náhled|513x513pixelů|Schéma objevování a vývoje nových léčiv Objevování léčiv nebo také farmaceutický výzkum je cílené hledání nových účinných látek, nových kombinací účinných látek, nových galenických forem, nových oblastí použití stávajících léčiv a vývoj nových léčiv prováděný ve farmaceutických společnostech, ve výzkumných ústavech a na univerzitách. U kandidátů na nové léky musí být testována jejich kvalita, bezpečnost a účinnost v předepsaných preklinických a klinických studiích předtím, než jsou tyto léky schváleny k uvedení na trh příslušnými úřady.
Historicky byly léky objevovány identifikací účinné látky z tradičních léčivých přípravků nebo náhodným objevem, jako v případě penicilinu. V nedávné době však byly chemické knihovny syntetických malých molekul, přírodních produktů nebo extraktů prověřovány v intaktních buňkách nebo celých organismech s cílem identifikovat látky, které mají žádoucí terapeutický účinek, v procesu známém jako klasická farmakologie. Poté, co sekvenování lidského genomu umožnilo rychlé klonování a syntézu velkého množství purifikovaných proteinů, se stalo běžnou praxí používat high-throughput screening velkých knihoven sloučenin proti biologickým cílům, u nichž se předpokládá, že mohou modifikovat onemocnění, v procesu známém jako reverzní farmakologie. Úspěšné molekuly z těchto screeningů ("hity") se pak testují na buňkách a následně na zvířatech, aby se zjistila jejich účinnost.
Moderní metody oboru objevování léčiv zahrnují prvotní identifikaci hitů během screeningu,Helleboid S, Haug C, Lamottke K, et al. The Identification of Naturally Occurring Neoruscogenin as a Bioavailable, Potent, and High-Affinity Agonist of the Nuclear Receptor RORα (NR1F1). Journal of Biomolecular Screening. 2014;19(3):399–406. https://doi.org/10.1177/1087057113497095. medicinální chemiiHerrmann, A., Roesner, M., Werner, T. et al. Potent inhibition of HIV replication in primary human cells by novel synthetic polyketides inspired by Aureothin. Sci Rep 10, 1326 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-57843-9. a následnou optimalizaci těchto hitů za účelem zvýšení afinity, selektivity (snížení možnosti výskytu vedlejších účinků), účinnosti/potence, metabolické stability (zvýšení biologického poločasu) a perorální biologické dostupnosti. Ve chvíli, kdy je identifikována sloučenina splňující všechny tyto požadavky, může proces vývoje léku dále pokračovat. V případě úspěchu může další vývoj vyústit v testování látky v klinických studiích.
Moderní objevování léků je tedy obvykle kapitálově náročný proces, který zahrnuje velké investice farmaceutických průmyslových korporací i vlád jednotlivých států (které poskytují granty a záruky za úvěry). Navzdory technologickému pokroku a porozumění biologickým systémům je objevování léků stále zdlouhavým, "nákladným, obtížným a neefektivním procesem" s nízkou mírou objevování nových terapeutik. V roce 2010 činily náklady na výzkum a vývoj každé nové molekulární entity přibližně 1,8 miliardy USD. Ve 21. století je základní výzkum v oblasti objevování léčiv financován především vládami a dobročinnými organizacemi, zatímco vývoj v pozdní fázi je financován především farmaceutickými společnostmi nebo investory rizikového kapitálu. Aby mohly být léky uvedeny na trh, musí projít několika úspěšnými fázemi klinických zkoušek a projít schvalovacím procesem nového léku, který se ve Spojených státech nazývá New Drug Application.
Objevování léků, které mohou mít komerční úspěch nebo úspěch v oblasti veřejného zdraví, zahrnuje složitou interakci mezi investory, průmyslem, akademickou obcí, patentovými zákony, regulační exkluzivitou, marketingem a potřebou vyvážit utajení a komunikaci. Mezitím u vzácných onemocnění, kdy nelze očekávat velký komerční úspěch nebo efekt pro veřejné zdraví, zajišťuje proces financování léků pro "vzácná" onemocnění určitou naději pro lidi, kteří těmito poruchami trpí.
