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Avances en el descubrimiento de fármacos basados ​​en fragmentos

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Avances en el descubrimiento de fármacos basados ​​en fragmentos

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durante la última década descubrimiento de fármacos basado en fragmentos FBDD ha despertado un interés creciente entre los expertos en descubrimiento de fármacos y se ha establecido como un enfoque clave dentro del campo, actuando como un punto de partida alternativo para el descubrimiento de candidatos principales de alta calidad. A pesar de los avances en varias tecnologías de detección, que hanindudablemente impulsó FBDD hacia adelante, la aplicación de un enfoque basado en fragmentos a objetivos biológicos más complejos sigue siendo un desafío. 1

Este artículo analiza la evolución de las FBDD, destaca los descubrimientos de fármacos clave que resultan de los métodos basados ​​en fragmentos y explora algunas de las ventajas y desafíos de aprovechar este enfoque.

¿Qué es el descubrimiento de fármacos basado en fragmentos y por qué es útil?


El descubrimiento de fármacos basado en fragmentos comienza con una pequeña colección de compuestos muy pequeños que normalmente comprenden> 20 átomos que no son de hidrógeno o átomos 'pesados'. 2 El tamaño de estos compuestos significa que el número de posibles fragmentos es considerablemente menor que el número de moléculas similares a fármacos que se generan normalmente a partir de otros enfoques de descubrimiento de fármacos, como el cribado de alto rendimiento HTS.

Para ponerlo en perspectiva, ¡se estima que hay más moléculas pequeñas similares a las drogas que estrellas en el universo! 3 Por el contrario, las bibliotecas de fragmentos están compuestas por solo unos pocos miles de moléculas minúsculas.

El tamaño importa ...


Cuanto más grande es la molécula, más compleja se vuelve. Cuanto mayor es la complejidad molecular, mayor es la probabilidad de interacciones con una proteína diana 4 - interacciones que pueden no siempre ser favorables.

Los fragmentos pequeños forman menos interacciones con una proteína objetivo y, por lo tanto, es de esperar que puedan unirse más fácilmente a más sitios en más objetivos, lo que se traduce en una mayor cantidad de 'aciertos' Figura 1.

El tamaño de las bibliotecas de fragmentos en comparación con las generadas por otros enfoques, significó que inicialmente las técnicas de fragmentación fueron utilizadas en gran medida por pequeñas empresas de biotecnología. Prof. Roderick Hubbard , Structural Biology Lab, University of York, Reino Unido explica: "El tamaño reducido de las bibliotecas químicas hizo que los métodos basados ​​en fragmentos fueran accesibles para ellos".

"A la mayoría de los químicos medicinales les tomó algún tiempo darse cuenta de que es preferible comenzar con un golpe de afinidad pequeño y débil que trabajar con un compuesto más grande y potente".

Figura 1: Comparación de HTS y unión de fragmentos a una proteína diana.

El cribado de la biblioteca de fragmentos le permite descubrir conocimientos estructurales, lo que le permite identificar la interacción de múltiples impactos de fragmentos de afinidad débil con la proteína objetivo, lo que guía la optimización de la química medicinal. 5

Establecimiento de enfoques basados ​​en fragmentos


Prof. György Miklós Keserű , Asesor científico, Grupo de investigación de química medicinal en el RCNS-HAS, Hungría, propone que: “… hubo muchas contribuciones importantes que dieron como resultado el desarrollo del enfoque de descubrimiento de fármacos basado en fragmentos FBDD en una estrategia validada para ambosacademia y farmacéutica. Los esfuerzos concertados de los fundadores y profesionales de FBDD han resuelto muchos problemas, entre ellos: diseño de bibliotecas, detección y optimización de fragmentos ".

