Návrh léku, také někdy označovaný jako racionální návrh léku, je vynalézavý proces hledání nových léků založených na znalostech biologického cíle. Lék je nejčastěji organická malá molekula, která aktivuje nebo inhibuje funkci biomolekuly, jako je bílkovina, která následně vede k terapeutickému přínosu pro pacienta. V nejzákladnějším smyslu návrh léku zahrnuje návrh malých molekul, které se svým tvarem a nábojem doplňují s biomolekulárním cílem, na který působí, a proto se na něj navážou. Návrh léku často, ale ne nutně, spoléhá na techniky počítačového modelování. Tento typ modelování je často označován jako návrh léku za pomoci počítače.
Fráze ‚“design léku“ je do jisté míry chybné pojmenování. Co je skutečně míněno designem léku, je design ligandu. Modelovací techniky pro predikci vazebné afinity jsou poměrně úspěšné. Nicméně existuje mnoho dalších vlastností, jako je biologická dostupnost, metabolický poločas, nedostatek vedlejších účinků atd., které musí být nejprve optimalizovány, než se ligand může stát bezpečným a účinným lékem. Tyto další vlastnosti je často obtížné optimalizovat pomocí racionálních technik designu léku.
Obvykle je cíl léku klíčová molekula podílející se na určité metabolické nebo signalizační dráze, která je specifická pro onemocnění nebo patologii, nebo pro infekčnost nebo přežití mikrobiálního patogenu. Některé přístupy se pokoušejí inhibovat fungování dráhy v nemocném stavu tím, že způsobí, že klíčová molekula přestane fungovat. Léky mohou být navrženy tak, aby se vázaly na aktivní oblast a inhibovaly tuto klíčovou molekulu. Jiným přístupem může být posílení normální dráhy tím, že se podpoří specifické molekuly v normálních drahách, které mohly být ovlivněny v nemocném stavu. Kromě toho by tyto léky měly být navrženy tak, aby neovlivňovaly žádné jiné důležité „off-target“ molekuly nebo anticíle, které mohou být vzhledem podobné cílové molekule, protože lékové interakce s off-target molekulami mohou vést k nežádoucím vedlejším účinkům. K identifikaci takových rizik se často používá sekvenční homologie.
Nejčastěji jsou léky organické malé molekuly produkované chemickou syntézou, ale stále běžnější jsou léky na bázi biopolymerů (známé také jako biologika) produkované biologickými procesy. Technologie genového umlčování na bázi mRNA mohou mít navíc terapeutické využití.
Vývojové grafy dvou strategií designu léčiv založených na struktuře
Existují dva hlavní typy drogového designu. První je označován jako ligand-based drug design a druhý, structure-based drug design.
Návrh léku na základě ligandu (nebo nepřímý návrh léku) se opírá o znalost jiných molekul, které se vážou na sledovaný biologický cíl. Tyto jiné molekuly mohou být použity k odvození farmakodoru, který definuje minimální nezbytné strukturální charakteristiky, které musí molekula mít, aby se mohla vázat na cíl. Jinými slovy, model biologického cíle může být postaven na základě znalosti toho, co se na něj váže, a tento model zase může být použit k návrhu nových molekulárních entit, které se s cílem vzájemně ovlivňují.
Konstrukce léku založená na struktuře (nebo přímý návrh léku) se opírá o znalost trojrozměrné struktury biologického cíle získané metodami, jako je rentgenová krystalografie nebo NMR spektroskopie. Pokud není k dispozici experimentální struktura cíle, může být možné vytvořit homologický model cíle založený na experimentální struktuře příbuzného proteinu. Pomocí struktury biologického cíle mohou být navrženy kandidátní léky, u kterých se předpokládá, že se vážou s vysokou afinitou a selektivitou na cíl, pomocí interaktivní grafiky a intuice lékařského chemika. Alternativně mohou být použity různé automatizované výpočetní postupy k navržení nových kandidátů léku.
S rozvojem experimentálních metod, jako je rentgenová krystalografie a NMR, se dramaticky zvýšilo množství informací týkajících se 3D struktur biomolekulárních cílů. Souběžně s tím se zvýšilo také množství informací o strukturální dynamice a elektronických vlastnostech ligandů. To podpořilo rychlý rozvoj designu léku založeného na struktuře. Současné metody designu léku založeného na struktuře lze rozdělit zhruba do dvou kategorií. První kategorie je o „hledání“ ligandů pro daný receptor, což se obvykle označuje jako vyhledávání v databázi. V tomto případě se prověřuje velké množství potenciálních molekul ligandu, aby se našly ty, které se hodí do vázací kapsy receptoru. Tato metoda se obvykle označuje jako design léku založeného na ligandu. Klíčovou výhodou vyhledávání v databázi je, že šetří syntetické úsilí o získání nových sloučenin olova. Další kategorie metod designu léku založených na struktuře se týká „budování“ ligandů, což se obvykle označuje jako receptorový návrh léku. V tomto případě se molekuly ligandu hromadí v rámci omezení vazebné kapsy postupným skládáním malých kousků. Tyto kousky mohou být buď jednotlivé atomy, nebo molekulární fragmenty. Klíčovou výhodou takové metody je, že lze navrhnout nové struktury, které nejsou obsaženy v žádné databázi. Tyto techniky vzbuzují v komunitě designérů léků velké vzrušení.