Dějiny Myšlenka, že účinek léčiva v lidském těle je zprostředkován specifickými interakcemi molekuly léčiva s biologickými makromolekulami (ve většině případů proteiny nebo nukleovými kyselinami), vedla vědce k závěru, že pro biologickou aktivitu léčiva jsou nutné jednotlivé chemické látky. To se stalo počátkem moderní éry farmakologie, kdy se standardními léčivy staly čisté chemické látky namísto surových extraktů léčivých rostlin. Příkladem léčivých sloučenin izolovaných ze surových preparátů je morfin (účinná látka v opiu) a digoxin (látka stimulující činnost srdce pocházející z Digitalis lanata). Organická chemie také vedla k syntéze mnoha přírodních produktů izolovaných z biologických zdrojů.
Historicky se látky, ať už surové extrakty nebo purifikované chemické látky, testovaly na biologickou aktivitu bez znalosti biologického cíle. Teprve poté, co byla identifikována účinná látka, byla vyvinuta snaha o identifikaci cíle. Tento přístup je znám jako klasická farmakologie, "dopředná" farmakologie ("forward pharmacology") či fenotypové objevování léčiv.
Později byly syntetizovány malé molekuly specificky zaměřené na známou fyziologickou/patologickou dráhu, čímž se předešlo hromadnému screeningu bank uložených sloučenin. To vedlo k velkým úspěchům, například k práci Gertrudy Elionové a George H. Hitchingse na metabolismu purinů, k práci Jamese Blacka na beta-blokátorech a cimetidinu a k objevu statinů Akirou Endem. Dalším zastáncem přístupu spočívajícího ve vývoji chemických analogů známých účinných látek byl sir David Jack z firmy Allen and Hanbury's, později Glaxo, který byl průkopníkem prvního inhalačního selektivního beta2-adrenergního agonisty pro astma, prvního inhalačního steroidu pro astma, ranitidinu jako nástupce cimetidinu a podporoval vývoj triptanů. Gertruda Elionová, která pracovala převážně se skupinou méně než 50 lidí na purinových analogách, přispěla k objevu prvního antivirotika, prvního imunosupresiva (azathioprinu), které umožnilo transplantaci lidských orgánů, prvního léku, který navodil remisi dětské leukémie, zásadních protinádorových léků, antimalarika, antibakteriálního léku a léku proti dně.
Klonování lidských proteinů umožnilo screening velkých knihoven sloučenin proti specifickým cílům, o nichž se předpokládá, že souvisejí s určitými nemocemi. Tento přístup je znám jako reverzní farmakologie a je dnes nejčastěji používaným přístupem. Ve 20. letech 20. století se nejspíše začnou používat (ve větším množství) i qubity a kvantové počítače, které výrazně zkrátí dobu potřebnou k objevení léků.
Biologické cíle Obecně je "cílem" přirozeně existující buněčná nebo molekulární struktura, která se podílí na patologii, jež je předmětem zájmu, a na kterou má vyvíjené léčivo působit. Rozdíl mezi "novým" a "zavedeným" cílem však může být učiněn bez úplného pochopení toho, co přesně "cíl" je. Toto rozlišení obvykle provádějí farmaceutické společnosti zabývající se objevováním a vývojem terapeutik. Podle odhadu z roku 2011 bylo 435 produktů lidského genomu identifikováno jako terapeutické cíle léků schválených FDA.
"Zavedené cíle" jsou cíle, u nichž existuje dobrá vědecká znalost, podložená dlouhou publikační historií o tom, jak cíl funguje v normální fyziologii, tak i o tom, jak se podílí na lidské patologii. To neznamená, že mechanismus účinku léčiv, o nichž se předpokládá, že působí prostřednictvím určitého zavedeného cíle, je plně pochopen. Slovo "zavedený" se spíše přímo vztahuje k množství dostupných základních informací o cíli, zejména funkčních informací. Obecně se za "nové cíle" považují všechny cíle, které nejsou "zavedenými cíli", ale které byly nebo jsou předmětem snah o objevování léčiv. Většina cílů vybraných pro objevování léčiv jsou proteiny, jako jsou receptory spřažené s G-proteiny (GPCR) a proteinkinázy.
