Ρόλος των φυσικοχημικών Ιδιοτήτων στο. Σχεδιασμό των Φαρμάκων

Transcript

1 Ρόλος των φυσικοχημικών Ιδιοτήτων στο Σχεδιασμό των Φαρμάκων

2 Από το μόριο στο φάρμακο-κόστος ανάπτυξης Β$ Αγορά 1.5 Φάση III 1.1 Β$ Β$ 1.0 Αγορά Φάση III Phase II Φάση I Φάση II Φάση I Προκλινική 0.5 Ανακάλυψη Προκλινική Ανακάλυψη

3 Μερικά Στατιστικά Στοιχεία στην Ανάπτυξη νέων Φαρμάκων Φάση ΙΙΙ. Αποτελεσματικότητα και μακροχρόνιες ανεπιθύμητες ενέργειες σε ασθενείς εθελοντές Φάση ΙΙ. Αποτελεσματικότητα και ανεπιθύμητες ενέργειες σε ασθενείς εθελοντές 1 ένωση εγκρίνεται 1 Φάση Ι. (έλεγχος ασφάλειας και δοσολογίας σε υγιείς εθελοντές) 5 ενώσεις εισάγονται σε κλινικές δοκιμές Έλεγχος 5000 ενώσεων έτη

4

5 Μερικά Στατιστικά Στοιχεία στην Ανάπτυξη νέων Φαρμάκων Ποσοστό αποτυχίας > 80% Χρόνος Ανάπτυξης > 10 έτη 40% των ενώσεων που ανακαλύπτονται προωθούνται σε κλινικές μελέτες 10% από αυτές εισάγονται στην αγορά

6 Μερικά Στατιστικά Στοιχεία στην Ανάπτυξη νέων Φαρμάκων 10% των ενώσεων που έχουν φαρμακολογική δράση εισάγονται στην αγορά ~ 40% των ενώσεων που αποτυγχάνουν οφείλεται σε χαμηλή βιοδιαθεσιμότητα κακές βιοφαρμακευτικές ιδιότητες αποτελούν έναν από τους λόγους καθυστέρησης στη ανάπτυξη ενος φαρμάκου

7 Λόγοι αποκλεισμού από την κλινική ανάπτυξη 10% 5% 10% 5% Διάφοροι Ανεπιθύμητες ενέργειες στον άνθρωπο Εμπορικοί λόγοι Μη αποτελεσματικότητα 40% 30% Φαρμακοκινητική Τοξικότητα σε ζώα

8 Από το μόριο στο φάρμακο- Λόγοι αποκλεισμού από την κλινική ανάπτυξη I. Kola et al., Nat. Rev. Drug Discov., 2004, 3,

9 Από το μόριο στο φάρμακο- Που εστιάζει ο σχεδιασμός? στο επί μέρους? στο όλον? Προς μια ολιστική προσέγγιση για την ανάπτυξη νέων φαρμάκων Πολύ-παραγοντικός σχεδιασμός φαρμάκων-multi-objective drug design

10 Discovery/Development process in silico HTS methods measurements idea target hit lead drug ADME

11 Στόχοι φαρμάκων Human genome: ca. 30,000 predicted genes Currently known targets: ca. 500

12 Χημικός χώρος/ Φαρμακευτικός χώρος Chemical Space/ Drug space Hit? Lead? Ο χημικός χώρος (chemical space) είναι αχανής Ο φαρμακευτικός χώρος (drug space) αποτελεί μικρό υποσύνολο του χημικού χώρου Χημικός Χώρος Χώρος φαρμακομορίων Ανακάλυψη αρχικής δομής (Hit generation)

13 Φαρμακευτικός χώρος Αριθμός των πιθανών φαρμακομορίων: Αριθμός γνωστών φαρμακομορίων: 10 7 Εχει ανακαλυφθεί το % του χώρου των φαρμακομορίων Lahana, Drug Discovery Today 4, 447 (1999)

14 Σύγχρονες τάσεις στο σχεδιασμό των φαρμάκων Οι φυσικοχημικές ιδιότητες των νέων μορίων εξετάζονται παράλληλα με τη συγγένεια τους με τον υποδοχέα ήδη στα πρώιμα στάδια σχεδιασμού Εχει το μόριο χαρακτηριστικά φαρμάκου? Druglikeness Fail fast, fail cheap

15 Επίδραση των φυσικοχημικών ιδιοτήτων στη φαρμακοκινητική συμπεριφορά Οι φυσικοχημικές ιδιότητες καθορίζουν τα χαρακτηριστικά ADME Α: Absorption, Απορρόφηση D: Distribution, Κατανομή M: Metabolism, Μεταβολισμός E: Elimination, Αποβολή

16 Druglikeness Διαχωρισμός των επιτυχιών από τις αποτυχίες στα πρώιμα στάδια ανακάλυψης νέων φαρμάκων- οι ιδιότητες ως φίλτρα- Property based drug design Εφαρμογή χημειομετρίας για την ποσοτικοποίηση της επίδρασης των ιδιοτήτων Ποσοτικές Σχέσεις Δομής Δράσης- QSAR Property based design Structure based design Ligand based design Fragment based design

