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Maßgeschneiderte Nadeln aus dem kombinatorischen Heuhaufen

22.10.2001  00:00 Uhr

WIRKSTOFF-ENTWICKLUNG

Maßgeschneiderte Nadeln aus dem kombinatorischen Heuhaufen

von Andreas Link, Hamburg

Die Synthese oder Zusammenstellung sehr großer molekularer Bibliotheken mit möglichst hoher Diversität sollte den Prozess der Arzneistoffentwicklung entscheidend verkürzen. Die konsequente Anwendung der neu entwickelten Methoden der kombinatorischen Chemie im Zusammenspiel mit dem Ultra-Hochdurchsatzscreening versprach, die Suche nach neuen Arzneistoffen zu optimieren. Molekularbiologische Fortschritte sollten neue Ansatzpunkte für die Pharmakotherapie erschließen. Konnten die hohen Erwartungen an die neuen Arbeitstechniken erfüllt werden? Dieser Beitrag stellt den Stand der Etablierung, Erfolge in der Wirkstoffentwicklung und aktuelle Trends in der kombinatorischen Chemie vor.

Die abgeschlossene Grobkartierung des menschlichen Genoms und die Fortschritte bei der interdisziplinären Entwicklung von Hochleistungstestverfahren für Arzneistoffkandidaten stellen eine weitere schnelle Identifizierung attraktiver Angriffspunkte und die Bereitstellung geeigneter Testmodelle für die Arzneistoffentwicklung in Aussicht (1). Plötzlich erscheint es möglich, Wirkstoffe gegen viele bisher nicht behandelbare Erkrankungen zu finden. Es müssen lediglich genügend Testkandidaten durchgemustert und die erhaltenen Leitstrukturen optimiert werden. So einfach ist das. Oder vielleicht doch nicht?

Leitstrukturartige Leitstrukturen

Die biologische Evaluierung von Molekülsammlungen oder kombinatorischen Bibliotheken führte in den letzten Jahren häufig zu Strukturen mit relativ hohem Molekulargewicht und hoher Lipophilie, die ihre oft nur moderate Aktivität über eine Vielzahl schwacher Wechselwirkungen erreichen. Der Versuch, durch Molekülvereinfachung eine Pharmakophor-Grundstruktur herauszuarbeiten, ist in diesem Fall aussichtslos. Das früher in der medizinischen Chemie verwendete Bild vom "Rohdiamanten", der lediglich geschliffen werden muss, trifft für solche Leitstrukturen nicht zu. Das synthetisch relativ einfache Hinzufügen lipophiler Substituenten führt zwar wahrscheinlich zu aktiveren Verbindungen, da zusätzliche hydrophobe Bindungsareale erschlossen werden. Solche Derivate haben aber unweigerlich ein für Arzneistoffe ungünstig hohes Molekulargewicht und schlechte physikochemische Eigenschaften und sind deshalb schwer optimierbar.

Idealerweise werden nicht von einer groben Leitstruktur Ecken und Kanten entfernt oder ersetzt, sondern an geeignete kleine und polare Grundstrukturen lipophile Seitenketten hinzugefügt, die die Affinität auf vergleichsweise einfache Art verbessern. Es müssen also kleinere und polarere Hits gefunden und ausgewählt werden. Daher sucht man heute - als Ausgangspunkt für die Wirkstoffsuche - gezielt nach solchen Verbindungen. Teague und Mitarbeiter bezeichnen diese im Gegensatz zu Leitstrukturen mit wirkstoffartigen Eigenschaften als "leitstrukturartige Leitstrukturen" (2).

Kommerzielle Anbieter von Molekülbibliotheken tragen dieser Erkenntnis zunehmend Rechnung. Viele bisher dargestellte Bibliotheken sind für die Wirkstoffforschung jedoch praktisch wertlos. Ein neuer Trend zeichnet sich ab: Substanzbibliotheken, die via Internet angeboten werden, werden auf ihre Eignung für eine konkrete Fragestellung überprüft und aussichtsreiche Substanzen eingekauft.