Aktivní identifikace místa
Prostor uvnitř vazebné oblasti ligandu by byl studován pomocí atomů virtuálních sond čtyř výše uvedených typů, aby bylo možné poznat chemické prostředí všech míst v vazebné oblasti ligandu. Proto je nám jasné, jaké chemické fragmenty mohou být umístěny do odpovídajících míst v vazebné oblasti ligandu receptoru.
Vývojový diagram pro design léků založený na struktuře
Když chceme zasadit „semínka“ do různých oblastí definovaných předchozím oddílem, potřebujeme databázi fragmentů, ze které si fragmenty vybereme. Termín „fragment“ se zde používá k popisu stavebních bloků používaných ve stavebním procesu. Důvod tohoto algoritmu spočívá v tom, že organické struktury lze rozložit na základní chemické fragmenty. Přestože je rozmanitost organických struktur nekonečná, počet základních fragmentů je spíše omezený.
Před vložením prvního fragmentu, tj. semínka, do vázací kapsy a přidáváním dalších fragmentů jeden po druhém bychom měli myslet na některé problémy. Za prvé, možnost kombinací fragmentů je obrovská. Malá odchylka předchozí konformace fragmentů by způsobila velký rozdíl v následujícím konstrukčním procesu. Zároveň by se pro nalezení nejnižší vazebné energie na Potenciální energetické ploše (PES) mezi zasazenými fragmenty a receptorovou kapsou prováděl výpočet bodovací funkce pro každý krok konformační změny fragmentů odvozených z každého typu možné kombinace fragmentů. Vzhledem k tomu, že to vyžaduje velké množství výpočtů, lze uvažovat o použití jiných možných strategií, aby program fungoval efektivněji. Když je ligand vložen do kapsy receptoru, měla by být dána přednost konformační přízni těchto skupin na ligandu, který se může pevně vázat s receptorem. Proto nám to umožňuje umístit několik semen najednou do oblastí, které mají významné interakce se semeny a upravit nejprve jejich oblíbenou konformaci a poté tato semena spojit do kontinuálního ligandu způsobem, který způsobí, že zbytek ligandu bude mít nejnižší energii. Konformace předem umístěných semen zajišťující vazebnou afinitu rozhoduje o způsobu, jakým by byl ligand vypěstován. Tato strategie efektivně snižuje výpočetní zátěž pro konstrukci fragmentu. Na druhou stranu snižuje možnost kombinace fragmentů, což snižuje počet možných ligandů, které lze z programu odvodit. Tyto dvě výše uvedené strategie jsou dobře používány ve většině strukturně založených programech pro návrh léčiv. Jsou popsány jako „Grow“ a „Link“. Obě strategie jsou vždy kombinovány, aby byl výsledek konstrukce spolehlivější.
Konstrukce léčiv založená na struktuře se pokouší využít strukturu proteinů jako základ pro navrhování nových ligandů uplatněním uznávaných principů molekulárního rozpoznávání. Základním předpokladem konstrukce léčiv založených na struktuře je, že dobrá molekula ligandu by se měla pevně vázat na svůj cíl. Tudíž jedním z nejdůležitějších principů pro navrhování nebo získávání potenciálních nových ligandů je předpovědět vazebnou afinitu určitého ligandu k jeho cíli a použít ji jako kritérium pro výběr.
Průlomovou práci provedl Böhm s cílem vyvinout empirickou funkci s obecným cílem popsat vazebnou energii. Byl vznesen koncept „Master Equation“. Základní myšlenkou je, že celková vazebná volná energie může být rozložena do nezávislých složek, o kterých je známo, že jsou důležité pro vázací proces. Každá složka odráží určitý druh změny volné energie během vázacího procesu mezi ligandem a jeho cílovým receptorem. Master Equation je lineární kombinace těchto složek. Podle Gibbsovy rovnice volné energie byl postaven vztah mezi disociační rovnovážnou konstantou, Kd a složkami volného střídání energie.
Podmodely empirických funkcí se liší díky ohleduplnosti výzkumníků. Navrhnout podmodely bylo dlouhou dobu vědeckou výzvou. V závislosti na jejich modifikaci se zlepšuje a průběžně dovršuje empirická bodovací funkce.