17 ..ποιές ιδιότητες αναζητούμε? λιποφιλία ιονισμός διαλυτότητα Φυσικοχημικές ιδιότητες σχήμα, όγκος, επιφάνεια, MΒ, διπολική ροπή, πολωσιμότητα. Μοριακές Ιδιότητες HA Πολική επιφάνεια, PSA HD Περιστρεφόμενοι δεσμοί Μερικά φορτία, ενέργειες, Είδος ατόμων Τύποι δεσμών μήκη δεσμών, γωνίες, δίεδρες γωνίες Συνδετικότητα, τοπολογικοί δείκτες.. Dragon, Copdessa, Spartan

18 Λιποφιλία, ιονισμός, διαλυτότητα QSAR QSPR πρόσδεση στον υποδοχέα απορρόφηση/διαπερατότητα λιποφιλία ιονισμός διαλυτότητα Γαστρεντερική απορρόφηση/μορφοποίηση

19 Οι φυσικοχημικές/μοριακές ιδιότητες ως φίλτρα

20 Διαλυτότητα- Βιοφαρμακευτικό Σύστημα Ταξινόμησης

21 Ο ρόλος της λιποφιλίας Λιποφιλία και διαπερατότητα Λιποφιλία και πρόσδεση στον υποδοχέα Λιποφιλία και πρωτείνες-μεταφορείς Λιποφιλία και ανεπιθύμητες ενέργειες από το ΚΝΣ Λιποφιλία και μεταβολισμός Λιποφιλία και τοξικότητα

22 Η λιποφιλία στο σχεδιασμό των φαρμάκων Πως μετρείται? logp, logd στο σύστημα οκτανόλης νερού Hansch C, Fujita T, J.A.C.S., 1964 Η αρχή της ελάχιστης λιποφιλίας (Hansch et al, 1987) Κανόνας του 5 (Lipinski et al, 1997)

23 Αρχή της ελάχιστης λιποφιλίας Σύμφωνα με την αρχή της ελάχιστης λιποφιλίας, ο σχεδιασμός των φαρμάκων πρέπει να προσανατολίζεται σε ενώσεις που προκαλούν την επιθυμητή δράση και έχουν την ελάχιστη προς τούτο λιποφιλία. Η αρχή της ελάχιστης λιποφιλίας είναι ιδιαίτερα σημαντική για: ενώσεις που δρουν την περιφέρεια ενώσεις με διεγερτική δράση στο ΚΝΣ (π.χ. αναλγητικά), δεδομένου ότι η άριστη τιμή διαπερατότητας του ΑΕΦ (logp ~ 2) σχετίζεται με κατασταλτική δράση.

24 Κανόνας του 5 του Lipinski Ανα δύο μη ευνοϊκά μοριακά/φυσικοχημικά χαρακτηριστικά MW > 500 clogp > 5 HD > 5 HA > 10 Για την από του στόματος χορήγηση! μέγεθος λιποφιλία Ικανότητα σχηματισμού δεσμών υδρογόνου Lipinski et al Adv.Drug Deliv.Rev. 23, 3-25, 1997

25 Physicochemical properties influencing oral drug absorption

26 Φαρμακομοριακά χαρακτηριστικά-property based drug design μεγεθος λιποφιλία Ικανότητα σχηματισμού δεσμών υδρογόνου MW 500 clogp 5 HD 5 HA 10 clogd 7.4 : -1 to 3 πολικότητα ευκαμψία PSA 120 Ǻ 2 RB 10 CMR 4-13 Å 3 Αριθμός δακτυλίων 2-4

27 Μοριακό βάρος Το χρυσό τρίγωνο Λιποφιλία Johnson et al, Biorg. Med. Chem Lett. 2009, 19,

28 Χαρακτηριστικά ενώσεων οδηγών, Leadlike Characteristics Σχεδιασμός μέσω μοριακών θραυσμάτων, fragment based lead discovery: MW 300 clogp 3 HD 3 HA 6 Drug Discovery Today 2003, 8,

29 Αποτελεσματικότητα προσδέματος, Ligand efficiency LE= ΔG Ν Η LE= RT*pIC 50 = Ν Η 1.4*pIC 50 Ν Η Ν Η αριθμός βαρέων ατόμων Hopkins et al Drug Discov. Today, 2004, 9, 430-1

30 Αποτελεσματικότητα προσδέματος ως προς τη λιποφιλία, Ligand Lipophilicity Efficiency, LLE LLE=pIC 50 -logp LLE 6 IC 50 10nM με logp 2 10 nm with logp 3 Σε συμφωνία με την αρχή της ελάχιστης λιποφιλίας LLE =5