Auslesekriterien bestimmen das Ergebnis

Das "erste Gesetz der gerichteten Evolution" von Enzymen beschrieb Arnold vom California Institute of Technology als "You get what you screen for" (3). Mit anderen Worten: Der Erfolg bei einem Screening hängt davon ab, wie gut das Testsystem genau die Eigenschaften misst, die relevant und erwünscht sind.

Wird bei einem Arzneistoff-Screening nur eine ausgewählte Eigenschaft wie Bindungsaffinität zu einem Zielenzym gemessen, andere wichtige Parameter wie physikochemische Eigenschaften aber vernachlässigt, können unbrauchbare Treffer resultieren. Zur Vermeidung dieser Problematik müsste ein Testsystem möglichst alle relevanten Parameter gleichzeitig berücksichtigen. Da das mit In-vitro-Systemen unmöglich ist und In-vivo-Versuche erst zu einem fortgeschrittenen Stadium ethisch vertretbar sind, müssen die nicht gemessenen, aber wichtigen Einflussgrößen aus den Messwerten abgeleitet werden. Jedoch ist die Deduktion von peroraler Verfügbarkeit, pharmakokinetischen Eigenschaften oder Toxizität aus einem Ligandenbindungstest ebenfalls schwierig; daher geht man in der Arzneistoffforschung andere Wege. Ergebnisse verschiedener Testsysteme werden miteinander kombiniert oder nur Testkandidaten mit maßgeschneiderten Eigenschaften bezüglich nicht gemessener, aber wichtiger Parameter in ein Auswahlverfahren eingespeist.

Dies ist vielleicht vergleichbar mit der Internetsuche nach einem Supersportwagen. Geben Sie als Suchkriterien eine hohe Motorleistung und breite Reifen ein, findet Ihre Suchmaschine neben einem Porsche auch einen Traktor und einen Bus. Wahrscheinlich ist eine schwere Arbeitsmaschine der beste Hit. Erst wenn nur PKW für die Suche zugelassen werden, auch nach der erreichbaren Höchstgeschwindigkeit selektiert oder ein Filter für Fahrzeughöhe und Gewicht eingebaut wird, finden Sie brauchbare Treffer.

Um im Arzneistoff-Screening nur Moleküle mit günstigen Eigenschaften für die Optimierung zu finden, werden die Baupläne moderner molekularer Testsubstanzbibliotheken entsprechend konzipiert. Als Anhaltspunkt wird zurzeit beispielsweise "Lipinski´s Rule of Five" herangezogen (4). Eine schlechte Absorption oder Permeation des Arzneistoffkandidaten ist wahrscheinlich, wenn mehr als ein Kriterium erfüllt ist (Tabelle 1).

 

Tabelle 1: Lipinski´s Rule of Five

Schlechte Absorption oder Permeation ist wahrscheinlich:

  • Das Molekül weist mehr als fünf H-Bindungsdonoren auf (ausgedrückt als Summe von OH und NH).
  • Das Molekulargewicht ist größer als 500 Dalton.
  • Der log P Wert ist größer als 5.
  • Das Molekül weist mehr als zehn H-Bindungsakzeptoren auf (ausgedrückt als Summe von O- und N-Atomen).
  • Verbindungsklassen, die biologische Transporter ausnutzen, stellen Ausnahmen dar.

 

Ob die von Lipinski und Mitarbeitern bei Pfizer herausgearbeiteten physikochemischen Eigenschaften kompromisslos beachtet werden müssen, wird die Zukunft zeigen. Die Analyse beruht auf Daten von Arzneistoffen, die in biologischen Untersuchungen aus Substanzkollektiven ausgewählt, optimiert und in die Therapie eingeführt worden waren. Typischerweise enthielten die Ausgangskollektive viele Verbindungen mit einem für synthetische Moleküle der sechziger und siebziger Jahre repräsentativen Molekulargewicht von unter 500 Da. Folglich findet man bei diesen Verbindungen eher aktive Vertreter mit einem niedrigen Molekulargewicht.

