10-1 Κεφάλαιο 10 Σχεδιασµός Φαρµάκων 6.1. Εισαγωγή Η σύνθεση ουσιών µε θεραπευτικές ιδιότητες είναι µία διαδικασία µε προϊστορία πολλών χιλιάδων ετών. Ήδη από την αρχαία Αίγυπτο την δεύτερη προ Χριστού χιλιετηρίδα υπάρχουν πληροφορίες για χηµικές ενώσεις, κυρίως φυτικά εκχυλίσµατα µε θεραπευτικές ιδιότητες. Ο κύριος τρόπος εύρεσης των θεραπευτικών ιδιοτήτων χηµικών ενώσεων ήταν είτε η τυχαία ανακάλυψη µετά από παρατήρηση, όπως η πενικιλλίνη είτε η συστηµατική δοκιµή µεγάλου αριθµού χηµικών ενώσεων, τεχνικές που ακόµα εφαρµόζονται. Με την κατανόηση των µοριακών αλληλεπιδράσεων των ουσιών που προκαλούν τις ασθένειες είτε αυτά είναι παθογόνα (µολυσµατικές ασθένειες) είτε ανεξέλεγκτες µοριακές διεργασίες (καρκίνοι) ο σχεδιασµός φαρµάκων πήρε µία άλλη κατεύθυνση. Η χρήση της µεθοδολογίας του σχεδιασµού φαρµάκων µε βάση την δοµή έχει επεκταθεί παρά πολύ τα τελευταία χρόνια. Η αύξηση της γνώσης των αναλυτικών δοµών πολλών πρωτεϊνών µε ιατρική σηµασία οφείλεται σε πολλούς παράγοντες. Με την µοριακή βιολογία είναι δυνατόν να έχουµε µεγάλες ποσότητες καθαρής πρωτείνης. Η µεθοδολογία καθαρισµού έχει βελτιωθεί χάρις σε νέες µεθόδους χρωµατογραφίας. Τα συστήµατα έκφρασης της πρωτείνης διευκολύνουν την παραγωγή πρωτεϊνών µε ισοτοπικά χαρακτηριστικά για τον εντοπισµό της δοµής µε ΝΜR. Οι πηγές παραγωγής ακτίνων Χ είναι πλέον πολύ ισχυρές και η δυνατότητα χρησιµοποίησης πολύ χαµηλών θερµοκρασιών διευκολύνουν την συλλογή κρυσταλλογραφικών δεδοµένων από µικρούς κρυστάλλους και για πολύ ευαίσθητες πρωτείνες. Ο ρυθµός προσδιορισµού πρωτεϊνικών δοµών διπλασιάζεται ετήσια. Ο µεγάλος αριθµός δοµικών προσδιορισµών σε πρωτείνες σχετικές µε την ιατρική αντικατοπτρίζει την γενική αποδοχή ότι η δοµή ενός πιθανού φαρµακευτικού στόχου είναι πολύτιµη γνώση και για τους σχεδιαστές φαρµάκων αλλά και για την εξέλιξη τους και για την κατανόηση της τοξικότητας ή βιοαποδοτικότητας. Η γνώση της αλληλεπίδρασης φαρµάκου και στόχου επιτρέπει την ευκολότερη βελτίωση της χηµικής ένωσης µε ένα λογικό τρόπο.