31 Ligand Lipophilicity Efficiency- θερμοδυναμική προσέγγιση -ΔG= -ΔH+TΔS Η συγγένεια του φαρμάκου προς τον υποδοχέα πρέπει να βελτιστοποιείται αναφορικά με την ενθαλπική συνιστώσα μέσω εξειδικευμένων αλληλεπιδράσεων (ηλεκτροστατικών, δεσμών υδρογόνου) Αύξηση της εντροπίας μέσω υδρόφοβης σύνδεσης αυξάνει τον κίνδυνο ανεπιθυμήτων ενεργειών (εκτός των προβλημάτων στις ιδιότητες ADME)

32 Άλλοι δείκτες ( metrics) Δείκτης % αποτελεσματικότητας, Percent Efficiency Index, PEI: % αναστολή (Inh) (ως κλάσμα μεταξύ 0 and 1) δια του MΒ (kda) PEI=f(Inh)/Mw Δείκτης αποτελεσματικότητας πρόσδεσης Binding Efficiency Index, BEI= pic 50 /Mw (kda) Δείκτης αποτελεσματικότητας ως προς την πολική επιφάνεια Surface Efficiency Index, SEI= pic 50 /PSA (in 100s Ǻ) Abad-Zapatero C, Expert Opin.Drug Discov..2007,2, Ligand Efficiency Dependent Lipophilicity, LEDL= logp/le Keseru et al, Nat.Rev. Drug Discov. 2009, 8,

33 Κανόνες του χεριού, Δείκτες. Πλεονεκτήματα: Είναι απλοί Είναι εύκολη η ερμηνεία τους Μειονεκτήματα : Είναι απλοί εύκολο να παρερμηνευτούν Δεν λαμβάνουν υπ όψη την αβεβαιότητα IC 50 λιποφιλία Δεν λαμβάνουν υπ οψη διαφορετικές θεραπευτικές κατηγορίες, εμφανίζονται ως γενικοί κανόνες.

34 Αβεβαιότητα στην πρόβλεψη της λιποφιλίας Οι προβλέψεις της λιποφιλίας βασίζονται σε πειραματικές τιμές Για πολύπλοκες ενώσεις διαφορετικά υπολογιστικά συστήματα προβλέπουν διαφορετικές τιμές logp Μεγαλύτερες αποκλίσεις παρατηρούνται για τις τιμές logd ιονιζόμενων ενώσεων

35 Ποσοτικές Σχέσεις Δομής-Δράσης Βελτιστοποίηση της Ενωσης-Οδηγού Δράση = f (δομή) Δράση = f (λιποφιλία+ηλεκτρονιακές ιδ.+ στερικές ιδ.) Βιολογικές αποκρίσεις = f (περιγραφικές μεταβλητές) Στατιστική επεξεργασία

36 ..ποιές ιδιότητες αναζητούμε? λιποφιλία ιονισμός διαλυτότητα Φυσικοχημικές ιδιότητες σχήμα, όγκος, επιφάνεια, MΒ, διπολική ροπή, πολωσιμότητα. Μοριακές Ιδιότητες HA Πολική επιφάνεια, PSA HD Περιστρεφόμενοι δεσμοί Μερικά φορτία, ενέργειες, διπολική ροπή Είδος ατόμων Τύποι δεσμών μήκη δεσμών, γωνίες, δίεδρες γωνίες Συνδετικότητα, τοπολογικοί δείκτες.. Dragon, Copdessa, Spartan

37 Descriptors Περιγραφικές μεταβλητές που συμβάλλουν στην κατανόηση των φαινομένων Περιγραφικές μεταβλητές που είναι χρήσιμες για προβλέψεις

38 Τοπολογικοί δείκτες Μοριακή συνδετικότητα (Δείκτες Randic, Kier, Balaban, Wiener index) Μοριακό σχήμα Ευκαμψία συμμετρία Προκύπτουν από το σκελετό του μορίο, των υδρογόνων μη συμπεριλαμβανομένων Ηλεκτροτοπολογικοί δείκτες Ε-state indices Getaway descriptors (Geometry Topology and Atom-Weights Assembly) Υπολογίζονται από την Molecular Influence matrix Προκύπτουν από το σκελετό του μορίου, των υδρογόνων συμπεριλαμβανομένων WHIM descriptors (Weighted Holistic Invariant Molecular descriptors) Στατιστικοί δείκτες- υπολογίζονται από τις προβολές των ατόμων σε κύριους άξονες

39 2 3 Μοριακή συνδετικότητα χ = Σ (δ i δ j ) 0,5 1 χ v = Σ (δ v i δ v j) 0,5 δ: αριθμός των συνδεδεμένων ατόμων Δ v = Ζ v -Η 2 χ = Σ (δ i δ j δ k ) 0,5 2 χ = Σ (δ v i δ v j δ v k) 0,5 κλπ

40 Μοριακή συνδετικότητα-μοριακό σχήμα 1 κ α =(Α+α)(Α+α-1) 2 / 1 Ρ i +α) 2 Α: αριθμός των ατόμων (όχι υδρογόνων) α=rx/rcsp3 1 Ρ: αριθμός των δυνατών μονοπατιών με δυο ακμές 2 κ α 2 Ρ 3 κ α 3 Ρ

