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CHIMICA COMBINATORIALE

La sintesi di composti chimici come insiemi

(librerie) e lo screening di queste librerie per

composti singoli con proprietà desiderate

Studio combinatoriale per ottimizzare una

reazione in catalisi omogenea (reazione di Heck)

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CHIMICA COMBINATORIALE Premessa

prende avvio a cavallo degli anni ‘90

all’inizio si basa sulla chimica in fase solida

chimica dei peptidi e degli oligonucleotidi

sviluppata per interessi farmaceutici

sviluppare nuovi farmaci nel minor tempo e con la minima spesa

Distribuzione delle attività di scoperta e sviluppo di farmaci negli USA

Carboidrati

11%

Prodotti Naturali

8%Ribozimi

7%

Altro

24%Combinatoriale

26%

"Structure-

based"

11%

Trascrizione

13%

Processo di "Drug Discovery" e impatto delle Librerie Combinatoriali

Identificazione del

target biologico

Lead

Discovery

Lead

OptimisationSelezione del

"Candidato"

Impatto della Sintesi Combinatoriale

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CHIMICA COMBINATORIALE Definizioni

Libreria Combinatoriale

è una entità singola costituita da numerori

“individui” (da centinaia a milioni) che può essere

preparata in “formati” diversi e con varie tecniche

sintetiche; testata biologicamente, consente la

determinazione strutturale, la selezione di composti

attivi.

N

H2N

O

R1

R2

R3

“Scaffold”

è l’elemento strutturale comune in tutti i componenti della libreria (il nucleo

indolico)

Monomero

è il reagente utilizzato per modificare lo “scaffold, un set di monomeri è una

classe di reagenti con lo stesso gruppo funzionale che reagisce con una funzione

dello scaffold per generare diversità: 10 ammine reagiscono con uno scaffold

contenente una funzione carbossilica per produrre 10 differenti ammidi

Punti di diversità

rappresentano le posizioni dello scaffold per l’attacco dei diversi set di

monomeri (R1, R2, R3) formando i componenti della libreria attraverso tutte le

possibili combinazioni

“Chemical assessment”

processo attraverso cui una classica reazione organica in soluzione è

“combinatorializzata”: passaggio alla fase solida e/o l’adattamento delle

condizioni di reazione per l’uso di monomeri con differente reattività e stabilità

Controllo di qualità

processo di determinazione del profilo di qualità della libreria.

La caratterizzazione analitica è fatta sulla libreria come fosse un’unica entità,

anche se si acquisiscono i dati sulle singole entità

Determinazione strutturale

è il processo attraverso cui si associa l’attività eventualemente osservata dalla

libreria allo specifico componente responsabile della medesima.

deconvoluzione: si risintetizzano pools più piccoli contenenti le molecole

positive

“decoding”: si determina la struttura di una “etichetta” (tag) legata

al supporto solido contenente il “positivo”.

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Formato delle librerie

Libreria Primaria: “hit” Libreria Secondaria: “lead”

random

fase solida

“mix and split”

> 10,000 composti

< 1 mg/composto

test biologici su numerosi targets

“focalizzata”

fase solida/soluzione

sintesi parallela

< 10,000 composti

> 1 mg/composto

test biologico su un unico target

Le Librerie Primarie sono generalmente preparate per identificare uno o più

positivi su un target non definito. I componenti della libreria dovranno quindi

essere il più possile diversi e coprire la più ampia varietà strutturale anche in

modo casuale.

La Struttura positiva (hit) così identificata sarà il punto di partenza per definire

una seconda libreria in cui preparando vari analoghi della molecola hit si

chiarisce la relazione struttura-attività (SAR) della classe di composti, portando

alla definizione di una molecole lead, potenziale candidato per lo sviluppo di un

nuovo farmaco.

Utilizzo di librerie nell'industria farmaceutica

fase esploratoria

libreria primaria

ottimizzazione

SAR

libreria secondaria

riduzione del tempo necessario

all'identificazione di un"positivo"

veloce acquisizione di informazioni

via sintesi parallela di numerosi

composti analoghi alla molecola hit.