In einem Artikel von Lee und Schneider von Hoffman-La Roche wurden die Grundstrukturen von 5757 Arzneistoffen aus dem Derwent World Drug Index (WDI) mit 10495 Naturstoffen der BioscreenNP Datenbank bezüglich der Parameter von "Lipinski´s Rule of Five" gegenübergestellt (5). Erstaunlicherweise erfüllten die Naturstoffe die Kriterien ähnlich gut wie die synthetischen Arzneistoffe vielfältiger Herkunft. Nur zwölf Prozent der Naturstoffe verletzen zwei oder mehr der Kriterien, das sind nur wenig mehr als bei den Arzneistoffen des WDI (10 Prozent). Der zunächst naheliegende Verdacht, dass Naturstoffe bei Beachtung von Lipinskis Regeln zukünftig zu unrecht von der Leitstruktursuche und -optimierung ausgeschlossen werden könnten, scheint also unbegründet.

Zurzeit im Handel befindliche Arzneistoffe enthalten mehr Stickstoffatome als die zum Vergleich herangezogenen Naturstoffe (Tabelle 2). Bei älteren Versionen der WDI-Datenbank trat dieser Effekt noch deutlicher hervor. Das Zurückgehen dieser "N-Lastigkeit" bei neuen Arzneistoffen scheint also ein Trend in der Wirkstoffentwicklung zu sein.

 

Tabelle 2: Vergleich von Arznei- mit Naturstoffen bezüglich der Erfüllung von Lipinski´s Rule of Five

Eigenschaften der Moleküle 

Arzneistoffe des WDI 

Naturstoffe der BioscreenNP

Anzahl der betrachteten Moleküle 

5757 

10495

H-Bindungsdonoren pro Molekül 

2,5 

1,8

berechnetes Molekulargewicht MWc [Da] 

356 (261) 

360 (166)

berechneter log P Wert 

2,1 (3,0) 

2,9 (2,9)

H-Bindungsakzeptoren: 

 

 

Summe der N-Atome pro Molekül 

2,3 

1,4

Summe der O-Atome pro Molekül 

4,1 

4,3

Verletzung von mehr als einer der vier Regeln (in Prozent) 

10 

12

Zahlen in Klammern sind Standardabweichungen. Nach (5)

 

 Mit Hilfe leistungsfähiger Computer lassen sich Parameter, die die Eignung als Arzneistoff beeinflussen, zusammenführen und bewerten. Besonders die Arbeiten von Forschern der BASF haben auf diesem Gebiet der computerunterstützten Struktur-Eigenschaftsanalyse neue Wege, zum Beispiel unter Verwendung neuronaler Netze, erschlossen (6). Andere Verfahren, die die Arzneistoffeignung von organischen Molekülen erfassen und vorhersagen sollen, basieren auf gedanklichen Filtersystemen, bei denen Substanzen in einem Punktesystem bewertet werden. Eine hohe Zahl isolierter funktioneller Gruppen in einem Molekül spricht zum Beispiel in dem von Muegge (7) und Mitarbeitern vom Bayer Research Center in West Haven, Connecticut, vorgestellten Selektionsmodell für eine potenzielle Eignung als Arzneistoff.

Was hat die Kombinatorik bewirkt?

Das medizinisch-chemische Labor hat sich grundlegend verändert: Automation in Synthese und Logistik ist nicht mehr wegzudenken.

Die tatsächlichen Erfolge der kombinatorischen Chemie in der Forschung sind nur schwer direkt nachprüfbar. Nur sporadisch findet man genaue Angaben über Arzneistoffkandidaten, die als Hits aus kombinatorischen Bibliotheken hervorgegangen oder durch kombinatorische Methoden optimiert worden sind. Die Überlegenheit in Bezug auf gesparte Zeit oder Kosten ist nicht eindeutig festzustellen. Die meisten Publikationen zu den Themen Combinatorial Chemistry oder Solid Phase Synthesis - jeweils etwa 600 im letzten Jahr - beschäftigten sich hauptsächlich mit der Methodenentwicklung. Ein gutes Beispiel stellen neue "spurlose" Ankergruppen dar, die im Rahmen der Tagung der Fachgruppe Pharmazeutische/Medizinische Chemie der DPhG in Zusammenarbeit mit der Fachgruppe Medizinische Chemie der GDCh vom 5. bis 7. März in München von Bräse (8) und Gmeiner (9) vorgestellt wurden.