41 Grid based descriptors Μolecular Interactions Fields (MIF) Volsurf descriptors

42 Ποσοτικές Σχέσεις Δομής-Δράσης Στόχος: Η άντληση όσο το δυνατόν περισσότερων πληροφοριών από όσο το δυνατόν λιγότερα πειράματα Εξαγωγή μοντέλου Σχέσεων Δομής Δράσης Τελικός στόχος: Κατανόηση του μηχανισμού δράσης Προβλέψεις για τη σύνθεση (ή τη μη σύνθεση) νέων παραγώγων

43 Ποσοτικές Σχέσεις Δομής-Δράσης Quantitative Structure-Activity Relationships (QSAR) Αξιοποίηση των πληροφοριών με Στατιστική/Χημειομετρία Πολλαπλή Γραμμική Ανάλυση Παλινδρόμησης (Multiple Linear Regression Analysis) Πολυμεταβλητή Ανάλυση Δεδομένων Multivariate Data Analysis

44 Πολλαπλή γραμμική ανάλυση παλινδρόμησης Η πολλαπλή γραμμική ανάλυση παλινδρόμησης επιτρέπει την συσχέτιση μιας εξαρτημένης μεταβλητής με περισσότερες ανεξάρτητες μεταβλητές (παραμέτρους). Δημιουργείται ένας πίνακας δεδομένων, όπου οι σειρές αντιστοιχούν στις διαφορετικές ενώσεις και οι στήλες στις μεταβλητές. Η πρώτη στήλη αφορά στην εξαρτημένη μεταβλητή Υ και οι υπόλοιπες στις ανεξάρτητες μεταβλητές (παραμέτρους) Χ. Εξάγεται εξίσωση της μορφής: Δράση = αο + α 1 Ρ 1 + α 2 Ρ 2 + α 3 Ρ α n Ρ n (Βιολογική ιδιότητα) Ρ 1 - Ρ n :παράμετροι που περιγράφουν τη δομή α 1 -α n : συντελεστές που εξάγονται με τη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων

45 Πολλαπλή γραμμική ανάλυση παλινδρόμησης Απαραίτητα στατιστικά στοιχεία που πρέπει να συνοδεύουν την εξίσωση παλινδρόμησης είναι:. n: Αριθμός σειρών δεδομένων (ενώσεων) n-k: Βαθμοί ελευθερίας, όπου k ο αριθμός των μεταβλητών (ανεξαρτήτων + εξαρτημένης). Ο αριθμός των βαθμών ελευθερίας πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερος για την εξαγωγή αξιόπιστου μοντέλου QSΑR (μεγάλο n, μικρό k). Γενικά θεωρείται ότι για κάθε παράμετρο πρέπει να αντιστοιχούν τουλάχιστον 5 ενώσεις.

46 Πολλαπλή γραμμική ανάλυση παλινδρόμησης r: Συντελεστής συσχετίσεως Πρέπει να τείνει στο 1 Ο Συντελεστής συσχετίσεως προσαρμόζεται ως προς τους βαθμούς ελευθερίας Η τιμή του συντελεστή συσχέτισης, η οποία θεωρείται ικανοποιητική σε μια μελέτη QSAR, εξαρτάται από την ακρίβεια και ποιότητα των τιμών της εξαρτημένης μεταβλητής, δηλ. από την πολυπλοκότητα της διάταξης που χρησιμοποιήθηκε για να προσδιοριστεί η βιολογική δράση. Για πειράματα σε μοριακό επίπεδο επιδιώκεται τιμή r > 0.95 Για πειράματα σε απομονωμένο όργανο τιμές r ~ 0.9 είναι ήδη ικανοποιητικές, Για πειράματα in vivo τιμή r ~ 0.8 αποτελεί ήδη στοιχείο για την ύπαρξη μοντέλου. r 2 x100 : Ποσοστό περιπτώσεων που ερμηνεύει η εξίσωση.

47 Πολλαπλή γραμμική ανάλυση παλινδρόμησης s: Τυπική απόκλιση Πρέπει να τείνει στο 0. Η τυπική απόκλιση προσαρμόζεται ως προς τους βαθμούς ελευθερίας. 2s: Το διπλάσιο της τυπικής απόκλισης δίνει το όριο ανοχής σφάλματος υπολογισμού της εξίσωσης. Η διαφορά Δ των υπολογιζόμενων τιμών Υυπολ από τις πειραματικές τιμές Υ πρέπει είναι μικρότερη από 2s (Δ<2s), για να προσαρμόζονται οι ενώσεις στο μοντέλο της εξίσωσης. Εάν Δ>2s η ένωση αποτελεί έκροπη τιμή οutlier