10-2
10-3 Ο δρόµος από την ανακάλυψη µίας ένωσης που δεσµεύεται ισχυρά από µία πρωτείνη µέχρι την διάθεση του σαν φάρµακο είναι πολύ µακρύς. Ένας καλός αναστολέας ενός ενζύµου µπορεί να τοξικός, να προκαλεί τερατογένεση, ή να µεταβολίζεται γρήγορα ή να αδυνατεί να φτάσει στον χώρο που βρίσκεται η πρωτείνη στόχος σε ικανή ποσότητα ή να είναι ασταθής στο διάλυµα ή ακόµα δύσκολο ή ασύµφορο να συντεθεί. Τα κριτήρια για να επιτραπεί η κυκλοφορία ενός φαρµάκου είναι πολύ αυστηρά και αυτός είναι ο κύριος λόγος που οι περισσότερες ενώσεις δεν γίνονται ποτέ φάρµακα. Η πρόβλεψη του πώς µία χηµική ένωση θα επηρεάσει τα µεταβολικά, µεταφορικά µονοπάτια και τις διεργασίες µεταβίβασης βιοχηµικών σηµάτων στο ανθρώπινο σώµα είναι αδύνατη όση γνώση και να είναι διαθέσιµη από φαρµακολογική ή τοξικολογική άποψη για µία χηµική ένωση. Η εµφάνιση του σχεδιασµού φαρµάκων βασισµένου στην σχέση δοµής-δράσης είναι µία νέα τεχνολογία παγκοσµίου ενδιαφέροντος. Η πραγµατική της συµβολή δεν θα είναι γνωστή παρά µετά από µερικές δεκαετίες, επειδή τόσος είναι ο χρόνος για να διερευνηθούν πολλές περιπτώσεις σχεδιασµού και εφαρµογής τους. Προς το παρόν το πεδίο είναι γεµάτο εκπλήξεις και συνεχώς αναπτύσσεται. Εικόνα.10.3. Χρονοδιάγραµµα εξέλιξης φαρµακολογικής ένωσης από την αρχική µορφή µέχρι την παραγωγή.
10-4 6.2. Μεθοδολογία 6.2.1 Σχεδιασµός φαρµάκων µε βάση την δοµή του στόχου. 6.2.1.1. Βρίσκοντας την αρχική ένωση µε φαρµακολογικές ιδιότητες (lead compound). Ο προσδιορισµός της τρισδιάστατης δοµής ενός στόχου πρωτείνης, ανεξάρτητα από τις δυσκολίες που προβάλλονται είναι µόλις το πρώτο βήµα στον σχεδιασµό αναστολέων µε βάση την δοµή. Το επόµενο βήµα είναι να βρεθεί µία αρχική χηµική ένωση που να δεσµεύεται από την πρωτείνη στόχο. Συχνά αυτή έχει χαµηλή σταθερά δέσµευσης ή είναι πολύ τοξική ή ασταθής αλλά αποτελεί την απαρχή του σχεδιασµού µορίων µε βελτιωµένες φαρµακολογικές ιδιότητες. Στην φαρµακοβιοµηχανία µία καλή αρχή είναι µία χηµική ένωση µε σταθερά αποχωρισµού της τάξης των 10 µμ ή καλλίτερη. Έτσι µία βελτίωση των τριών ή τεσσάρων τάξεων µεγέθους µπορεί να οδηγήσει σε ένα επιτυχηµένο φάρµακο. Είναι ακόµα ένας άθλος η απ αρχής σχεδίαση µίας χηµικής ένωσης µε µόνο στοιχείο την δοµή της πρωτείνης στόχος παρά τις πολύ ανεπτυγµένες υπολογιστικές τεχνικές. Ενδεικτικά οι πιο επιτυχηµένες προσπάθειες έδωσαν 2-20% των προτεινόµενων ουσιών µε µμ σταθερά αποχωρισµού. Στην πραγµατικότητα όµως ο πιο γρήγορος τρόπος για τον προσδιορισµό των αρχικών χηµικών ενώσεων είναι η σε διάλυµα δοκιµή µιας µεγάλης σειράς συνθετικών ή χηµικών ενώσεων από την φύση. Συνήθως µερικές