Erfolgsberichte über praktisch marktreife Entwicklungssubstanzen aus Laboratorien der Pharmaindustrie sind dagegen selten. Durch kombinatorische Synthesen werden aber ständig neue aktive Verbindungen wie Kinase-Inhibitoren (10) oder antibiotisch wirksame Verbindungen (11) gefunden und publiziert. Forschern von Schering-Plough gelang es, mit SCH-351125 (SCH-C) einen vielversprechenden Hemmstoff des HIV zu identifizieren. Die Verbindung aus Schering-Ploughs Testsubstanzsammlung, deren klinische Phase I in Europa praktisch abgeschlossen ist, wurde durch klassische medizinisch-chemische und kombinatorische Methoden vor allem hinsichtlich der Bioverfügbarkeit nach peroraler Applikation optimiert. Angriffspunkt ist der humane Chemokinrezeptor CCR5. Nach Bindung des Virus über gp 120 an CD4 müssen die Co-Rezeptoren CCR5 oder CXCR4 mit dem Virus interagieren, damit die Virusoberfläche mit der CD4-Zellmembran verschmelzen kann. Der von Takeda Chemical Industries Ltd. bereits vorher entdeckte CCR5-Blocker TAK-779 wurde dabei aus dem Rennen geworfen. Die Entwicklung dieser nur parenteral applizierbaren Verbindung wurde abgebrochen.

Block Buster, also eingeführte Arzneistoffe mit Jahresumsätzen im dreistelligen Millionenbereich, sucht man aber noch vergeblich.

Tatsächlich sind praktische Erfolge vorhanden, sie werden nur durch die weit fortgeschrittene Etablierung der kombinatorischen Chemie sowie die Verwebung mit klassischen Techniken und neuen Methoden des computerunterstützten Drug Design kaschiert. Dies lässt sich an der Etablierung der kombinatorischen Methoden bei einem Pharmaunternehmen wie Bayer ablesen. Durch Zukauf von Verbindungsbibliotheken und eigene Hochdurchsatzsynthesen konnte die Molekülsammlung vervielfacht werden. Nach der Installation eines der weltweit größten Testsubstanzlager - einem Neubau für sechs Millionen Verbindungen im Wuppertaler Pharma-Forschungszentrum - können sehr viel mehr Testkandidaten als bisher für ein Screening bereitgestellt werden. Die größere Anzahl von chemischen Substanzen, die dem Auswahlprozess nach pharmakodynamischen und pharmakokinetischen Kriterien unterworfen werden, stellt an sich einen großen Erfolg dar - selbst dann, wenn die im Testsystem ausgewählten Kandidaten nicht aus der kombinatorischen Synthese stammen. Von Wuppertal aus wird Bayer in Zukunft seine weltweite Pharma-Forschung mit Prüfsubstanzen versorgen. Eine logistische Aufgabe, die nur durch Automatisierung zu lösen ist. Roboter transportieren, sortieren, bilanzieren und lagern die Behälter mit den Bibliotheksmitgliedern, so dass die vollautomatische Wiederfindung von Substanzen gewährleistet ist.

Die schnellere Synthese zusammen mit dem schnelleren Zugriff auf die Testsubstanzen beschleunigt den Suchprozess. So wird der Weg zum Treffer im Testsystem und weiter über die Wirkstoffoptimierung zum Entwicklungskandidaten weitaus effizienter. Die kombinatorische Chemie bietet also Vorteile im industriellen Wettbewerb. Die Methode liefert einen großen Fundus an Testsubstanzen, und diese breite Basis erhöht die Qualität der späteren Entwicklungskandidaten.

Die Arzneistoffentwicklung ist nicht leichter und schon gar kein Kinderspiel geworden. Gleichwohl haben sich die kombinatorische Chemie, die Entwicklung neuer Synthesetechniken und das Handling großer Substanzzahlen und Datenmengen etabliert. Erst eine retrospektive statistische Auswertung in mehreren Jahren wird zeigen, ob sich die durchschnittlichen Entwicklungszeiten für neue Arzneistoffkandidaten verringern ließen und sich der Aufwand für die forschende Pharmaindustrie unter dem Strich gelohnt hat. Bis jetzt spricht alles dafür.

