токсичный метаболит, который идет дальше гулять по кровяному руслу и причинять неприятности, например производное парацетамола.

У меня вряд ли получилось бы уместить рассказ обо всех этих процессах даже в двухчасовую лекцию, поэтому скорее всего мы к ней еще вернемся.

Сейчас же я хочу поделиться с вами недавней статьей, где мишенью был фермент, находящийся в клетках головного мозга, отвечающий за преобразование холестерола в 24S-гидроксихолестерол, с неожиданным названием холестерол 24-гидроксилаза(CH24H). Фермент входит в семейство цитохромов. Нарушение в работе фермента связывают с довольно широким спектром нейрологических заболеваний, так как путь участвует в регуляции транспорта глутамата, NMDA рецепторов и много чего еще. Ингибиторы потенциально могут применять в детских орфанных заболеваниях, например, Lennox–Gastaut syndrome и Dravet syndrome.

В ходе разработки препарата Soticlestat возникла проблема, обусловленная тем, что его ингибирующий механизм основан на связывании пиридинового кольца с молекулой гема в активном центре CH24H по атому железа. Таким образом, было необходимо лавировать между неселективным ингибированием цитохромов печени и таргетным ингибированием CH24H.

Чтобы разобраться, насколько специфически ингибиторы вяжутся с CYP3A4, необходимо было модифицировать пиридин, обуславливающий взаимодействие с Fe гема. Было предположено, что если декорированный пиридин будет препятствовать взаимодействию, но CYP3A4 ингибирование останется на прежнем уровне, то связывание неспецифическое, обусловленное липофильностью, а значит им можно управлять. То есть, замещение пиридина не должно изменить активность в отношение CYP3A4, а дальнейшие модификации в сторону снижения logP приведут к благоприятному профиль. Гипотезу удалось элегантно подтвердить, результаты вы можете увидеть на картинке сверху.

Фотошоп Отчетов

Лечение Болезни Альцгеймера (БА) находится в топе, если не на первом месте, актуальных, но не решенных загадок современной медицины. Проблема заключается в том, что механизм возникновения и развития БА - это настолько спорная и неоднозначная тема, что до сих пор выходят все новые и новые исследования чуть ли не ежедневно.
Позавчера была амилоидная теория, вчера - тау-теория, сегодня лидируют аутоиммунная, воспалительная и даже бактериальная. Существующая терапия направлена не на механизм, а по сути своей поддерживающая, симптоматическая.
Из такого разнообразия предположений и потенциально огромного рынка вытекает ожидаемая гонка фармы.
Как верно замечали у меня в комментариях, нынешняя стратегия условных рош-новартис-зенек-айзеров по разработке рискованных препаратов заключается в инвестициях в стартапы и, следовательно, диверсификации потенциальных рисков. Можно немного вложить сразу во всё, а потом предъявить, если (не) выстрелит.
Подобная стратегия в разработке препаратов от БА просто жизненно необходима, потому что они постоянно проваливаются. Да не просто, а с громким треском, после 1-2-3 фаз клиники, потратив миллиарды долларов. Препарат может отлично работать в пробирке, на клетках, на мышах, безопасен на здоровых пациентах, но никак не лечит реальных больных.
Следом за довольно громкой новостью от биогена и их нордическим антителом Aduhelm, где опять всем настроение похоже испортит FDA, засветилась еще одна организация, Cassava Sciences с препаратом Simufilam.
История очень простая и даже довольно типичная, у экспертов и FDA появились сомнения в подлинности результатов с клинических исследований. Согласно примерам, опубликованным в этом блоге, компания рисовала western blot’ы в фотошопе, да еще и не очень умело. Недавно китайцы уже отметились своими “бумажными мельницами” примерно в том же ключе, но там у ребят стоит выбор между получением степени и совестью. В случае же команды из Cassava очень интересно услышать официальный ответ, будет ли это что-то в духе “товарищ Сталин ничего не знал, в CRO пробрались враги”. Подробности истории с картинками вы сможете прочитать в блоге.
Молекула же выглядит довольно интересно, по сути это такой азотсодержащий спироцикл с бензильной защитой. Хотелось бы почитать про его разработку, так как он похож на хороший пример тестирования полупродукта. То есть, при длительных синтезах химик-синтетик может получать конечный кандидат за 10-15 стадий, на каждой из которых есть молекулы проще, но в то же время, потенциально интересные для анализа.
Два вывода из сегодняшней истории: 1) не подделывайте отчеты, 2) тестируйте полупродукты

Новогоднее

Немного неловко получилось, собрал вас всех здесь, а писать перестал. Последний хоть сколько-то содержательный пост был аж летом. А в календаре уже 2022, представьте себе.

