1. Dr. Antonio Delgado Profesor Titular de la Universidad de Barcelona Facultad de Farmacia Unidad de Química Farmacéutica (Unidad Asociada al CSIC) (Abril-Mayo 2009) MC06: Hit to Lead Optimization Medicinal Chemistry & Molecular Design Programa de doctorado: “ Mechmod” Universitat de Girona UNIVERSITAT DE BARCELONA

2. Hit: Substance that produces a significant response in a screen (usually isolated enzymes or cell extracts) designed to reveal promising substances. Lead: A molecular modification of a hit that produces promising activity in a whole cell, intact organ system or whole animal, confirming the relevance of the activity found in the initial screen. Candidate drug: A lead that shows promising properties in more than one relevant animal species suffering from a model disease. Clinical candidate: Selected molecule for further development and biological evaluation in humans. Drug: Molecule that has passed successfully through all the above stages and advances into human use. Some basic concepts

4. Diseño racional Azar Posibilidades para el descubrimiento de nuevos fármacos Origen de hits Origen Posibles ventajas Posibles limitaciones Productos naturales Singularidad Solubles en agua Estructura compleja Pequeñas canti dades Cribado de colecciones elegidas al azar (HTS) Diversidad Costosas Posibilidad de compuestos con propiedades físicas inadecuadas (PM, clogP) Fármacos conocidos Propiedades adecuadas Pocas modificaciones estructurales Limitaciones derivadas de la pro piedad intelectual (patentes) Ligando endógeno Racional Colecciones dirigidas Conocimiento del ligando Conocimiento del proceso bioquímico Diana terapéutica Racional Diversidad Nuevas cabezas de serie Conocimiento de la diana terapéutica Posibilidad de c ompuestos con propiedades físicas inadecuadas (PM, clogP)

9. Farmacomodulación disyuntiva (Apertura de anillos)

10. Semisíntesis (síntesis parcial)

11. Semisíntesis (síntesis parcial) Extracción a partir de las hojas de Taxus bacata (aprox 1g/Kg) Taxol Análogos estructurales

12. From hit to lead: the problem of target identification Bioactive compounds Targets Rational design Forward chemical genetics (Ligand-based approach) Reverse chemical genetics (Receptor-based approach) Genomics Structural knowledge (X-ray, NMR) Hits (natural products, HTS, ligands) Target identification Ligand identification

13. Genética química (“chemical genetics”) Empleo de moléculas para obtener información alternativa y/o complementaria a la que se obtiene mediante métodos basados en la genética clásica Y.-H. Ahn and Y.-T. Chang, Tagged Small Molecule Library Approach for Facilitated Chemical Genetics. Acc. Chem. Res. 2007, 40 , 1025-1033. D. P. Walsh and Y. T. Chang, Chemical Genetics. Chem. Rev. 2006, 106 , 2476-2530. D. R. Spring, Chemical genetics to chemical genomics: small molecules offer big insights. Chem Soc Rev 2005, 34 , 472-482. S. M. Khersonsky and Y. T. Chang, Strategies for facilitated forward chemical genetics. Chembiochem 2004, 5 , 903-908.

14. “ Forward chemical genetics” Síntesis de nuevas moléculas y cribado orientado a la evaluación de una función celular “ Forward genetics” Experimentos basados en la genética clásica por los que se identifican nuevos componentes (enzimas o receptores) de un proceso celular particular Descubrimiento de nuevas dianas celulares (proteínas) ¿Dónde actúan los compuestos?

15. Zebrafish ( Danio rerio) adult (up) and larvae (left) “ Forward genetics” 1. Generación de mutantes 2. Cribado para identificar alteraciones en el fenotipo (variación funcional del proceso celular de interés) 3. Identificación de las mutaciones en los genes específicos que dan lugar al fenotipo observado 4. Identificación de la proteína codificada (diana molecular) por el gen objeto de la mutación Mutated larvae

16. “ Forward chemical genetics” 1. Generación de colecciones combinatorias (“diversity oriented synthesis “DOS”) 2. Cribado (HTS) para identificar alteraciones en el fenotipo (variación funcional del proceso celular de interés) 3. Identificación de las moléculas activas (inhibición de un proceso celular) 4. Identificación de la diana molecular (proteína inhibida) ¿Dónde actúan los compuestos? Use target compound to pull out protein responsible for phenotype and identify gene that codes for the protein

17. El problema de la identificación de la diana Ahn, Y.-H.; Chang, Y.-T., Tagged Small Molecule Library Approach for Facilitated Chemical Genetics. Acc. Chem. Res. 2007, 40 , 1025-1033.