Laminare Trägersysteme

Die Bereitstellung von maßgeschneiderten Molekülsammlungen unter Verwendung planarer Trägersysteme wurde bei der Gesellschaft für Biotechnologische Forschung mbH GBF in Braunschweig schon seit Anfang der achtziger Jahre betrieben. Frank und Mitarbeiter der Arbeitsgruppe Molekulare Erkennung der GBF setzen die aktuelle Microarray-Technologie sowohl für die routinemäßige Parallelsynthese großer Substanzbibliotheken als auch zur Klärung molekularbiologischer Fragen ein. Unter anderem werden durch die Auftragssynthese als Dienstleistung für andere GBF-Abteilungen Substanzen in einem Umfang bereitgestellt, dessen hoher materieller Gegenwert auf anderem Weg gar nicht finanzierbar wäre.

Die Leistungsfähigkeit solcher laminarer Syntheseautomaten ist beeindruckend. Auf der Fläche, die einer handelsüblichen Compact Disk entspricht, können durch miniaturisierte Hochleistungsdispensiersysteme 2500 diskrete Reaktionspunkte in höchster Geschwindigkeit und Präzision angesteuert werden. In diesen isolierten Punkten können 2 500 Testsubstanzen in sehr kurzer Zeit synthetisiert und zur biologischen Untersuchung bereitgestellt werden. Dieses Verfahren hat sich besonders bei der Synthese von Peptidbibliotheken bewährt. Diese haben einen unstrittig hohen Stellenwert als Werkzeuge zur Untersuchung von Fragen aus der Zellphysiologie und Rezeptorforschung. In der Arzneistoffforschung sind Peptidbibliotheken wegen der problematischen Resorptionseigenschaften von Peptiden aus der Mode gekommen.

Seit der Entdeckung, dass Polyarginine wie das virale Tat-Protein in hohem Maße aktiv von Zellen aufgenommen werden, scheint eine Lösung des Problems in Sicht. Das Anhängen von mehreren Arginin-Einheiten an ein Peptid könnte die ansonsten nicht mögliche Resorption gewährleisten (12).

Renaissance von Peptidbibliotheken

Verschiedene Arbeitsgruppen haben Peptidbibliotheken eingesetzt, um Oligonukleotid-Liganden zur Hemmung der HIV-Vermehrung über Blockade des Transactivation Responsive RNA-Elements (TAR) zu identifizieren (13). Der Gruppe von Hamy und Mitarbeitern gelang es, aus 20 Teilbibliotheken von jeweils 160.000 Nonapeptid/Peptoid-Chimären Inhibitoren der TAR-RNA zu identifizieren (14). Das erhaltene Derivat CGP64222 mit vier Guanidingruppen und drei primären Aminogruppen ist eines der ersten publizierten Beispiele für eine antivirale Substanz, deren Aktivität auf einer Protein/RNA-Wechselwirkung beruht.

In Gelelektrophorese-Experimenten konnte gezeigt werden, dass CGP64222 die Formierung des Tat-TAR-Komplexes noch in Konzentrationen von 12 nM auf die Hälfte reduzieren kann (IC50 12 nM). Die Hemmaktivität gegen HIV-1 ist in vitro nur schwach ausgeprägt (IC50 >100 µM). Es wurde bisher fälschlich angenommen, dass polykationische Verbindungen Biomembranen nur schwer überwinden und dies der Grund für eine schwache Aktivität in In-vitro-Zellsystemen sei. Das Gegenteil ist für solche Polyarginin-Strukturen mittlerweile nachgewiesen (12).

Verbindungen wie ALX40-4C stellen wegen ihrer Guanidin-Partialstrukturen, die im hohem Maße einen aktiven Transport in die meisten Zellen vermitteln, sogar einen völlig neuen Ansatz zum Design von Transportformen für schlecht membrangängige Arzneistoffe dar. Die im Bereich der Arzneistoffentwicklung bereits totgesagte Festphasensynthese von Peptidbibliotheken erlebt damit eine Renaissance. Die Anheftung von Derivaten wie ALX40-4C an Arzneistoffe wie Cyclosporin A oder Paclitaxel wird derzeit intensiv entwickelt und erscheint außerordentlich Erfolg versprechend (15). Die Inkorporierung von Polyarginin-Strukturen kann die Aufnahme peptidischer Arzneistoffe erheblich verbessern. Ob D- oder L-Arginin eingesetzt wird, scheint unerheblich; L-Argininpeptide werden lediglich leichter von Peptidasen gespalten. Allerdings binden polykationische Verbindungen naturgemäß an alle Substanzen mit Polyphosphat-Rückgrat mehr oder weniger stark und erschweren so das selektive Erreichen ausgewählter Zielstrukturen.