Na rozdíl od tradičních metod objevování léčiv, které se opírají o testování chemických látek metodou pokus-omyl na kultivovaných buňkách nebo zvířatech a porovnávání zjevných účinků s léčbou, racionální návrh léčiv začíná hypotézou, že modulace specifického biologického cíle může mít terapeutickou hodnotu. Aby mohla být biomolekula vybrána jako cíl léčiv, jsou zapotřebí dvě základní informace. První je důkaz, že modulace cíle bude mít terapeutickou hodnotu. Tyto poznatky mohou pocházet například ze studií souvislostí onemocnění, které ukazují souvislost mezi mutacemi v biologickém cíli a určitými stavy onemocnění. Druhá je, že cíl je „drugable“. To znamená, že je schopen se vázat na malou molekulu a že jeho aktivita může být modulována malou molekulou.
Jakmile je určen vhodný cíl, je cíl obvykle naklonován a vyjádřen. Vyjádřený cíl se pak použije ke stanovení screeningové zkoušky. Kromě toho lze určit trojrozměrnou strukturu cíle.
Pátrání po malých molekulách, které se vážou na cíl, začíná screeningem knihoven potenciálních sloučenin drog. To lze provést pomocí screeningového testu („wet screen“). Navíc, pokud je k dispozici struktura cíle, lze provést virtuální screening kandidátských drog. V ideálním případě by kandidátské sloučeniny drog měly být „podobné drogám“, to znamená, že by měly mít vlastnosti, u kterých se předpokládá, že povedou k orální biologické dostupnosti, odpovídající chemické a metabolické stabilitě a minimálním toxickým účinkům. Jedním ze způsobů odhadu druglikeness je Lipinského pravidlo pěti. Ve vědecké literatuře bylo navrženo několik metod pro předpovídání metabolismu drog a nedávným příkladem je SPORCalc. Vzhledem ke složitosti procesu návrhu léčiv jsou dva pojmy zájmu stále serendipity a ohraničená racionalita. Tyto výzvy jsou způsobeny velkým chemickým prostorem popisujícím potenciální nové drogy bez vedlejších účinků.
Počítačově asistovaný návrh léčiv
Počítačově asistovaný návrh léčiv využívá výpočetní chemii k objevování, vylepšování nebo studiu léčiv a příbuzných biologicky aktivních molekul. Nejzákladnějším cílem je předpovědět, zda se daná molekula naváže na cíl a pokud ano, jak silně. Molekulární mechanika nebo molekulární dynamika se nejčastěji používá k předpovědi konformace malé molekuly a k modelování konformačních změn v biologickém cíli, které mohou nastat, když se na ni malá molekula naváže. Často se používají semiempirické metody kvantové chemie ab initio nebo teorie funkční hustoty, které poskytují optimalizované parametry pro výpočty molekulární mechaniky a také poskytují odhad elektronických vlastností (elektrostatický potenciál, polarizabilita atd.) kandidáta na léčivo, které ovlivní vazebnou afinitu.
Metody molekulární mechaniky mohou být také použity k semikvantitativní predikci vazebné afinity. Alternativně lze k odhadům vazebné afinity použít skórovací funkci založenou na znalostech. Tyto metody používají lineární regresi, strojové učení, neuronové sítě nebo jiné statistické techniky k odvození prediktivních vazebných afinitních rovnic tím, že se experimentální afinity přizpůsobí výpočetně odvozeným interakčním energiím mezi malou molekulou a cílem.
V ideálním případě by výpočetní metoda měla být schopna předpovídat afinitu před syntézou sloučeniny, a proto teoreticky stačí syntetizovat pouze jednu sloučeninu. Realita je však taková, že současné výpočetní metody poskytují přinejlepším pouze kvalitativní přesné odhady afinity. Proto v praxi stále trvá několik iterací návrhu, syntézy a testování, než je objevena optimální molekula. Na druhou stranu výpočetní metody urychlily objev snížením počtu požadovaných iterací a navíc často poskytly více nových malých molekulových struktur.
Návrh léku s pomocí počítačů může být použit v kterékoli z následujících fází objevu léku:
Konkrétním příkladem racionálního návrhu léku je použití trojrozměrných informací o biomolekulách získaných takovými technikami, jako je rentgenová krystalografie a NMR spektroskopie. Tento přístup k objevu léku je někdy označován jako návrh léku založený na struktuře. Prvním jednoznačným příkladem použití návrhu léku založeného na struktuře, který vede ke schválenému léku, je inhibitor karboanhydrázy dorzolamid, který byl schválen v roce 1995.
Další důležitou případovou studií racionálního lékového designu je imatinib, inhibitor tyrosinkinázy navržený speciálně pro fúzní protein bcr-abl, který je charakteristický pro Philadelphia chromozom-pozitivní leukémie (chronická myeloidní leukémie a občas akutní lymfocytární leukémie). Imatinib se podstatně liší od předchozích léků na rakovinu, protože většina chemoterapeutik se jednoduše zaměřuje na rychle se dělící buňky, nerozlišuje mezi nádorovými buňkami a jinými tkáněmi.