Тем не менее, хоть сейчас это может показаться не очень убедительным, но канал я не собираюсь забрасывать. И в следующий раз буду предупреждать, если вновь нахлынут одновременно кризисы жанра, рабочие дела и прочие проблемы белых людей.

А сложилось все довольно интересно. Я перешел с позиции непосредственного “разработчика” лекарственных молекул в команду по разработке сервисов и моделей. То есть, из разряда юзеров чего-то вычислительного по-ближе к тем, кто все это создает. Соответственно, и задачи изменились, и темпы, и коллектив, и многое другое, к чему нужно было привыкнуть, изучить, и в чем нужно было разобраться.

Так вот, к чему это я, новые посты однозначно будут, и даже скоро, но возможно слегка сместится точка зрения от практической к эфимерно-вычислительной.

Спасибо, что не нажали кнопку отписаться! Всем успехов, достижения целей и прочих маленьких/средних/больших радостей в новом году)

И да, чуть не забыл. У нас же открылась вакансия в департаменте на позицию медицинского химика. Переходите по ссылке и пишите специально обученным людям в HR.

Обязанности:
• разработка стратегии дизайна активных, селективных и безопасных малых молекул с применение современных методов вычислительной химии;
• анализ экспериментальных данных и построение моделей связи структура-действие;
• поиск, анализ и обобщение больших объемов научно-технической информации;
• оптимизация физико-химических и ADMET параметров молекул;
• презентация результатов работы команде специалистов, обмен знаниями с коллегами.


Требования:
• высшее образование (химическое, фармацевтическое, биологическое), кандидатская степень или PhD по медицинской химии будет преимуществом;
• знание методов и подходов к дизайну биологически активных соединений;
•  понимание принципов медицинской химии, drug-like свойств, всасывания, распределения и токсичности лекарственных молекул;
• знание основ органической химии, биохимии, клеточной биологии;
• опыт работы с программным обеспечением для молекулярного моделирования и визуализации;
• владение английским языком на уровне не ниже Intermediate;
•  умение работать с большими объемами англоязычной литературы;
•  навыки программирования на Python будут преимуществом.

Ежемесячный выпуск моего любимого дайджеста от Drug Hunter.

Авторы блога в свободное от работы в Genentech (и других уважаемых конторах) время проводят полномасштабный обзор новых публикаций по малым, а иногда и большим, молекулам. Ранее, все обзоры были доступны простому обывателю, но с нового года ушли за paywall. Читать платный блог, чтобы потом идти читать платные статьи немного сомнительно, конечно. Тем не менее, я по-прежнему вдохновляюсь их шортлистом, так как туда еще ни разу не проходили наукообразные или не заслуживающие внимания публикации.

В декабре опубликовано сразу несколько киназных ингибиторов, в том числе и к тем мишеням, которые я уже упоминал у себя на канале (ATR, HPK1). Интересно, что уже практически неотъемлемой частью продвинутого клинического KI стало наличие как минимум одного ассиметрического атома. Селективность, активность и все такое. GSK даже выкатили ингалляционный ингибитор к гораздо менее модному Jak-у, напоминающий своим фенольным заместителем Пфайзеровский.

Собственно, блог всячески рекомендую, так как он в какой-то степени стал родоначальником моего канала. В то же время, некоторую выжимку и обсуждение особенно знаковых (с моей точки зрения) молекул, буду публиковать здесь)

P.S. Разбор статьи по LRRK2 в процессе, но уже сейчас хочется отметить, что это крайне виртуозный дизайн к не самой простой мишени (одно прохождение через ГЭБ чего стоит).

Всем привет, пробую новый (старый) формат для создания статей в телеге. Как вы могли заметить, мой поток мыслей требует иллюстраций, а слова не всегда помещаются в пост.

https://telegra.ph/Dva-podhoda-k-optimizacii-02-04