εκατοντάδες χιλιάδες ενώσεις µπορούν να δοκιµαστούν σε µερικούς µήνες χρησιµοποιώντας διαλύµατα πολλαπλών ενώσεων και τεχνολογία ροµπότ. Στις στρατηγικές αναλύσεις περιλαµβάνονται µικροβιακές σούπες και εκχυλίσµατα φυτών. Για εκατοµµύρια χρόνια η φύση σχεδιάζει χηµικές ενώσεις που δεσµεύονται ισχυρά από πρωτείνες εχθρικών ή ανταγωνιστικών οργανισµών. Μερικές από αυτές είναι τόσο πολυσύνθετες πού είναι αδύνατον να φανταστεί κανείς ότι οι σύγχρονες σχεδιαστικές µέθοδοι µπορούν να φτάσουν σε τέτοια αποτελέσµατα. Για να ανταγωνιστούν την πολυπλοκότητα των ενώσεων που µόνο η φύση διαθέτει πολλές ερευνητικές οµάδες δοκιµάζουν αναλυτικές τεχνικές, για την ανακάλυψη ισχυρών αναστολέων, που χρησιµοποιούν συνδυαστικές βιβλιοθήκες. Για παράδειγµα, η χρήση της µεθοδολογίας έκθεσης φάγου (Phage display) βασίζεται στην έκθεση τυχαίων ολιγοπεπτιδίων στην επιφάνεια ενός φάγου. Η βιβλιοθήκη του φάγου, που συνήθως περιέχει 10 6-10 8 διαφορετικά ολιγοπεπτίδια, αναµιγνύεται µε την πρωτείνη στόχο που βρίσκεται ακινητοποιηµένη στην επιφάνεια ενός δίσκου. Οι φάγοι που δεν δεσµεύονται αποµακρύνονται δια πλύσεως ενώ από αυτούς που παραµένουν δεσµευµένοι αναγνωρίζεται η ακολουθία του πεπτιδίου που αλληλεπιδρά µε την πρωτείνη στόχο. Εναλλακτικά, ο έλεγχος σύνδεσης από βιβλιοθήκες συνθετικών πεπτιδίων και ολιγονουκλεοτιδίων προσφέρει την δυνατότητα του εντοπισµού ενώσεων εκτός των φυσικών πεπτιδίων και νουκλεοτιδίων. Πεπτιδοειδή, όπως γραµµικά ολιγοµερή αντικατάστατα της γλυκίνης είναι ενώσεις που υπόσχονται πολλά σαν υποψήφια φάρµακα επειδή είναι µεταβολικά σταθερά στις πρωτεάσες. Χηµικές βιβλιοθήκες, διαλύµατα πολλών συνθετικών ενώσεων όπου το µία κεντρική οµάδα σκελετός δια µορφώνεται σε διαφορετικές θέσεις µε επιλογές από µια µεγάλη ποικιλία από διαφορετικούς υποκαταστάτες είναι µία επίσης σύγχρονη επιλογή για την εύρεση ενός αρχικού φαρµακοφόρου.
10-5 Εικόνα 10.4. Ο κύκλος σχεδιασµού φαρµάκων µε βάση την δοµή του στόχου. 6.2.1.2. Βελτιώνοντας την αρχική ένωση. Οι αρχικές δοκιµές συνήθως αποδίδουν ενώσεις που είναι µακριά από ιδανικές. Αυτά τα µόρια πρέπει να βελτιωθούν. Σε αυτό το σηµείο η δοµή του συµπλόκου της πρωτείνης στόχος µε το µόριο για βελτιστοποίηση µπορεί να είναι πολύ χρήσιµη για να προταθούν τρόποι βελτιστοποίησης της συνδετικότητας του υποψηφίου φαρµάκου µε τον στόχο. Τα υπολογιστικά εργαλεία που έχουν σχεδιαστεί για αυτό τον σκοπό είναι χρήσιµα αλλά µακριά από τέλεια. Η απ αρχής θεωρητική πρόβλεψη της σταθεράς σύνδεσης µίας ένωσης σε µία πρωτείνη δεν είναι ακόµα δυνατή εξ αιτίας της αρκετά πρωτόγονης παραµετροποίησης των µοριακών αλληλεπιδράσεων, της