Base teórica para el descubrimiento de fármacos basado en fragmentos


Mucho antes de que el FBDD se pusiera en práctica físicamente, Jencks publicó sobre la base teórica del FBDD. 6 “La idea de utilizar pequeños fragmentos de química que se unen al sitio activo de una proteína fue establecida a mediados de la década de 1980 por la comunidad de biología computacional y posteriormente, a principios de la de 1990 estructural”, dice Hubbard.

Este trasfondo teórico se complementó aún más en 1984 cuando Andrews et al. propuso que los grupos funcionales individuales contribuían con energías de unión intrínsecas que podrían usarse para determinar la 'bondad de ajuste' de un fármaco a su objetivo. 7

Detección de unión de fragmentos: técnicas biofísicas avanzadas


“Los métodos basados ​​en fragmentos fueron los primeros en la práctica aplicado al campo de descubrimiento de fármacos por el grupo de Fesik y Hajduk en Abbott en 1996. ” 8 Comentarios de Hubbard. Los científicos de Abbott utilizaron un método basado en resonancia magnética nuclear RMN para identificar fragmentos que podrían unirse a subsitios proximales de la proteína objetivo, fragmentos que luego se optimizaron y vincularon para crear ligandos de alta afinidad. 9 Unos años más tarde, Nienaber et al. publicó un artículo sobre el uso del cribado cristalográfico de rayos X para el descubrimiento de compuestos clínicos y, posteriormente, ambos métodos, NMR y cristalografía de rayos X, se convirtieron en el foco de numerosas empresas que asumieron la tarea de adaptar estas estrategias específicamente a loscampo de descubrimiento de fármacos.

“Un desarrollo importante y continuo ha sido tanto la sensibilidad como la solidez de las diversas técnicas biofísicas, utilizadas para identificar impactos de fragmentos y, lo que es más importante, la experiencia en su uso”, dice Hubbard.

Varios otros enfoques ahora están adaptados para FBDD además de la cristalografía de rayos X y la RMN. 5
Los ejemplos incluyen :

  • detección de la actividad del sustrato . En esta estrategia de detección, los sustratos para una proteína diana específica se pueden identificar y optimizar rápidamente. Permite la conversión de fragmentos en inhibidores no peptídicos de cisteína y serina proteasas.
  • espectroscopia SPR . Esta técnica implica inmovilizar la proteína objetivo en un chip recubierto de metal y permitir que los fragmentos fluyan. Se produce un cambio en la masa de fragmento-proteína al unirse, lo que provoca un cambio en la propiedad reflectante del chip de metal que permite la detección entiempo real.
  • proyección virtual . Los enfoques computacionales pueden arrojar luz sobre la interacción molecular entre el fragmento y la proteína diana. Este método puede usarse para predecir información estructural y examinar la unión de fragmentos a múltiples proteínas diana.

"FBDD le permite comenzar poco a poco, para que el químico médico pueda crear compuestos de plomo eficientes", explica Hubbard, "pero puede llevar algo de tiempo y esfuerzo que los resultados iniciales de los fragmentos se registren en un ensayo funcional convencional".

optimización de fragmentos


Un enfoque basado en fragmentos es particularmente valioso para nuevos objetivos en los que la detección más convencional HTS ya ha fallado. Su capacidad para identificar diversas materias químicas que se pueden unir al objetivo, proporciona al químico farmacéutico opciones cuando se trata de clasificar compuestos- permitiéndoles investigar los fragmentos más prometedores con potencial de desarrollo a largo plazo en candidatos a fármacos.

Un desafío clave surge una vez que ha identificado con éxito los aciertos iniciales. Luego se enfrenta a la tarea de transformar estos fragmentos, que poseen una afinidad débil por la proteína objetivo a menudo con valores de KD en el rango alto de μM a mM -en ligandos más potentes y prometedores.

“Los puntos de partida de los fragmentos generalmente tienen un perfil fisicoquímico 'bueno': se unen a los puntos calientes de proteínas y existe la posibilidad de optimizarlos racionalmente utilizando información estructural y métricas de eficiencia de ligandos”, señala Keserű.