48 Πολλαπλή γραμμική ανάλυση παλινδρόμησης F-test: καθορίζει το επίπεδο σημαντικότητας της εξίσωσης Student test t: Καθορίζει την σημαντικότητα κάθε παραμέτρου. Για να είναι σημαντική μια παράμετρος πρέπει t >2 Για να θεωρείται ωστόσο στατιστικά σημαντική η εισαγωγή μιας επί πλέον παραμέτρου πρέπει εκτός των προϋποθέσεων που προκύπτουν από τα F- και t- test, να αυξάνει τουλάχιστον κατά 10% το ποσοστό περιπτώσεων που ερμηνεύει η εξίσωση (r2 x100). Γενικά προτιμάται το όσο το δυνατόν απλούστερο μοντέλο

49 Περιορισμοί στην Πολλαπλή γραμμική ανάλυση παλινδρόμησης Η μέθοδος περιορίζεται σε μια μόνο εξαρτημένη μεταβλητή Υ. Οι ανεξάρτητες μεταβλητές Χ πρέπει να είναι πραγματικά ανεξάρτητες (ορθογώνιες) να μην συσχετίζονται δηλ. μεταξύ τους. Ο πίνακας των ανεξαρτήτων μεταβλητών Χ πρέπει να έχει μεγάλο ύψος - αυξημένος αριθμός σειρών ( ενώσεων)- και μικρό πλάτος - μικρός αριθμός στηλών (μεταβλητών Χ). Υπάρχει κίνδυνος τυχαίας συσχέτισης, αν και αυτό αποφεύγεται με την εφαρμογή μεθόδων για τον έλεγχο αξιοπιστίας της εξίσωσης.

50 Πολλαπλή γραμμική ανάλυση παλινδρόμησης Εάν η αναμενόμενη σχέση δεν είναι γραμμική, γίνονται μαθηματικές μετατροπές στην εξαρτημένη ή τις ανεξάρτητες μεταβλητές y logy 1/y x x n 1/x x %y logit= %y/(100-%y)

51 Προϋποθέσεις για την εξαγωγή Ποσοτικών Σχέσεων Δομής- Δράσης Οι ενώσεις να δρουν όλες με τον ίδιο μηχανισμό δράσης και στον ίδιο υποδοχέα Η βιολογική δράση να είναι εκφρασμένη με αριθμητικά δεδομένα, τα οποία να αντιστοιχούν σε μοριακές συγκεντρώσεις Να είναι γνωστό το επίπεδο διεξαγωγής των βιολογικών πειραμάτων (μοριακό επίπεδο, κυτταρικό επίπεδο, πειράματα in situ, απομονωμένο όργανο, σύστημα, ολόκληρος οργανισμός) Τα βιολογικά πειράματα να συνοδεύονται με πληροφορίες για την αξιοπιστία και την επαναληψιμότητά τους Η βιολογική δράση να είναι διαφοροποιημένη και καλά κατανεμημένη

52 Ποσοτικές Σχέσεις Δομής-Δράσης Τα βιολογικά δεδομένα χρησιμοποιούνται (συνήθως ) υπό τη μορφή αρνητικού δεκαδικού λογαρίθμου. log1/c, log1/ed50 Κατ αυτόν τον τρόπο τα δεδομένα αυξάνουν αριθμητικά με την αύξηση της δράσης και βρίσκονται σε γραμμική σχέση με την ελεύθερη ενέργεια, δεδομένου ότι τα βιολογικά μεγέθη ως επί το πλείστον σχετίζονται άμεσα ή έμμεσα με σταθερές ισορροπίας ή ρυθμού. Η λογαριθμική μορφή επιτρέπει καλύτερη κατανομή των δεδομένων.

53 Πολλαπλή γραμμική ανάλυση παλινδρόμησης Επιλογή παραμέτρων Να είναι ανεξάρτητες μεταξύ τους Να εμφανίζουν σημαντική διακύμανση- αφαιρούνται παράμετροι που έχουν τιμές κοντα στο 0 ή έχουν περίπου σταθερή τιμή-κριτήριο η τυπική απόκλιση Να εμφανίζουν μερική συσχέτιση- επιλογήμε διαδικασία forward, stepwise, backward Εφαρμογή εξελικτικών αλγορίθμων (ΕΑ) Γενετικών Αλγορίθμων (GA)

54 Εξελικτικοί αλγόριθμοι Επιλέγεται τυχαία ένας συνδυασμός παραμέτρων (αρχικό μοντέλο) και ακολουθούν μεταλλάξεις μέχρις ότου ληφθεί το καλύτερο μοντέλο Γενετικοί αλγόριθμοι Επιλέγονται τυχαία περισσότεροι συνδυασμοί και ακολουθούν ανασυνδυασμοί μέρας ότου ληφθούν τα καλύτερα μοντέλα Κρατείται(ούνται) το(α) καλύτερο(α) μοντέλα(α), τα υπόλοιπα απορρίπτονται και ο κύκλος επαναλαμβάνεται μερικές εκατοντάδες φορές Λήψη σταθερών μοντέλων.