Screening a design Proces hledání nového léku proti vybranému cíli pro konkrétní onemocnění obvykle zahrnuje high-throughput screening (HTS), při kterém se testují velké knihovny chemických látek z hlediska jejich schopnosti ovlivňovat daný biologický cíl. Například pokud je cílem nový GPCR, budou sloučeniny testovány na jejich schopnost inhibovat nebo stimulovat tento receptor (viz antagonista a agonista): pokud je cílem proteinkináza, budou chemické látky testovány na jejich schopnost inhibovat tuto kinázu.
Další funkcí HTS je ukázat, jak selektivní jsou sloučeniny pro vybraný cíl, jelikož je nutné najít molekulu, která se bude vázat pouze na zvolený cíl, ale nikoliv na jiný, příbuzný cíl. Za tímto účelem se provádí další screeningové testy, aby se zjistilo, zdali "hity" proti zvolenému cíli budou interferovat i s jinými příbuznými cíli (tzv. křížový screeningu). Tento křížový screening je užitečný (a nutný), poněvadž čím více nesouvisejících cílů sloučenina "zasáhne" a ovlivní, tím je pravděpodobnější, že se u této sloučeniny objeví toxicita (způsobená vazbou mimo svůj biologický cíl), jakmile se dostane do klinické praxe.
Je nepravděpodobné, že by se z těchto prvních screeningových testů vyklubal dokonalý kandidát na budoucí léčivo. Jedním z prvních kroků je screening sloučenin, které pravděpodobně nebudou vyvinuty v léčiva; například sloučeniny, které jsou hitem téměř v každém testu a které medicinální chemici klasifikují jako "pan-assay interference compounds" (sloučeniny často jsouce falešnými pozitivitami v HTS), jsou v této fázi odstraněny, pokud již nebyly odstraněny z chemické knihovny. Často je nalezeno několik sloučenin, které mají určitý stupeň aktivity, a pokud tyto sloučeniny sdílejí společné chemické vlastnosti, lze pak vyvinout jedno nebo více farmakoforů. V tomto okamžiku se medicinální chemici pokusí využít vztahů mezi strukturou a aktivitou (SAR) ke zlepšení určitých vlastností "hlavní" sloučeniny ("lead compound"):
zvýšit aktivitu proti vybranému cíli snížit aktivitu proti nesouvisejícím cílům zlepšit "druglikeness" ("lékovou podobnost") nebo vlastnosti molekuly v rámci "ADME parametrů"
Tento proces vyžaduje několik opakovaných screeningů, během nichž se (snad) zlepší vlastnosti nových molekulárních entit a umožní, aby vybrané sloučeniny postoupily do in vitro a in vivo testování aktivity na vybraném modelu onemocnění. Mezi fyzikálně-chemické vlastnosti související s absorpcí léčiv patří ionizace (pKa) a rozpustnost; permeabilitu lze pak stanovit pomocí PAMPA a Caco-2. K posouzení kvality sloučeniny nebo řady sloučenin lze použít řadu parametrů, jak je navrženo v Lipinského pravidle pěti. Mezi tyto parametry patří vypočtené vlastnosti, jako je cLogP pro odhad lipofility, molekulová hmotnost, polární povrch, a měřené vlastnosti, jako je účinnost, měření enzymatické clearance in vitro atd. Některé deskriptory, jako je ligandová účinnost (LE) a lipofilní účinnost (LiPE), kombinují tyto parametry k posouzení "druglikeness" dané molekuly.
Ačkoli je HTS běžně používanou metodou pro objevování nových léčiv, není metodou jedinou. Často je možné vycházet z molekuly, která již některé požadované vlastnosti má. Taková molekula může být získána z přírodního produktu nebo dokonce může jít o lék na trhu, který by mohl být vylepšen (tzv. "me too" léky). Často se používají i jiné metody, jako je virtuální high-throughput screening, kdy se screening provádí pomocí počítačem vytvořených modelů a snaží se "dokovat" virtuální knihovny na cíl.
Další metodou pro objevování léčiv je de novo návrh léčiv, při kterém se předpovídají druhy chemických látek, které by mohly například padnout do aktivního místa cílového enzymu. K identifikaci nových chemických látek, které mohou interagovat s cílovým proteinem, se často používá například virtuální screening a počítačem podporovaný návrh léčiv. Molekulární modelování a simulování molekulární dynamiky lze použít jako vodítko pro zlepšení účinnosti a vlastností nových léčivých látek.