κατανόησης της δράσης του νερού σαν συναγωνιστή στην δηµιουργία υδρογονικών δεσµών, µε τις van der Waals αλληλεπιδράσεις του µε πρωτείνη και υπόστρωµα, µε την δράση του σαν ηλεκτροστατικός µονωτής. Ένα δεύτερο πρόβληµα είναι η ατελής ηλεκτροστατική περιγραφή της πρωτείνης και του υποστρώµατος. εν είναι µόνο δύσκολος ο προσδιορισµός µερικών σηµειακών ηλεκτροστατικών φορτίων αλλά πρέπει να ληφθούν υπ όψη και η αλλαγή της κατανοµής τους εξ αιτίας της πόλωσης που παρατηρείται από την αλληλεπίδραση πρωτείνης και υποστρώµατος. Όσον δε αφορά τον υπολογισµό της ελεύθερης ενέργειας οι πολλοί βαθµοί ελευθερίας κάνουν τον στερεοδιατακτικό χώρο απίθανα πολύπλοκο ώστε να είναι δύσκολή η δηµιουργία ενός ικανά αντιπροσωπευτικού
10-6 συνόλου στερεοδιατάξεων που να οδηγήσει σε µία ικανοποιητική προσέγγιση της τιµής της ελεύθερης ενέργειας του συστήµατος. Η ατελής γνώση µας στην θεωρητική προσέγγιση του προβλήµατος κάνει ακόµα πιο βασική την πολλαπλή προσέγγιση στο πρόβληµα του σχεδιασµού του φαρµάκου ολοκληρώνοντας την διαίσθηση του συνθετικού χηµικού και φαρµακολόγου µε την πείρα του ειδικού στην πρωτεϊνική δοµή και του υπολογιστικού σχεδιαστή. Η πορεία σχεδιασµού πρέπει να είναι επίσης κυκλικά επαναλαµβανόµενη. Η προβλεπόµενη αλληλεπίδραση ενός αναστολέα στην πρωτείνη στόχο πρέπει να επιβεβαιωθεί πειραµατικά για την αποφυγή βηµάτων στην λάθος κατεύθυνση. Συνεχώς παρουσιάζονται παραδείγµατα όπου ένας τροποποιηµένος αναστολέας δεσµευόταν στην πρωτείνη στόχο καλλίτερα από την ένωση από όπου προήλθε, όπως προβλεπόταν, αλλά µε τρόπο σύνδεσης τελείως διαφορετικό από αυτόν που είχε χρησιµοποιηθεί για την πρόβλεψη. 6.2.1.3. Εργαλεία για τον σχεδιασµό φαρµάκων µε βάση την δοµή. Παρ ότι η απ αρχής ποσοτική πρόβλεψη των σταθερών σύνδεσης παραµένει ένας δύσκολος στόχος ένας αριθµός ποιοτικών κανόνων έχει εξελιχθεί για τον σχεδιασµό υποστρωµάτων µε υψηλή συνδετικότητα από τις πολλές κρυσταλλικές δοµές πρωτεϊνών που έχουν µελετηθεί. α. Απαιτείται πολύ καλή στερεοδοµική και ηλεκτρονική συµπληρωµατικότητα µεταξύ υποστρώµατος και στόχου. β. Για να επιτευχθεί καλή συνδετικότητα απαιτείται η κάλυψη ενός µεγάλου µέρους της υδρόφοβης επιφάνειας του υποστρώµατος. γ. Απαιτείται µείωση των ελεύθερων στερεοδοµικών παραµέτρων (π.