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Librerie Discrete sintesi parallela

Sono librerie in cui i diversi composti sono definiti e preparati come unità

singola attraverso processi di automazione delle classiche reazioni organiche in

modo tale da poter maneggiare fino a decine di migliaia di reattori in parallelo.

1 2 3 4 5 n

.........

C A Y D D Y

DD YA C

.........n54321

A

1 2 3 4 5 n

.........

.........n54321

Libreria di “Discreti” Libreria “Pools”

pochi composti (da 10 a 1000)

maggiori quantità, >1 mg/composto

non è necessaria la determinazione

strutturale

controllo qualità

numerosi composti (da 1000 a ?)

minori quantità, <1 mg/composto

è necessaria la determinazione

strutturale (decoding)

controllo qualità

8

9

10

Librerie “Pool” mix & split

Esempio di ipotetica libreria con 3 x 3 x 3 = 27 membri

resina

A1 A2 A3

A1 A2 A3

mix

split

B1 B2 B3

A1 B1

A2 B1

A3 B1

A1 B2

A2 B2

A3 B2

A1 B3

A2 B3

A3 B3

C1 C2 C3

A1 B1 C1

A2 B1 C1

A3 B1 C1

A1 B2 C1

A2 B2 C1

A3 B2 C1

A1 B3 C1

A2 B3 C1

A3 B3 C1

A1 B1 C2

A2 B1 C2

A3 B1 C2

A1 B2 C2

A2 B2 C2

A3 B2 C2

A1 B3 C2

A2 B3 C2

A3 B3 C2

A1 B1 C3

A2 B1 C3

A3 B1 C3

A1 B2 C3

A2 B2 C3

A3 B2 C3

A1 B3 C3

A2 B3 C3

A3 B3 C3

mix

split

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Librerie in fase solida e in soluzione

Librerie in fase solida Librerie in soluzione

possibilità di utilizzare eccessi di

reagente

possibilità di sintesi multistadio

facile work-up

possibilità mix & split

tutte le reazioni organiche sono

potenzialmente utilizzabili

non è necessario l’assessment

non è necessaria la rimozione nè il

linker

quantità di prodotto illimitata

Identificazione & Ottimizzazione

Chimica

Librerie primarie

Combinatoriale

nuovi principi attivi

migliaia composti

determinazioneattività biologica

determinazionestruttura chimica

Librerie secondarie

centinaia composti

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Libreria di polipeptidi e interazione con RNA

W.C. Still et al. PNAS 1999, 96, 12997-13002

Libreria mix and split formata da 29 aminoacidi diversi

Si formano tripeptidi: libreria composta da 293 = 24,389 tripeptidi diversi

Si usa resina Tentagel

Scopo: stabilire migliore interazione con TAR RNA (trans activation

responsive region RNA) da parte di piccoli peptidi invece che proteine

Libreria è formata con strategia di encoding con Tags (etichette)

fotolabili: ogni aminoacido aggiunto è individuato da cinque

etichette fotolabili

TAR RNA è funzionalizzato con colorante Disperse Red

I beads che interagiscono più fortemente con RNA rimangono colorati

in rosso e vengono prelevati manualmente

Decoding attraverso analisi delle tags corrispondenti

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Limitazioni nell’uso di supporti polimerici insolubili

La loro completa insolubilità comporta la difficoltà di caratterizzare specie

molecolari discrete attaccate ad essi

Reazioni incomplete spesso portano alla necessità dei composti ottenuti

dopo cleavage dai relativi supporti insolubili

La chimica in soluzione non è direttamente trasferibile in fase solida ma

richiede ottimizzazione

Ricerca di supporti polimerici solubili

Polietilenglicole (PEG)

Polistirene

Copolimeri a blocchi

Poli(N-alchilacrilamide)

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PEG insolubile in etere

Polistirene insolubile in MeOH

Quantità di principio attivo supportato deve essere tale da non

modificare la proprietà di solubilità del polimero