Die in vitro beobachtete Anti-HIV-Aktivität von Poly-D-Arginin ALX40-4C beruht in erster Linie nicht auf der strukturellen Analogie zum Tat-Peptid und einer daraus resultierenden Inhibition des Tat-TAR-Aktivierungsmechanismus. ALX40-4C erwies sich vielmehr als Ligand des stark negativ geladenen Chemokinrezeptors CXCR4 (Fusin). Es verhindert - ähnlich wie das von Forschern am Rega Institut für medizinische Forschung in Belgien in Zusammenarbeit mit AnorMED gefundene AMD-7049 - dessen "Missbrauch" als HIV-1-Co-Rezeptor durch auf T-Zellen ausgerichtete HIV-Stämme (16, 17).

MCR im Rampenlicht

Aus einem jahrzehntelangen Dornröschenschlaf erwacht ist die von Ugi in München maßgeblich mitgeprägte Entwicklung von Multikomponentenreaktionen, den MCR (Multi component reactions). Der erste Kongress exklusiv zu diesem Thema in München (MCR 2000) sowie der Beitrag von Ugi auf der DPhG-Fachgruppentagung zeigten das sprunghaft gestiegene Interesse an solchen Reaktionen. Auch ohne aufwändige Multistufen-Festphasensynthesen können durch MCR molekulare Bibliotheken hoher oder maßgeschneiderter Diversität in Lösung aufgebaut werden. Drei Typen werden zurzeit unterschieden:

  • Typ I: Synthesen vom Streckertyp oder die klassische Mannich-Reaktion. Edukte, Zwischenprodukte und Endprodukte liegen im Gleichgewicht vor.
  • Typ II: Synthesen wie die Ugi-Reaktion, bei der nur Edukte und Zwischenprodukte equilibrieren, aber die Produkte irreversibel und oft in hoher Ausbeute und Reinheit entstehen.
  • Typ III: MCR, bei denen alle Unterreaktionen irreversibel sind.

Die mögliche Beeinflussung von Gleichgewichten bei der MCR vom Typ I erschließt eine interessante Option: Gibt man einer Reaktionsmischung bereits einen biologischen Bindungspartner wie einen Rezeptor hinzu, werden die häufiger oder länger gebundenen Derivate dem Gleichgewicht vorübergehend entzogen und reichern sich an. Dadurch kommt es zu einer Auswahl der gebildeten Produkte durch die biologische Zielstruktur. Solche quasi-evolutionären Ansätze sind ein neuer Trend in der kombinatorischen Chemie.

Dynamisch-selektionierende Methoden

Versuche, Hits mit Hilfe dynamischer Bibliotheken zu erhalten, beschrieben kürzlich Lehn und Mitarbeiter (18, 19). So ließen sich Acetylcholinesterase-Inhibitoren dadurch identifizieren, dass geeignete Bausteine reversibel in einem dynamischen Gleichgewicht unter Ausbildung von Acylhydrazonen kondensiert und die erhaltenen Mischungen an Acetylcholinesterase des Rochens Torpedo marmorata auf Aktivität untersucht wurden. Durch Wiederholung des Experiments unter Verzicht auf jeweils einen Baustein wurden die Bausteine identifiziert, die für die biologische Aktivität besonders wichtig waren. Am Ende konnte aus vier Hydraziden, vier Aldehyden und sechs Dialdehyden ein bikationischer Ligand mit einer inhibitorischen Aktivität von IC50 = 2,3 nM aufgebaut werden.