χ. απλοί δεσµοί µε δίεδρες γωνίες περιστροφής) ώστε µε την δέσµευση τους από τον στόχο να είναι ελάχιστη η µεταβολή της εντροπίας. Τρία επιπλέον κριτήρια είναι σηµαντικά στον κύκλο σχεδιασµού αναστολέων. δ. Χηµική σταθερότητα. ε. Αρκετή διαλυτότητα στο νερό ώστε να υπάρχει η δυνατότητα ελέγχου της παρεµπόδισης και ο προσδιορισµός της δοµής (κρυστάλλωση). στ. Ευκολία σύνθεσης, χωρίς χειριστικά κέντρα και ενώσεις που δεν µπορούν εύκολα να τροποποιηθούν. Πολλοί από αυτούς τους κανόνες και κριτήρια έχουν συµπεριληφθεί σε υπολογιστικά προγράµµατα για τον αυτόµατο σχεδιασµό υποστρωµάτων και αναστολέων πρωτεϊνών. Οι µεθοδολογίες χωρίζονται σε δύο µεγάλες κατηγορίες: την µοριακή προσέγγιση ή ελιµενισµό (docking) και την σύνδεση ενεργών οµάδων ή κατασκευή. 6.2.1.4. Μοριακή προσέγγιση ή ελιµενισµός (docking). Τρεις διαφορετικές προσεγγίσεις χρησιµοποιούνται για τον ελιµενισµό υποστρωµάτων στην επιφάνεια των πρωτεϊνών στόχους. Η βελτιστοποιηµένη τοποθέτηση µικρών χηµικών οµάδων, τα φαρµακοφόρα. Σχεδιασµός του
10-7 υποστρώµατος σαν ισόµορφο του αµαλγάµατος του ενεργού κέντρου και Monte Carlo (πολλαπλές τυχαίες) προσεγγίσεις ολόκληρων µορίων υποψηφίων υποστρωµάτων. 6.2.1.5. Βάσεις δεδοµένων τρισδιάστατων δοµών. Για πολλά από τα προγράµµατα σχεδιασµού και βελτιστοποίησης φαρµάκων απαιτείται µια µεγάλη συλλογή τρισδιάστατων πειραµατικών δοµών µικρού µοριακού βάρους. Η βασική πηγή είναι η βάση κρυσταλλογραφικών δοµών που βρίσκεται στο Cambridge της Αγγλίας και περιέχει πάνω από 130000 κρυσταλλικές δοµές. Όµως επειδή αυτά δεν είναι όλα προσιτές ενώσεις στον πειραµατικό χηµικό έχει δηµιουργηθεί µία άλλη βάση που περιέχει 10000 τουλάχιστον ενώσεις που είναι διαθέσιµες στο εµπόριο µε την τρισδιάστατη δοµή και τον συντακτικό τους τύπο. Συνήθως σε αυτές υπάρχει µία στερεοδοµή ανά χηµική ένωση που δεν είναι πάντα αυτή που θα έχει το µόριο σαν υπόστρωµα στην συγκεκριµένη πρωτείνη στόχο. 6.2.1.6. Συνδέοντας τις επί µέρους χηµικές οµάδες, τα φαρµακοφόρα. Μια χρήσιµη προσέγγιση για τον εντοπισµό ισχυρών αναστολέων είναι η συνδυασµένη τοποθέτηση διαφόρων λειτουργικών οµάδων που δεσµεύονται από την πρωτείνη στόχο σε µία χηµική ένωση. Το µεγαλύτερο µόριο χάνει λιγότερη εντροπία κατά την δέσµευση από τα επί µέρους µόρια µαζί και έτσι τουλάχιστον θεωρητικά θα έχει καλλίτερη συνδετικότητα. Επίσης το σύνθετο µόριο θα έχει και µεγαλύτερη διακριτικότητα έναντι των επί µέρους. Η χηµική σύνδεση τέτοιων οµάδων δεν είναι εύκολη µια που πρέπει να διατηρηθεί η θέση στο χώρο των συνθετικών οµάδων ενώ παράλληλα να ικανοποιηθούν πολλοί χηµικοί κανόνες. Επίσης τα συνδετικά µέρη πρέπει να είναι αρκετά σταθερά ώστε να µην επιτρέπουν πολλές στερεοδοµές. Εάν το συνδετικό κοµµάτι κάνει επί πλέον αλληλεπιδράσεις µε τον στόχο τότε βελτιώνεται και η συνδετικότητα. Εικόνα.10.5. Σχηµατική αναπαράσταση του σχεδιασµού µίας χηµικής ένωσης µέσα στο ενεργό κέντρο του στόχου µε την τοποθέτηση χηµικών οµάδων και την σύνδεση τους.