La optimización eficaz de los fragmentos a menudo implica dos pasos clave. En primer lugar, se necesitan co-estructuras de los fragmentos unidos a sus proteínas objetivo para permitirle seleccionar los mejores resultados, que luego se pueden considerar para el desarrollo en un candidato principal. 7 El segundo paso implica realizar varios ensayos biofísicos y bioquímicos, para rastrear la potencia y eficacia del fragmento. 6 Estos ensayos adicionales complementan los datos adquiridos previamente de los estudios biofísicos iniciales, mejorando el poder predictivo del químico medicinal para un diseño racional.

Fragmento fusionándose, enlazando y creciendo


Hay tres métodos principales utilizados para la elaboración de fragmentos. El primero es el 'enlace' mediante el cual los fragmentos no superpuestos que se unen en diferentes sitios objetivo de la proteína se unen para producir una serie química novedosa. Otro es la 'fusión', que implica combinar elpartes estructurales comunes de fragmentos superpuestos que forman complejos con la proteína diana. 1 En tercer lugar, el fragmento 'crece', lo que implica la construcción de una 'química sensible' alrededor de un solo fragmento impactado. 10

Medicamentos derivados de métodos basados ​​en fragmentos


“Los éxitos de mediados a finales de la década de 2000 llevaron a la adopción de métodos basados ​​en fragmentos en la mayoría de las empresas y ahora hay muchas historias de éxito publicadas sobre el avance de un fragmento débil, mM, a un potente candidato a fármaco nM paraObjetivos de fármacos "convencionales" como las quinasas y la mayoría de las enzimas ", explica Hubbard.

Tabla 1: Ejemplos de fármacos derivados de FBDD.

Fortaleza en números: combinación de métodos basados ​​en fragmentos con otros enfoques


En los primeros días, FBDD se consideró como un enfoque alternativo al HTS. Sin embargo, más recientemente, existe un consenso creciente de que estas dos metodologías son de hecho complementarias, en lugar de competitivas, y al adoptar ambas estrategias, podría estar en unventaja distintiva.

“Aunque el cribado de fragmentos se usaba a menudo como 'respaldo', para los objetivos sin aciertos de HTS, hoy en día el cribado de fragmentos y el HTS se aplican en paralelo. Los enfoques de FBDD podrían ayudar a caracterizar la capacidad farmacológica del objetivo e identificar restos estructurales que se confirman medianteHTS. Esto contribuiría a la priorización y optimización más eficaz de los hits HTS ”, señala Keserű.

"Los fragmentos y HTS son una combinación poderosa. Los impactos de fragmentos se pueden usar para extraer la colección de compuestos corporativos para vecinos cercanos que se pueden evaluar en ensayos más sensibles que los que se pueden implementar en HTS. Los impactos de fragmentos proporcionan muchas ideas para el reemplazo del andamioen HTS hits ". explica Hubbard," Queda por ver qué tan eficazmente se pueden combinar los fragmentos con otros métodos, como las bibliotecas codificadas por ADN ".

Descubrimiento de fármacos basado en fragmentos: ¿Qué nos depara el futuro?


Varias tecnologías tienen el potencial de ser desarrolladas y mejoradas para maximizar el éxito del descubrimiento de fármacos basado en fragmentos. “Me gustaría ver tecnologías de detección más sensibles, robustas y sin etiquetas que se puedan usar no solo para identificar compuestos afectados sinotambién apoya la optimización en las etapas de fragmento a golpe a líder ”, dice Hubbard.

Los avances en las tecnologías de detección serán clave para impulsar el FBDD y adaptarlo a objetivos más desafiantes. Keserű señala: "Hay una notable diversificación en las tecnologías de fragmentos. La SPR y la RMN detectada por ligandos todavía se utilizan con frecuencia, sin embargo, los rayos XLa cristalografía y las pantallas de RMN con detección de proteínas se están volviendo cada vez más populares, ya que proporcionan información estructural directa sobre la unión de los fragmentos desde el principio ”.