18. El problema de la identificación de la diana Traditional Approach MS microsequencing Spring, D. R., Chemical genetics to chemical genomics: small molecules offer big insights. Chem Soc Rev 2005, 34 , 472-482.

19. “ Reverse chemical genetics” Identificación de ligandos específicos para una proteína determinada. “ Reverse genetics” Experimentos basados en la genética clásica por los que se pone de manifiesto la función de una proteína determinada Información sobre la función de una proteína particular ¿Cuáles son los ligandos una proteína?

20. “ Reverse genetics” 1. Mutaciones dirigidas a la proteína diana 2. Cribado dirigido al estudio del fenotipo resultante 3. Inferencia de la función de la proteína diana

21. “ Reverse chemical genetics” 1. Generación de colecciones combinatorias (“target oriented synthesis TOS”) 2. Identificación de ligandos de la proteína diana 3. Estudios celulares en presencia del ligando 4. Determinación de la función de la proteína diana ¿Cuáles son los ligandos una proteína? Observe phenotypic changes to determine protein function

22. La identificación de ligando (“small-molecule microarrays”) Ma, H.; Horiuchi, K. Y., Chemical microarray: a new tool for drug screening and discovery. Drug Discov. Today 2006, 11 , 661-668.

23. La identificación de ligando (“small-molecule microarrays”) Spring, D. R., Chemical genetics to chemical genomics: small molecules offer big insights. Chem Soc Rev 2005, 34 , 472-482.

24. La identificación de ligando (“surface plasmon resonance”) (Assay Drug Dev Technol 2004, 2, 407-415)

25. Uso de fragmentos como ligandos (“fragment screening”) Fragment screening: An approach to hit or lead identification based on the selection of fragments (small molecules with low MW). Drug-like molecules can be regarded as the result of the combination of two or more individual binding epitopes or fragments.

26. The “rule of three” in fragment screening Rees, D. C.; Congreve, M.; Murray, C. W.; Carr, R. Fragment-based lead discovery. Nat. Rev. Drug Discov. 2004, 3 , 660-672.

27. Carr, R. A.; et al ., Fragment-based lead discovery: leads by design. Drug Discov Today 2005, 10 , 987-992 . Ligand efficiency in fragment screening La optimización de fragmentos es más adecuada que la de “HTS hits” para llegar a compuestos que cumplan la regla de Lipinski

28. Methods used for fragment screening Carr, R. A.; et al ., Fragment-based lead discovery: leads by design. Drug Discov Today 2005, 10 , 987-992 .

29. Fragment screening (FS) vs HTS Rees, D. C.; Congreve, M.; Murray, C. W.; Carr, R. Fragment-based lead discovery. Nat. Rev. Drug Discov. 2004, 3 , 660-672. HTS: Suitable for forward chemical genetics FS: Suitable for reverse chemical genetics

30. Aproximaciones al “fragment screening” Rees, D. C.; Congreve, M.; Murray, C. W.; Carr, R., Fragment-based lead discovery. Nat. Rev. Drug Discov. 2004, 3 , 660-672 .

31. Aproximaciones al “fragment screening” Rees, D. C.; Congreve, M.; Murray, C. W.; Carr, R., Fragment-based lead discovery. Nat. Rev. Drug Discov. 2004, 3 , 660-672 .

32. Aproximaciones al “fragment screening”

33. Aproximaciones al “fragment screening” Rees, D. C.; Congreve, M.; Murray, C. W.; Carr, R., Fragment-based lead discovery. Nat. Rev. Drug Discov. 2004, 3 , 660-672 .