10-8 6.2.1.7. Κατασκευάζοντας ή επεκτείνοντας υποστρώµατα. Όλες οι µέθοδοι σχεδιασµού µορίων βασίζονται στις µοριακές προσεγγίσεις ή σε πειραµατικά καθορισµένες δοµές. Αρχίζουν από µια χηµική οµάδα ή τµήµα του υποστρώµατος στην θέση σύνδεσης, που λέγεται και πυρήνας και προσθέτουν οµάδες µία µετά την άλλη στην προσπάθεια δηµιουργίας ενός καλλίτερου υποστρώµατος. Επειδή για κάθε βήµα υπάρχουν χιλιάδες πιθανές εναλλακτικές λύσεις χρειάζεται µία µεθοδολογία για να ελέγχει την συνδυαστικό υπολογιστικό πρόβληµα που προσλαµβάνει τεράστιες διαστάσεις. Μια λύση είναι σε κάθε βήµα να επιλέγεται η καλλίτερη λύση µόνον. Αλλά έτσι ένας καλός αναστολέας µε κάποιες επί µέρους οµάδες που δεν αλληλεπιδρούν πολύ καλά µπορεί να µην επιλεγεί. Έτσι µια επιτυχηµένη προσέγγιση είναι να επιλέγεται καλλίτερο 25% των λύσεων κάθε βήµατος σαν απαρχή του επόµενου. Ένα άλλο πρόβληµα είναι η δηµιουργία ασταθών ή πολύ δραστικών ενώσεων. Ο έλεγχος των καινούργιων δεσµών σε κάθε βήµα µε ένα πίνακα απαγορευµένων συνδέσεων µεταξύ ζευγών ή τριπλετών ατόµων είναι η συνηθισµένη µέθοδος για την αποφυγή δηµιουργίας οµάδων όπως υπεροξειδίων ή ακετονυλίων. 6.2.1.8. Ευέλικτα υποστρώµατα και εύπλαστες πρωτείνες. Ένα τυπικό οργανικό µόριο έχει 8 δεσµούς περιστροφής. Έτσι για την χοντροειδή διερεύνηση της στερεοδοµής του µε τόξα 30 µοιρών για κάθε µία από τις 8 δίεδρες γωνίες δίνει περίπου 430 εκατοµµύρια στερεοδοµές. Μία πλήρης διερεύνηση του στερεοδιατακτικού χώρου είναι υπολογιστικά αδύνατη. Αντί αυτού µπορούν να χρησιµοποιηθούν τυχαίες µέθοδοι παραγωγής στερεοδοµών (Monte Carlo), βάσεις δεδοµένων µε στερεοδοµικά περιορισµένες στερεοδοµές ή µία συνεχής παρακολούθηση της στερεοδοµής του υποστρώµατος που να ικανοποιεί τους περιορισµούς που θέτει ο υποδοχέας. Όµως και οι πρωτείνες έχουν ευκαµψία. Στη δοµή της τριφωσφορικής ισοµεράσης µία περιοχή εύκαµπτης στροφής αλλάζει στερεοδοµή µε την δέσµευση του υποστρώµατος. Ενεργά αµινοξικά κατάλοιπα αλλάζουν την στερεοδοµή τους ανάλογα µε τον τύπο του υποδοχέα όπως επίσης και η περιβάλλουσα διάταξη των µορίων νερού. Η πιθανότητα στερεοδιατακτικών αλλαγών στην πρωτείνη µε την δέσµευση του υποστρώµατος, κάτι που δύσκολα προβλέπεται, είναι ο λόγος πού απαιτείται πειραµατική επιβεβαίωση των προτεινόµενων τρόπων δέσµευσης νέων υποστρωµάτων και αποτελεί µία βασική διεργασία την όλη επεξεργασία σχεδιασµού. 6.2.2. Αξιολόγηση των αποτελεσµάτων. Επειδή κατά την διάρκεια του σχεδιασµού παράγεται ένας τεράστιος αριθµός υποψηφίων υποστρωµάτων είναι απαραίτητο να µπορεί να υπολογιστεί η αλλαγή της ελεύθερης ενέργειας κατά την αλληλεπίδραση υποδοχέα και υποστρώµατος. Τρία βήµατα µπορούν να διακριθούν στην διεργασία σύνδεσης του υποστρώµατος σε διάλυµα. α. Η πρωτείνη και το υπόστρωµα πρέπει από την στερεοδιάταξη τους ως ελεύθερα στο διάλυµα να πάρουν την στερεοδιάταξη που θα έχουν κατά την σύνδεση. β. Οι επιφάνειες όπου θα γίνει η σύνθεση πρέπει να χάσουν την επαφή µε τον διαλύτη. γ. Το υπόστρωµα πρέπει να πάρει τον κατάλληλο προσανατολισµό για να αλληλεπιδράσει µε την πρωτείνη.