Die volle Leistungsfähigkeit des Verfahrens wird aber erst dann ausgeschöpft, wenn die bisher notwendige, nachträgliche Identifizierung der aktivsten Verbindungen (Dekonvolution) dadurch vermieden wird, dass eine deutliche Anreicherung durch die Anwesenheit der biologischen Zielstruktur im Reaktionsmedium erreicht werden kann. Die Ableitung von Struktur-Aktivitätsbeziehungen wäre dann allerdings nicht mehr möglich, es fiele einem sozusagen nur eine aktive Verbindung in den Schoß. Hochleistungs-Screeningverfahren werden dabei nicht benötigt. Die Bedeutung dieser "dynamischen kombinatorischen Chemie" im Vergleich zur etablierten "statischen" Kombinatorik kann zurzeit noch nicht abgeschätzt werden.

Ein anderes Verfahren, bei dem die Zielstruktur mithilft, die Gestalt seines Liganden zu formen, ist das von Ellman vorgestellte Target-guided ligand assembly (20). Hierbei werden zunächst schwach bindende Fragmente identifiziert und vergleichbar dem dargestellten Ansatz über verschiedene Linker verbunden und evaluiert.

Polymergebundene Reagenzien

Das High-Speed Analoging, also die beschleunigte Synthese von Leitstrukturanaloga, ist ein hoch kompetitives Arbeitsfeld. Viele neue Methoden zur Bereitstellung von Derivaten einer einmal identifizierten bioaktiven Struktur werden zurzeit bearbeitet. Die Ausarbeitung von Reaktionen an polymeren Trägern ist nicht trivial und beinhaltet üblicherweise eine unproduktive Anlaufphase, in der sogar weniger Testverbindungen erhalten werden als mit der klassischen Synthese in Lösung. Diffusionsprobleme, Adsorptionen und eine Reihe von unvollständig verstandenen Phänomenen erschweren oft die Synthese an vernetzten polymeren Trägerpartikeln. Daher gibt es verschiedene Wege, durch polymergebundene Reagenzien die Vorteile einer schnellen Aufarbeitung zu nutzen, ohne die bekannten Nachteile der Festphasensynthese, nämlich die durch Trägermaterialien erschwerte Analytik, in Kauf nehmen zu müssen.

In unserer Arbeitsgruppe wurden Reihen von analogen Nukleosidderivaten durch Umsetzung von ungeschützten multifunktionellen Bausteinen mit Acylierungsreagenzien synthetisiert (21). Dabei konnten wir diverse Carbonsäuren am Träger herstellen und unter Vermeidung von Schutzgruppenoperationen praktisch vollständig auf die in Lösung bereitgestellten Grundstrukturen übertragen (22). Auf diese Weise nutzen wir die Vorteile der Festphasensynthese bei der Darstellung von Harz-gebundenen Carbonsäurebibliotheken, zum Beispiel durch nukleophile Substitution am Aromaten (23). Die eigentliche Synthese der Testverbindungen erfolgte anschließend durch die nach chemischer Aktivierung aus diesen Carbonsäurebibliotheken erhaltenen reaktiven Säurederivate, die nun als polymergebundene Reagenzienbibliothek verwendet wurden. Nukleophiler Angriff der gelösten Nukleoside auf die am gequollenen Polymergerüst labil kovalent gebundenen acylierten sekundären Sulfonamide führte zur chemoselektiven Ablösung der Carbonsäureäquivalente. Überschüssiges und verbrauchtes polymergebundenes Reagenz wurde anschließend einfach abfiltriert; man erhält reine Lösungen der Testverbindungen. Diese Arbeiten wurden durch die DPhG großzügig gefördert.

Die Arbeitsgruppe von Kirschning in Hannover entwickelte Durchflussreaktoren, die der aus der HPLC bekannten Monolith-Technologie entsprechen und hervorragende Eigenschaften für die Immobilisierung von Katalysatoren aufweisen. Solche Kartuschen mit immobilisierten Katalysatoren scheinen einen alten Traum der Chemiker wahr werden zu lassen. Eine Lösung von Substraten wird durch die geeignete Säule gepumpt, und es resultieren die fertigen Produkte in hoher Reinheit.