55 Πολυμεταβλητή Ανάλυση Δεδομένων Multivariate Data Analysis (MVDA) Principal Component Analysis Ανάλυση Κυρίων Συνιστωσών Projections to Latent Structures, Partial Least Squares (PLS) Προβολές Μερικών Ελαχίστων Τετραγώνων σε Λανθάνουσες Δομές Projections to Latent Structures- Partial Least Squares Discriminant Analysis (PLS-DA)

56 Πλεονεκτήματα MVDA Ο πίνακας των δεδομένων είναι στενός και μακρύς (Λίγα αντικείμενα, πολλές μεταβλητές Δεν επηρεάζεται από αλληλοσυσχέτιση (collinearity) μεταξύ των μεταβλητών Επιτρέπει την ανάλυση πολλών εξαρτημένων μεταβλητών ταυτόχρονα. Οι μεταβλητές δεν απαιτείται να είναι ακριβείς Είναι δυνατόν να λείπουν τιμές στον πίνακα των δεδομένων Δεν ακολουθείται η φιλοσοφία της αλλαγής μιας μεταβλητής τη φορά

57 MVDA Η πολυμεταβλητή αναλυση δεδομένων στηρίζεται στη μέθοδο των προβολών των σημείων (αντικειμένων) από ένα πολυδιάστατο χώρο σε ένα χώρο μικρότερων διαστάσεων.

58 Ανάλυση κυρίων συνιστωσών (PCA)

59 Ανάλυση κυρίων συνιστωσών (PCA)

60 Ανάλυση κυρίων συνιστωσών (PCA)

61 Ανάλυση κυρίων συνιστωσών (PCA)

62 Ανάλυση κυρίων συνιστωσών (PCA)

63 Ανάλυση κυρίων συνιστωσών

64 Ανάλυση κυρίων συνιστωσών

65 Partial Least Squares Projections to Latent Structures (PLS) Προβολές Μερικών Ελαχίστων Τετραγώνων σε Λανθάνουσες Δομές Κ: Περιγραφικές μεταβλητές K Μ:Αποκρίσεις M N X PLS N Y Ν:αντικείμενα, παρατηρήσεις

66 Partial Least Squares Projections to Latent Structures (PLS)

67 Partial Least Squares Projections to Latent Structures (PLS)

68 Partial Least Squares Projections to Latent Structures (PLS)

69 Partial Least Squares Projections to Latent Structures (PLS)

70 Partial Least Squares Projections to Latent Structures (PLS)

71 Partial Least Squares Projections to Latent Structures (PLS)

72 Partial Least Squares Projections to Latent Structures (PLS) Χ=1*x+TP +E Y=1*y+UC +F U=T+H (εσωτερική σχέση) Y=1*y+UC +G Κατά τη διαδικασία PLS τα δεδομένα προσαρμόζονται ταυτόχρονα σε δύο μοντέλα PCA

73 T U C Ε,F, H, G Πίνακας των scores που συνοψίζει τις μεταβλητές Χ Πίνακας των scores που συνοψίζει τις μεταβλητές Y Πίνακας των βαρών που εκφράζει τη συσχέτιση μεταξύ Y και Τ (Χ) Πίνακας υπολοίπων

74 Partial Least Squares Projections to Latent Structures (PLS) Στον αλγόριθμο PLS περιλαμβάνονται επι πλέον φορτία (loadings), τα βάρη W. Τα βάρη W εκφράζουν τη συσχέτιση μεταξύ U(Y) και Χ (πρώτη διάσταση, και ακολούθως των υπολοίπων των μεταβλητών Χ) και χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των Τ W* είναι τα βάρη που συσχετίζουν τις αρχικές μεταβλητές Χ (όχι τα υπόλοιπα) ώστε να προκύψουν οι συντεταγμένες t

75 Partial Least Squares Projections to Latent Structures (PLS) Στον αλγόριθμο PLS περιλαμβάνονται επι πλέον φορτία (loadings), τα βάρη W. Τα βάρη W εκφράζουν τη συσχέτιση μεταξύ U(Y) και Χ (πρώτη διάσταση, και ακολούθως των υπολοίπων των μεταβλητών Χ) και χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των Τ W* είναι τα βάρη που συσχετίζουν τις αρχικές μεταβλητές Χ (όχι τα υπόλοιπα) ώστε να προκύψουν οι συντεταγμένες t

76 Ανασταλτική δράση στην αναγωγάση της αλδόζης Fig. (5). Permutation test: R2: intercept = -0.04, Q2: intercept =

77 Επίδραση της λιποφιλίας στην διαπερατότητα Παραβολικό Μοντέλο (Μοντέλο Hansch) Στηρίζεται στην υπόθεση ότι η πιθανότητα W να βρεθούν τα μόρια του φαρμάκου στον τόπο δράση ακολουθεί κανονική κατανομή σε σχέση με τον συντελεστή μερισμού logp W= f(logp)= ae -1/b(logP-logPo) 2 logbr = -a (logp) 2 Αριστη τιμή logpο : + blogp +c -2a logpo + b= 0 logpo=b/2a