10-9 Για τον προσδιορισµό της ενέργειας του α η ευκαµψία της πρωτείνης µπορεί να αγνοηθεί, δηλαδή τα υποστρώµατα σχεδιάζονται να δεσµεύονται στην ίδια στατική στερεοδοµή της πρωτείνης. Απαραίτητη είναι όµως µία πλήρης στερεοδιατακτική ανάλυση του ελεύθερου υποστρώµατος σε διάλυµα. Αποθηκεύοντας ένα αντιπροσωπευτικό υποσύνολο των στερεοδιατάξεων χαµηλής ενέργειας µαζί µε την τιµή της ενέργειας επιτρέπει τον προσδιορισµό των αλλαγών ενθαλπίας και εντροπίας ή µε άλλα λόγια τις τάσεις και το χάσιµο στερεοδιατακτικής ελευθερίας, που παρατηρούνται κατά την δέσµευση από την πρωτείνη. Το χάσιµο εσωτερικής εντροπίας πρακτικά υπολογίζεται από τον αριθµό των δεσµών περιαστροφής που παγώνουν κατά την δηµιουργία του συµπλόκου. Το βήµα β συνήθως προσεγγίζεται από εµπειρικούς υπολογισµούς υπολογίζοντας την προσιτή στον διαλύτη επιφάνεια των χηµικών οµάδων που χάνουν την επαφή µε τον διαλύτη µε την δηµιουργία του συµπλόκου και αντιστοιχούν σε αλλαγές της ελεύθερης ενέργειας υδάτωσης. Το χάσιµο µεταφορικής και περιστροφικής εντροπίας στο βήµα γ είναι περίπου το ίδιο για όλα τα υποστρώµατα ενώ η αλλαγή της ενθαλπίας για το σύµπλοκο πρωτεΐνης - υποστρώµατος µπορεί να υπολογιστεί µε µοριακή µηχανική και δυναµικά πεδία. 6.2.3. Πρόοδος και επιτυχία. Υπάρχουν πλέον πολλές πρωτεϊνικές στερεοδοµές για την απαρχή της διαδικασίας του λογικού σχεδιασµού φαρµάκων. Και κάθε βδοµάδα προστίθενται και καινούργιες. Από µικρές πρωτείνες όπως κυτοκινίνες και αυξητικοί παράγοντες µέχρι πολυενζυµικά σύµπλοκα και ιοί. Μερικά παραδείγµατα ακολουθούν.
10-10 6.3. Παραδείγµατα 6.3.1 Φάρµακα κατά του ιού του κρυολογήµατος HRV14. Αυτοί οι ιοί µεταλλάσσονται τόσο γρήγορα πού είναι αµφίβολο αν θα βρεθεί εµβόλιο. Οι ιοί αυτοί λύνουν το πρόβληµα της αναγνώρισης του υποδοχέα του ξενιστή µε περιοχές του καλύµµατος προστατευµένες από τα αντισώµατα (υδρόφοβη περιοχή στην VP1). Τα φάρµακα που σχεδιάζονται αποβλέπουν στην δέσµευση τους στα κανάλια αναγνώρισης των υποδοχέων ώστε να αποτρέπεται η αναγνώριση από τον ιό. Εικόνα 10.6. Αναπαράσταση του περιβλήµατος του ιού HRV14. Εικόνα 10.7. ιαφορετικοί αναστολείς της δράσης του HRV14.
10-11 6.3.2. Φάρµακα κατά του ιού HIV που προκαλεί το AIDS. Ο ιός HIV προκαλεί το σύνδροµο της ανοσοανεπάρκειας (AIDS). Εικόνα 10.8. Ο κύκλος ζωής του ιού της ανοσοανεπάρκειας HIV.
10-12 H HIV πρωτεάση είναι διαφορετική από αυτή των ξενιστών. Έτσι παρεµποδίζοντας την, το γενετικό υλικό του ιού δεν µπορεί να αποκαλυφθεί. Εικόνα 10.9. Η εσωτερική δοµή του ιού HIV. Ως παρεµποδιστές της χρησιµοποιούνται πεπτιδικά ανάλογα.