Andere Verfahren unter Verwendung von Löslichkeitssteuerungsauxiliaren (24) setzen auf Protonierungskonzepte (25), so genannte Präzipitone (26), "fluorige Phasen" (27) oder fakultativ lösliche lineare Polymere (28). Bis jetzt hat sich aber die Synthese an quervernetzten polymeren Trägern behaupten können. Die leichte Automatisierbarkeit der extrem schnell und vollständig ablaufenden Trennungen durch Filtration konnte von keiner anderen Methode erreicht werden.

Mit ungebremster Kreativität

Die kombinatorische Chemie ist den Kinderschuhen entwachsen und hat sich neben dem Hochdurchsatzscreening (HTS) als ein Eckpfeiler des komplizierten interdisziplinären Prozesses der Arzneistoffentwicklung etabliert. Sie hat dabei sehr viel von ihrem Schwung bewahrt, die Kreativität in der Methodenentwicklung ist ungebremst.

Heute stellt die rasche Bereitstellung und Durchmusterung von attraktiven Wirkstoffkandidaten nicht mehr den Flaschenhals bei der Arzneistoffforschung dar. Es werden schneller aktive Verbindungen höherer Qualität gefunden. Der Beitrag der kombinatorischen Techniken wird dabei nicht direkt sichtbar, weil es keine Rolle spielt, aus welcher Quelle ein Arzneistoffkandidat tatsächlich stammt, der im HTS gefunden wird. Computergestützte Wirkstoff-Design-Verfahren entscheiden mit, welche Verbindungen letztlich synthetisiert werden. Wie Klebe und Mitarbeiter in einer Modellstudie eindrucksvoll belegt haben, können durch Computerscreening virtueller Molekülbibliotheken etliche Syntheserunden und damit Zeit und Geld gespart werden (29). Zudem werden wiederkehrende Strukturen bei ganzen Zielmolekülmotiven stärker herausgearbeitet; so müssen Forscher nicht bei jedem neuen Zielprotein, für das ein Ligand benötigt wird, wieder bei Null anfangen.

Trotz dieser Fortschritte bleibt der Entwicklungsprozess für neue Arzneistoffklassen langwierig und teuer. Werden jedoch Auslesekriterien wie Toxizitätsparameter und ADME-Regeln (Absorption, Distribution, Metabolismus, Exkretion) bereits beim Bibliotheksdesign berücksichtigt, können Abbrüche von Projekten in späten Entwicklungsphasen reduziert werden.

 

Literatur

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  29. Grüneberg, S., Wendt, B., Klebe, G., Subnanomolar wirksame Inhibitoren aus dem Computerscreening: eine Modellstudie an der humanen Carboanhydrase II. Angew. Chem. 113, Nr. 2 (2001) 404 - 408.

 

Der Autor

Andreas Link studierte Pharmazie am Institut für Pharmazie der Universität Hamburg (Approbation 1993) und wurde 1996 bei Professor Dr. Detlef Geffken promoviert. Nach einem von der DFG geförderten Postdoktorandenaufenthalt (1996 bis 1997) am Rega Institut für medizinische Forschung in Leuven, Belgien, trat Link eine wissenschaftliche Assistentenstelle in Hamburg an. Er erhielt je zweimal ein Habilitandenstipendium der DPhG und einen Sachkostenzuschuss des FCI sowie den Glaxo Wellcome Innovationspreis für die Hamburger Pharmazie 1995/96. Seine Forschungsinteressen konzentrieren sich auf die Entwicklung neuer Verfahren zur polymerunterstützten Parallelsynthese von Leitstrukturanaloga unter Verwendung von Sicherungsankern sowie auf die Identifizierung bioaktiver Verbindungen mit diesem Ansatz. Für diese Arbeiten wurde er im Oktober 2001 mit dem Innovationspreis der GDCh-Fachgruppe Medizinische Chemie und der Fachgruppe Pharmazeutische/Medizinische Chemie der DPhG ausgezeichnet. Seit März 2001 ist Dr. Link als Unterauftragsnehmer der Jomaa Pharmaka GmbH in Gießen Leiter eines Teilprojekts des BMBF BioChance Programms zur Identifizierung neuer Antiinfektiva.

 

Anschrift des Verfassers:
Dr. Andreas Link
Institut für Pharmazie der Universität Hamburg
Bundesstraße 45
20146 Hamburg
E-Mail: link@uni-hamburg.de 

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