78 Επίδραση της λιποφιλίας στην διαπερατότητα Παραβολικό μοντέλο

79 Αριστες τιμές logpo Διαπερατότητα αιματοεγκεφαλικού φραγμού: logpo/ logdo ~ 2 Μη ειδικώς δρώντα κατασταλτικά ΚΝΣ Διαπερατότητα κυτταρικής μεμβράνης μικροοργανισμών (+) Gram : logpo/ logdo ~ 6 Διαπερατότητα κυτταρικής μεμβράνης μικροοργανισμών (-) Gram : logpo/ logdo ~ 4 Μη ειδικώς δρώντα αντιμικροβιακά

80 Επίδραση της λιποφιλίας στην διαπερατότητα Διγραμμικό Μοντελο (Μοντέλο Kubinyi) log1/c = alogp + blog(βp+1)+ c β : Ο λόγος του όγκου των λιποειδικών φάσεων ως προς τον όγκο των υδατικών φάσεων Po= a β(b-a) β = a Po (b-a)

81 Επίδραση της λιποφιλίας στην διαπερατότητα

82 Επίδραση της λιποφιλίας στην διαπερατότητα Γραμμική Σχέση log1/c = alogp +b

83 Επίδραση της λιποφιλίας στην διαπερατότητα Υπερβολικό Μοντέλο (Hyde) log1/c =-log(a logp ) +b

84 Επίδραση της λιποφιλίας στη διαπερατότητα

85 Διαπερατότητα ΑΕΦ Φραγμός ιδιαίτερων απαιτήσεων Η διαπερατότητα του ΑΕΦ σχετίζεται με σοβαρές ανεπιθύμητες ενέργειες Έννοια της ελάχιστης λιποφιλίας (Hansch 1987) Πρώτη προσέγγιση στην θεσμοθέτηση ορίων λιποφιλίας

86 Διαπερατότητα ΑΕΦ Μελέτη παραγώγων της ιμιδαζολίνης με κεντρική αντιυπερτασική δράση log[brain]/[iv] = (logd) logd 0.09 n=14 r= s= logdo = 2.16

87 Λιποφιλία- Ανεπιθύμητα φαινόμενα Αυξημένη λιποφιλία οδηγεί σε: Παρατεταμένη παραμονή μιας ουσίας στον οργανισμό με αποτέλεσμα την εμφάνιση αθροιστικών φαινομένων. Αύξηση της τοξικότητας. Η τοξικότητα σχετίζεται θετικώς γραμμικά με τη λιποφιλία. O Richet είχε διατυπώσει ήδη από τα τέλη του 19ου αιώνα, ότι όσο λιγότερο διαλυτές είναι οι ουσίες τόσο περισσότερο τοξικές (Le moins soluble, le plus toxique). Επαγωγή των μικροσωμικών ενζύμων, λόγω της τάσης του οργανισμού για άμυνα έναντι σε λιπόφιλων ουσιών. απρόβλεπτες συνέπειες στο μεταβολισμό Προβλήματα στην μορφοποίηση του τελικού προϊόντος

88 Αρχή της ελάχιστης λιποφιλίας Σύμφωνα με την αρχή της ελάχιστης λιποφιλίας, ο σχεδιασμός των φαρμάκων πρέπει να προσανατολίζεται σε ενώσεις που προκαλούν την επιθυμητή δράση και έχουν την ελάχιστη προς τούτο λιποφιλία. Η αρχή της ελάχιστης λιποφιλίας είναι ιδιαίτερα σημαντική για ενώσεις που δρούν την περιφέρεια και ενώσεις με διεγερτική δράση στο ΚΝΣ (π.χ. αναλγητικά), δεδομένου ότι η άριστη τιμή διαπερατότητας του ΑΕΦ (logp ~ 2) σχετίζεται με κατασταλτική δράση.

89 Τιμές logd σε ph 7,4 διαφόρων αντιισταμινικών φαρμάκων logd Loratadine * 5,37 Astemizole * 4,10 Terfenadine* >4,00 Chlorcyclizine 3,45 Cryptoheptadine 3,20 Promethazin 2,85 Diphenydramine 1,61 Carboxamine 1,10 Acrivastine * 0,10 AHR * -0,68

90 Αποκλεισμός από ΚΝΣ Μείωση της λιποφιλίας Πόσο? Κατώφλι λιποφιλίας? Αύξηση του βαθμού ιονισμού Δημιουργία μόνιμα φορτισμένου κέντρου (άλατα τεταρτοταγούς αμμωνίου)

91 Δημιουργία μόνιμα φορτισμένου κέντρου Δράση στο ΚΝΣ Δράση στην περιφέρεια

92 Δημιουργία μόνιμα φορτισμένου κέντρου - Διαπερατοτητα ΑΕΦ

93 Υδρόφοβη Σύνδεση Κατά την υδρόφοβη σύνδεση παρατηρείται αύξηση της αταξίας των μορίων του νερού και ο δεσμός σταθεροποιείται λόγω αύξησης της εντροπίας Ενεργειακή διαφοροποίηση της υδρόφοβης σύνδεσης από τις άλλες μορφές αλληλεπίδρασης