10-13 6.4. Προβλήµατα 6.4.1 Αντίσταση των µολυσµατικών ασθενειών και του καρκίνου στους θεραπευτικούς παράγοντες. Για τις µολυσµατικές ασθένειες η δηµιουργία µίας χηµικής ένωσης µε θεραπευτικές ιδιότητες είναι µόνον η αρχή. Όταν ένα τέτοιο φάρµακο έχει ευρεία χρήση, σχεδόν πάντα θα οδηγήσει στην δηµιουργία παθογόνων που έξυπνα ανέπτυξαν τρόπους αποφυγής των βλαπτικών ιδιοτήτων του φαρµάκου. Η αντίσταση είναι ένας σηµαντικός παράγων και στην περίπτωση του καρκίνου. Οι διεργασίες που ακολουθούν οι αντιστεκόµενοι οργανισµοί και τα καρκινικά κύτταρα διαφοροποιούνται κατά πολύ. Για παράδειγµα ένα παθογόνο µπορεί να µεταλλάσσει αµινοξέα στην πρωτείνη στόχο του φαρµάκου. Χαρακτηριστικό παράδειγµα η αντίστροφη µεταγραφάση του ιού ΗΙV πού είναι ταυτόχρονα αντιστέκεται στην δράση του ΑΖΤ, διδεόξυινοσίνη και νεβιραπίνη, όλα φάρµακα κατά του AIDS. Γονίδια που επηρεάζουν την ευαισθησία σε κάποιο φάρµακο µπορεί να ενισχυθούν, για παράδειγµα για να αυξήσουν τον ρυθµό µε τον οποίο το φάρµακο αντλείται έξω από το κύτταρο προκαλώντας πολλαπλή αντίσταση στα φάρµακα κάτι πολύ συνηθισµένο στην θεραπεία καρκινοπαθών. Στην ελονοσία που αντιστέκεται στην θεραπεία µε χλωροκινίνη το γονίδιο µίας τέτοιας µοριακής αντλίας ενισχύεται. Εναλλακτικά τα παθογόνα µπορούν να χρησιµοποιήσουν ένα διαφορετικό ένζυµο για να εκτελέσουν το ίδιο έργο όπως και το ένζυµο στόχος. Τυπικό παράδειγµα µία βακτηριακή σειρά Klebsiella που αντιστέκεται στην τριµεθοπρίµη, αναστολέα της διυδροφολικής αφυδρογονάσης (DHFR), συνθέτοντας διαφορετικό πλασµιδιακό DHFR. Ο µεταβολισµός των φαρµάκων µπορεί επίσης να επηρεαστεί. Για παράδειγµα οι β- λακταµάσες καταστρέφουν πενικιλλίνες και κεφαλοσπορίνες. Σε ακραίες περιπτώσεις ένα παθογόνο µπορεί να επαναδιαµορφώσει ένα όλοκληρο ενζυµατικό µονοπάτι, ώστε ο στόχος του φαρµάκου να µην είναι πλέον αναγκαίος ή υπαρκτός. Παράδειγµα οι εντερόκοκκοι που αντιστέκονται στην βανκοµυκίνη µε την εισαγωγή εστερικών δεσµών στην θέση των αµιδικών στο κυτταρικό τοίχωµα εµποδίζοντας την δηµιουργία ενός σηµαντικού υδρογονικού δεσµού µε το καρβονύλιο της βανκοµυκίνης. Η συνεχής απειλή της δηµιουργίας αντίστασης στα φάρµακα είναι πολύ ανησυχητική. Η απογοητευτική αντιµετώπιση της ελονοσίας είναι ένα τραγικό παράδειγµα επανεξάπλωσης µιας ασθένειας που θεωρείτο ότι έχει εκλείψει. Υπάρχουν σειρές τύφου που αντιστέκονται ταυτόχρονα σε εννέα διαφορετικά φάρµακα. Ο µόνος τρόπος αντιµετώπισης της ανθεκτικότητας των παθογόνων µε µακροχρόνια χρήση είναι η δηµιουργία κοκτέιλ που περιέχουν πολλαπλές ενώσεις που δρουν µε διαφορετικούς τρόπους. Έτσι οι πιθανότητες δηµιουργίας αντίστασης ελαττώνονται. Χαρακτηριστική περίπτωση η αντιµετώπιση της λέπρας όπου τρία φάρµακα χορηγούνται ταυτόχρονα.