Keserű continúa: "Creo que el progreso continuo en la explotación de técnicas computacionales, respaldado por cristalografía de rayos X de alta resolución y técnicas biofísicas, podría ayudar a que el proceso de diseño sea más efectivo".

Aunque FBDD ha recorrido un largo camino desde la década de 1980, todavía hay un camino por recorrer cuando se trata de aprender las mejores formas de abordar clases más desafiantes de nuevos objetivos. Hubbard cree que una consideración importante “es invertir el tiempo para generar elreactivos correctos: tanto las construcciones de proteínas que se necesitan para estudios biofísicos y estructurales, como también para el desarrollo de ensayos primarios sólidos para informar sobre la unión del ligando, incluida la definición de cuál es el objetivo en términos de modificación postraduccional o socios que se unen para modificar la función. ”

“Sigue existiendo una tendencia a ver los fragmentos como una solución cuando otros métodos han fallado”, concluye Hubbard, “todavía estamos aprendiendo las lecciones de cómo usar las técnicas en nuevas clases de objetivos más desafiantes”.

Referencias
1. Velvadapu, V., Farmer, BT, Reitz, AB 2015 Capítulo 7: Descubrimiento de fármacos basados ​​en fragmentos. La práctica de la química medicinal. Obtenido de http://www.sciencedirect.com/science/article/pii / B9780124172050000079
2. Erlanson, DA, Fesik, SW, Hubbard, RE, Jahnke, W. y Jhoti, H. 2016. Veinte años después: El impacto de los fragmentos en el descubrimiento de fármacos. Nature Reviews Drug Discovery, 15 9, 605-619. Doi: 10.1038 / nrd.2016.109
3. Bohacek, RS, Mcmartin, C. y Guida, WC 1996. El arte y la práctica del diseño de fármacos basado en estructuras: una perspectiva de modelado molecular. Medicinal Research Reviews, 16 1, 3-50.doi: 10.1002 / sici 1098-1128 199601 16: 13.3.co; 2-d
4. Hann, MM, Leach, AR y Harper, G. 2001. Complejidad molecular y su impacto en la probabilidad de encontrar pistas para el descubrimiento de fármacos. Revista de información química y ciencias informáticas, 41 3, 856-864. Doi: 10.1021 / ci000403i
5. Whittaker, et al. 2010 Fragmentos: pasado, presente y futuro. Drug Discovery Today: Technologies, 7 3, e163-eE171. Doi: 10.1016 / j.ddtec.2010.11.007
6. Jencks, WP 1981. Sobre la atribución y aditividad de las energías de enlace. Actas de la Academia Nacional de Ciencias, 78 7, 4046-4050. Doi: 10.1073 / pnas.78.7.4046
7. Andrews, PR, Craik, DJ y Martin, JL 1984. Contribuciones del grupo funcional a las interacciones fármaco-receptor. Journal of Medicinal Chemistry, 27 12, 1648-1657. Doi: 10.1021 / jm00378a021
8. Shuker, SB, Hajduk, PJ, Meadows, RP y Fesik, SW 1996. Discovering High-Affinity Ligands for Proteins: SAR by NMR. Science, 274 5292, 1531-1534. Doi: 10.1126/science.274.5292.1531
9. Hubbard, RE 2008 Enfoques de fragmentos en el descubrimiento de fármacos basados ​​en estructuras. J Synchrotron Radiat. 15: 227-230. Doi: 10.1107 / S090904950705666X
10. Scoffin, R., Slater, M. La elaboración virtual de ideas de fragmentos: crecimiento, fusión y vinculación de fragmentos con química realista. Descubrimiento, desarrollo y administración de fármacos. 7 2, 36-40.



Conozca al autor
Laura Elizabeth Lansdowne
Editor gerente
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