94 Σχέση Υδρόφοβης Σύνδεσης-λιποφιλίας Γραμμική log1/c = alogp +b log1/c= axπx +ayπy +azπz +.+ b Παραβολική: log1/c = -a(logp) 2 + blogp +c π: υδρόφοβη σταθερά υποκαταστάτη Διγραμμική: log1/c = alogp + blog(βp+1)+ c Υπερβολή log1/c =-log(a logp ) +b Διπλή παραβολική log1/c =alogp -b(logp) 2 + c(logp) 3 -d(logp) 4 +e

95 Ηλεκτροστατικοί δεσμοί Ιονικός δεσμός Ε = qa x qb D x r Δεσμός ιόντος-διπόλου: qa μσυν(θ) Ε = D x r 2 Δεσμός διπόλου-διπόλου: 2μ1 μ2συν(θ1) συν(θ2) Ε = D x r 3

96 Ηλεκτρονιακές παράμετροι Ηλεκτρονιακές σταθερές σ των Hammett και Taft: log (ΚX/ΚH) = ρσ Πρότυπη αντίδραση: ιονισμός του βενζοϊκού οξέος στους 25 C. σm, σp, σο Μητρική ένωση : βενζοϊκό οξύ log (kx/kh) = ρ*σ* Πρότυπη αντίδραση: Βασική και όξινη υδρόλυση εστέρων του τύπου R-CH2-COOR Μητρική ένωση : CH3COOR σ*= 1/248[log(kx/ kh)b -log(kx/ kh)a]

97 Ηλεκτρονιακές παράμετροι σ+ σ- : Χρησιμοποιούνται για παρα-υποκαταστάτες όταν δημιουργούνται θετικά ή αρνητικά φορτία στο κέντρο της αντίδρασης σι : επαγωγική σταθερά του Charton F, R : σταθερές Swain-Lupton CT : σταθερές charge-transfer

98 Ηλεκτρονιακές παράμετροι Φασματοσκοπικά δεδομένα: συχνότητα ν (ή Δν) στο υπέρυθρο Χημική μετατόπιση δ (ή Δδ) στο NMR Διπολική ροπή μ, μx, μy μz Ενέργιεια ιονισμού Ι (η ενέργεια που απαιτείται για να αποσπαστεί ενα ηλεκτρόνιο) Μερικά φορτία (σε επιλεγμένα άτομα του φαρμακοφόρου) ΕHOMO, ELUMO, Ενεργειακό χάσμα Mέγιστο ηλεκτροστατικό δυναμικό Ελάχιστο ηλεκτροστατικό δυναμικό...

99 Σχεσεις ηλεκτρονιακών ιδιοτήτων-σύνδεσης με μακρομόρια Γραμμικές σχέσεις logk= ρσ + k Σημασία έχει το πρόσημο του όρου ρ Αρνητικό πρόσημο η σύνδεση ευνοείται παρουσία ηλεκτρονιοδοτών Θετικό πρόσημο η σύνδεση ευνοείται παρουσία ηλεκτρονιοδεκτών

100 Ποσοτικές Σχέσεις Δομής-Δράσης n r s log1/c= 0,85 (±0.12) π 14 0,81 0,31 log1/c= 0,85 (±0.082) π (±0.003) v (C=O) 14 0,96 0,14 log1/c= 0,85 (±0.082) π (±0.003) v (C=O) + + 0,008(±0,007)HA 14 0,965 0,14

101 Size and Bulk properties Molecular Weight, MW van der Waals Molecular Volume Surface Area Solvent Accessible Volume Surface Area Molar Refractivity Polarizability

102 Solvent Accesible Surface r(h2o) =1.4 Å

103 Δυνάμεις Van der Waals Ε= 3αaαb 2r 6 Ia Ib Ia+Ib PM = 4πΝα/3 ~MR MR= n 2-1 n 2 +2 MW d = PE ~ PM π: 3.14 Ν: αριθμός Avogadro α: πολωσιμότητα (6.022 x ) MRXY =MRX+MRY M=αF Μ=το μέγεθος του επαγώμενου διπόλου όταν μη μόνιμο διπολο τεθεί σε πεδίο ισχύος F

104 Στερικές παράμετροι Μοριακός όγκος

105 Στερικές παράμετροι Μοριακός όγκος

106 Αμιτριπτυλίνη

107 Κυπροφλοξακίνη

108 Εμβαδόν πολικής επιφάνειας Polar Surface Area, PSA

109 Polar Surface Area in Drug Absorption H. van de Waterbeemd, logp2000: Lipophilicity in Drug Disposition -2.8 glucose log Peff (human j ej unum) L-dopa amoxicillin o PSA (A 2 ) Relationship between effective permeability (P eff ) in the human jejunum and PSA

110 Agonists [EC50, Efficacy(100%)]

111 Partial Agonists [EC50, Efficacy (<100%)]

112 Antagonists Antagonisti competitivi: Antagonisti non competitivi: