Fiche de révision : Drug Design et découverte

📋 Plan du Cours

1. Étapes de la découverte du médicament
2. Cibles biologiques thérapeutiques
3. Tests d’évaluation biologique
4. Stratégies de découverte des hits
5. Optimisation du hit en lead
6. Nature des interactions ligand-cible
7. Pharmacomodulation des ligands
8. Faire varier les substituants aryles
9. Étendre la structure et les chaînes
10. Modifier les noyaux aromatiques
11. Utiliser des bioisostères
12. Simplifier la structure moléculaire
13. Rigidifier le ligand
14. Caractériser le lead et sa drugabilité
15. Ajuster les propriétés pharmacocinétiques
16. Cibler la délivrance du principe actif

📖 1. Étapes de la découverte du médicament

🔑 Notions clés & Définitions

• Drug Discovery : Identifie un principe actif d’intérêt thérapeutique ou diagnostique pour une maladie donnée et constitue le premier stade du cycle de vie du médicament.

★ À maîtriser

• En cas de succès, environ une molécule sur 10 000 synthétisées est enregistrée puis commercialisée comme médicament au bout d’une quinzaine d’années.

• 🔄 Le Drug Discovery comprend trois phases :

  1. Le Hit Discovery identifie une molécule de départ intéressante.
  2. Le Hit-to-Lead Chemistry modifie le hit pour améliorer ses propriétés biologiques.
  3. Le Lead Optimization modifie le lead pour le rendre drugable et permettre son utilisation comme médicament.

Compléments

• Le Drug Discovery dure environ 5 ans et précède les essais précliniques chez l’animal puis les essais cliniques chez l’Homme sain puis malade.

• La démarche de Drug Discovery peut se poursuivre parallèlement aux essais précliniques et cliniques en fonction de leurs résultats.

💡 Astuce mémo

Hit → Lead → médicament

📖 2. Cibles biologiques thérapeutiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Cible biologique : Le plus souvent une protéine cellulaire humaine ou appartenant à un microorganisme, dont l’interaction avec un composé chimique peut procurer un bénéfice thérapeutique.
• Affinité : Rend compte de la force de la liaison entre les deux molécules.

★ À maîtriser

• Un principe actif peut restaurer le fonctionnement d’une cible défaillante ou empêcher son fonctionnement afin d’éviter l’emballement d’un système ou de détruire le microorganisme auquel la cible appartient.

• Le principe actif, ou ligand, se lie à la cible au niveau d’un site de liaison souvent modifié par cette fixation, et un équilibre existe le plus souvent entre les formes liée et non liée.

📌 La sélectivité vise souvent à réduire les effets secondaires, mais aucun principe actif n’est absolument sélectif et certains ligands dirigés vers plusieurs cibles, appelés MTDL, sont conçus avec un bénéfice thérapeutique attendu.

Compléments

• Les types de cibles biologiques comprennent :

  • les enzymes
  • les récepteurs
  • les canaux membranaires
  • les acides nucléiques

• L’analyse du génome humain a conduit à estimer le nombre de cibles à 20 000, dont 695 cibles humaines étaient atteintes par des médicaments, soit 3,5 %, et 198 cibles microbiennes l’étaient également (Nature Reviews Drug Discovery, 2017, doi:10.1038/nrd.2016.230). - NATURE REVIEWS | DRUG DISCOVERY

• Environ 1 600 composés chimiques sont utilisés comme principes actifs thérapeutiques (Nature Reviews Drug Discovery, 2017, doi:10.1038/nrd.2016.230). - NATURE REVIEWS | DRUG DISCOVERY

💡 Astuce mémo

Restaurer une cible défaillante ou bloquer une cible nuisible

📖 3. Tests d’évaluation biologique

★ À maîtriser

📌 Les tests in vitro sont réalisés sur une cible isolée, des cellules ou microorganismes (in cellulo), ou un tissu isolé (ex vivo), tandis que les tests in silico évaluent virtuellement des molécules et les tests in vivo sont réalisés chez l’animal.

📌 Les approches in silico comprennent la modélisation pharmacophorique, qui vérifie la conformité structurale d’une molécule à un pharmacophore, et le docking, qui examine les interactions possibles avec une cible tridimensionnelle construite notamment à partir de données PDB, de cocristaux ou de modèles par homologie.

• Les tests in vivo évaluent le bénéfice thérapeutique de l’interaction avec la cible, les effets indésirables liés à d’autres cibles, le comportement pharmacocinétique et l’index thérapeutique défini comme DL50/DE50.

Compléments

• Les tests in vitro ne renseignent pas sur la capacité du principe actif à atteindre la cible, mais peuvent être conduits en routine, robotisés et réalisés à grande échelle.

• Dans un test d’inhibition enzymatique, une enzyme produite par génie génétique catalyse une réaction dont l’inhibition entraîne un changement de coloration permettant de calculer la CI50.

• Pour mesurer l’affinité d’un ligand pour un récepteur, le récepteur est surexprimé dans des cellules après clonage de son gène, le déplacement de radioligands permet de calculer le Ki, puis la mesure d’AMPc aide à déterminer le profil agoniste ou antagoniste.

• Les tests in cellulo mesurent notamment la cytotoxicité de lignées cancéreuses ou de cellules de patients, ainsi que les activités antivirale, antibactérienne, antiparasitaire et antifongique, avec calcul de CI50.

• Le HTS repose sur la miniaturisation et la robotisation des tests in vitro afin d’augmenter le nombre de molécules évaluées en peu de temps.

• En RMN, l’interaction entre une molécule et une protéine peut être détectée par la disparition du signal RMN de la molécule liée à une réduction du temps de relaxation, et la méthode permet de tester plusieurs molécules simultanément ainsi que de détecter des interactions faibles.

• En résonance plasmonique de surface, la liaison ligand-cible modifie l’indice de réfraction et l’angle d’incidence mesuré à travers une fine feuille d’or, ce qui permet d’évaluer la liaison et sa constante d’équilibre.

• Dans le Scintillation Proximity Assay, le déplacement d’un ligand de référence marqué au 125I par un ligand plus affin réduit l’émission lumineuse produite lorsque le ligand marqué transfère son énergie à une substance scintillante associée à la cible immobilisée sur des billes.

• Les tests in vivo sont davantage utilisés en Lead Optimization qu’en Hit Discovery ou en Hit-to-Lead Chemistry et peuvent porter sur des cohortes de rongeurs sains, xénogreffés ou transgéniques.

• Le CAM Assay déclenche l’angiogenèse sur la membrane chorioallantoïque d’un embryon de poulet en dehors de l’organisme.

📖 4. Stratégies de découverte des hits

🔑 Notions clés & Définitions

• Hit : Composé chimique dont les propriétés vis-à-vis d’une cible biologique en font un point de départ pour le Hit-to-Lead Chemistry.

★ À maîtriser

• La fouille de chimiothèques peut se faire par :
  • évaluation biologique in vitro
  • recherche d’analogie structurale
  • approche pharmacophorique
  • docking

📌 La chimie parallèle automatise généralement une réaction simple pour produire de nombreux dérivés isolés d’une même famille, tandis que la chimie combinatoire produit de très nombreux dérivés en mélanges qu’il faut analyser si l’activité est positive.

Compléments

• Les produits naturels issus des règnes animal, végétal et microbien peuvent fournir des hits identifiés par screening élargi ou par études ethnopharmacognosiques, puis conduire à des dérivés hémi-synthétiques ou entièrement synthétiques.

• Le téprotide, peptide extrait du venin d’une vipère brésilienne, a servi de hit pour concevoir les IEC antihypertenseurs.

• Des ligands naturels ont servi de modèles de médicaments : l’adrénaline et la noradrénaline pour les bêta-bloquants et les bêta-mimétiques, la sérotonine pour les sétrons et les triptans, l’histamine pour les anti-allergiques et les anti-ulcéreux

📌 L’approche « me too » modifie la structure d’un principe actif connu pour reproduire son activité, tandis que l’approche « me better » vise à l’améliorer.

• Le repositionnement peut réutiliser un principe actif tel quel dans une autre indication, comme le thalidomide en cancérologie, l’aspirine comme antiagrégant plaquettaire ou le minoxidil pour la repousse des cheveux, tandis que l’approche SOSA dissocie et amplifie par pharmacomodulation des effets secondaires intéressants.

• La chimiothèque du CERMN contient plus de 20 000 produits et les chimiothèques sont associées à des bases de données de structures et de résultats biologiques.

• En chimie combinatoire dynamique, une réaction réversible est réalisée avec la cible biologique présente dans le réacteur, la fixation des produits actifs déplace l’équilibre vers leur formation, puis l’ajout d’un second réactif permet de rompre l’équilibre et d’isoler les composés.

• La fragment-based drug discovery identifie de petits fragments moléculaires liés à des sites distincts d’une cible, puis les relie pour obtenir une molécule d’affinité supérieure, éventuellement par click chemistry in situ lorsque les fragments se lient à la cible.

• Les exemples cités de découvertes par sérendipité sont :

  • la pénicilline
  • la chlorpromazine
  • les benzodiazépines
  • l’acide valproïque

📖 5. Optimisation du hit en lead

★ À maîtriser

• Le Hit-to-Lead Chemistry optimise l’activité pharmacodynamique du hit pour obtenir un lead, tout en améliorant parallèlement son comportement pharmacocinétique, notamment sa biodisponibilité et son métabolisme.

• Après avoir défini les interactions optimales du hit avec sa cible, on synthétise des analogues qui maintiennent les interactions clés et améliorent l’activité pharmacodynamique.

Compléments

• Les relations structure-activité sont étudiées par cocristallisation du principe actif avec sa cible ou par remplacement de motifs du principe actif suivi de la mesure de l’incidence sur l’activité in vitro.

• L’optimisation des interactions ligand-cible vise à augmenter l’activité biologique et la sélectivité afin de réduire les doses administrées et les effets indésirables.

💡 Astuce mémo

Interactions ligand-cible optimisées → activité pharmacodynamique améliorée

📖 6. Nature des interactions ligand-cible

★ À maîtriser

• Les interactions ligand-cible sont le plus souvent de faible énergie, mais certaines sont covalentes, de plus forte énergie et souvent irréversibles.

• Les interactions électrostatiques ou ioniques entre charges opposées valent environ 20–40 kJ mol⁻¹, sont les interactions intermoléculaires les plus fortes et jouent un rôle initial important lorsque le ligand pénètre dans la cible.

• L’interaction de régions polaires solvatées nécessite une désolvatation coûteuse en énergie, qui n’est favorable que si le gain énergétique de liaison dépasse cette pénalité.

Compléments

📌 Une liaison hydrogène met en jeu un hydrogène électrodéficitaire lié habituellement à N ou O et un hétéroatome riche en électrons, appelé accepteur, tandis que le groupement portant l’hydrogène est le donneur.

• La liaison hydrogène est directionnelle et son orientation optimale place X–H face au doublet de Y, avec un angle X–H–Y de 180°.

• Les interactions de van der Waals valent environ 2–4 kJ mol⁻¹, apparaissent entre régions hydrophobes proches par formation de dipôles temporaires et leur contribution peut être déterminante pour la liaison.

• Les interactions dipôle-dipôle alignent des dipôles du ligand et de la cible et peuvent orienter favorablement ou défavorablement le ligand selon le positionnement de ses groupements liants.

📌 Une interaction ion-dipôle est plus forte qu’une interaction dipôle-dipôle et diminue moins rapidement avec la distance, tandis qu’une interaction induisant un dipôle peut survenir entre un ammonium quaternaire et un noyau aromatique.

• Les interactions hydrophobes désorganisent la couche d’eau ordonnée autour des régions hydrophobes du ligand et de la cible, ce qui augmente l’entropie et favorise l’interaction.

📖 7. Pharmacomodulation des ligands

★ À maîtriser

• Les stratégies de pharmacomodulation comprennent : la variation des substituants alkyles, la variation des substituants aryles, les extensions de structure, les extensions ou contractions de chaîne, les extensions ou contractions du noyau aromatique, la modification des noyaux aromatiques, l’utilisation d’atomes et de motifs isostères ou bioisostères, la simplification structurale, la rigidification

• Le salbutamol est un agoniste sélectif des récepteurs β-adrénergiques, à effet bronchodilatateur, tandis que l’adrénaline est un agoniste α et β, vasoconstricteur et bronchodilatateur.

Compléments

• La variation de la longueur et de l’encombrement des substituants alkyles peut optimiser leurs interactions avec les régions hydrophobes du site de liaison et apporter de la sélectivité.

• Pour remplacer un groupement alkyle par un autre, la synthèse est plus facile lorsque le groupement est porté par un hétéroatome que lorsqu’il appartient au squelette carboné du ligand.

💡 Astuce mémo

Un substituant alkyle porté par un hétéroatome se remplace plus facilement qu’un substituant du squelette carboné.

📖 8. Faire varier les substituants aryles

📝 Points essentiels

• Dans une famille de benzopyranes, l’activité antiarythmique est supérieure lorsque le substituant sulfonamide est en position 7.

• Dans l’exemple présenté, le groupement NH2 est un meilleur donneur de liaison hydrogène lorsque le groupement NO2 est en position para que lorsqu’il est en position meta.

📖 9. Étendre la structure et les chaînes

★ À maîtriser

• Une extension de structure permet d’explorer le site de liaison afin d’établir de nouvelles interactions entre le ligand et la cible.

• La longueur d’une chaîne reliant deux groupes liants peut être modifiée pour optimiser leurs interactions avec la cible.

Compléments

• Dans l’exemple des inhibiteurs de l’enzyme de conversion, une extension de structure explore une poche hydrophobe du site de liaison.

• La phénéthylmorphine est présentée comme un agoniste des récepteurs opioïdes plus puissant que la morphine.

• L’extension d’un noyau aromatique peut améliorer le chevauchement du ligand avec une région hydrophobe de la cible.

• Dans l’exemple des inhibiteurs de l’enzyme de conversion, la variation de la taille du cycle modifie le positionnement des interactions, et un carboxylate hors de portée réduit la liaison à deux interactions au lieu de trois.

💡 Astuce mémo

Un ligand qui s’allonge explore une région de liaison jusque-là inoccupée.

📖 10. Modifier les noyaux aromatiques

★ À maîtriser

• La modification de la nature d’un noyau aromatique peut viser la brevetabilité, optimiser les interactions ligand-cible ou modifier le comportement pharmacocinétique.

Compléments

• Dans l’exemple des antifongiques, le remplacement d’un imidazole par un triazole rend le composé moins sensible aux attaques nucléophiles et plus résistant au métabolisme hépatique.

• La névirapine est présentée comme un antiviral inhibiteur non nucléosidique de la transcriptase inverse du VIH.

📖 11. Utiliser des bioisostères

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome isostère : Un atome isostère d’un autre possède la même valence ; son remplacement permet de contrôler les propriétés stériques et électroniques et peut modifier les interactions ou la stabilité.
• Motif bioisostère : Un motif bioisostère peut remplacer un autre motif sans nécessairement en avoir la même valence, afin de conserver l’activité tout en améliorant la sélectivité ou en réduisant les effets indésirables.

📝 Points essentiels

• Le remplacement de l’oxygène du propranolol par CH=CH, SCH2 ou CH2CH2 abolit l’activité bêtabloquante, tandis que son remplacement par NHCH2 la conserve, ce qui indique l’implication de l’oxygène dans une liaison hydrogène.

• Dans l’exemple du sultopride, antipsychotique, un cycle pyrrole est présenté comme bioisostère d’un groupe amide et le remplacement améliore la sélectivité pour le récepteur D3 par rapport au récepteur D2.

💡 Astuce mémo

L’isostérie exige une même valence ; la bioisostérie n’exige pas cette égalité.

📖 12. Simplifier la structure moléculaire

★ À maîtriser

• La simplification structurale conserve les éléments imposés par le pharmacophore actif sur la cible et retire les autres éléments.

• La sur-simplification peut faire perdre l’activité, augmenter le nombre de conformations, réduire la sélectivité et ainsi accroître les effets indésirables.

Compléments

• La simplification d’un hit naturel complexe peut produire des analogues plus proches de la cible, plus actifs, parfois plus sélectifs et moins toxiques, et moins coûteux à produire.

💡 Astuce mémo

Retirer les éléments non pharmacophoriques → simplifier le ligand, mais trop simplifier peut faire perdre l’activité.

📖 13. Rigidifier le ligand

★ À maîtriser

• La rigidification limite le nombre de conformations accessibles afin d’améliorer la sélectivité et éventuellement l’activité, mais elle peut complexifier la structure et rendre la synthèse plus difficile.

Compléments

• La rigidification peut notamment être obtenue par : l’installation de nouveaux cycles, l’introduction de motifs rigides, l’ajout de groupements stériquement encombrants

• Dans l’exemple de la combretastatine A-4, l’isomère Z est plus actif que l’isomère E.

💡 Astuce mémo

Limiter les conformations accessibles → favoriser la sélectivité et parfois l’activité.

📖 14. Caractériser le lead et sa drugabilité

★ À maîtriser

• L’optimisation du lead doit associer l’optimisation pharmacodynamique à l’optimisation de l’accès in vivo à la cible, notamment par l’adaptation du comportement pharmacocinétique et des paramètres ADME.

Compléments

• Les paramètres physicochimiques à caractériser sont : le poids moléculaire, le nombre de groupes donneurs de liaisons hydrogène, le nombre de groupes accepteurs de liaisons hydrogène, le nombre de liaisons à libre rotation, l’aire de surface polaire, le caractère hydrophile ou lipophile, mesuré par log P ou log D, la polarisabilité, liée au pKa, la solubilité

• Les paramètres physicochimiques du lead sont déterminés par calcul informatique ou par expérimentation, cette dernière méthode étant préférable.

📖 15. Ajuster les propriétés pharmacocinétiques

★ À maîtriser

• La règle des 5 de Lipinski recommande : un poids moléculaire inférieur à 500, moins de 5 groupes donneurs de liaisons hydrogène, moins de 10 groupes accepteurs de liaisons hydrogène, un log P inférieur à 5

📌 Une drogue trop lipophile est mieux résorbée par voie digestive et franchit facilement la barrière hématoencéphalique, mais elle est peu soluble dans le sang, se fixe fortement aux protéines plasmatiques et nécessite un métabolisme important ; une drogue trop polaire franchit difficilement la barrière digestive, mais peut être administrée par injection, se dissout dans le sang et est rapidement excrétée dans les urines.

Compléments

📐 Formule - Le coefficient de partage est $P = \frac{[p.a.]_{octanol}}{[p.a.]_{eau}}$, et $\log P = 3$ signifie que le principe actif est $10^3$ fois plus soluble dans l’octanol que dans l’eau.

📐 Formule - Le pKa est défini par $pKa = -\log Ka$, où, pour un acide HA en solution aqueuse diluée, $Ka = \frac{[H_3O^+][A^-]}{[HA]}$.

• Lorsque le pH est égal au pKa, les formes dissociées et non dissociées sont en proportions égales ; dans le sang à pH 7,4, les principes actifs de pKa 6–8 sont approximativement ionisés à 50 %.

• D’autres recommandations indiquent une aire de surface polaire inférieure ou égale à 140 Å et au plus 10 liaisons à libre rotation, mais des molécules de poids moléculaire élevé peuvent rester drugables si elles sont rigidifiées.

• Le log D mesure la distribution à un pH donné et tient compte à la fois du caractère hydrophobe ou hydrophile et de la polarisabilité du principe actif.

📖 16. Cibler la délivrance du principe actif

📝 Points essentiels

• La polarité peut être diminuée en masquant des groupements polaires ou augmentée en remplaçant un motif par un motif plus polaire, comme un triazole à la place d’un imidazole.

• La lipophilie peut être augmentée en remplaçant des groupes alkyles par des groupes plus volumineux, ou réduite en les remplaçant par des groupes plus petits.

• La substitution d’un noyau par des groupes électrodonneurs ou électroattracteurs permet de moduler le pKa d’une amine ou d’un acide aromatique.

• Le remplacement d’un acide carboxylique par un tétrazole conserve une polarité comparable tout en augmentant la lipophilie d’un facteur 10, ce qui améliore l’absorption dans l’exemple du losartan.

• Pour augmenter la résistance au métabolisme, on peut : gêner l’accès au site fragile par un groupe encombrant, installer un atome protecteur comme le fluor, remplacer un groupe fragile par un groupe plus résistant, modifier l’aromaticité du noyau portant le groupe fragile

• Pour accélérer l’élimination d’un principe actif trop stable, on peut introduire un groupe facilement métabolisable ou utiliser un principe actif sensible à une hydrolyse dépendante du pH, comme l’atracurium, stable en milieu acide et rapidement détruit dans le sang à pH alcalin.

• La conjugaison d’un anticancéreux à une matière première nécessaire aux cellules tumorales, comme dans la moutarde à l’uracile, peut accroître le ciblage tumoral en exploitant leurs besoins élevés liés à leur croissance rapide.

• Augmenter la polarité d’un médicament périphérique limite son passage de la barrière hématoencéphalique et peut réduire ses effets centraux ; une molécule entièrement ionisée peut être destinée à un usage topique gastrointestinal.

• Des anticorps armés peuvent cibler un principe actif en étant associés à un radioélément, un cytotoxique, une prodrogue dans l’approche ADEPT ou une toxine.

• La chaîne alkyle de la téicoplanine s’ancre dans la membrane des bactéries Gram positives et rapproche l’antibiotique de la paroi bactérienne, dont il inhibe la synthèse.

• La vectorisation chimique utilise des prodrogues qui libèrent spécifiquement leur principe actif à la cible, comme l’oméprazole dans le compartiment acide des cellules pariétales de l’estomac et la sulfasalazine, clivée par les azoréductases du côlon pour libérer l’acide aminosalicylique.

• La vectorisation particulaire peut améliorer le ciblage ou la biodisponibilité ; des nanoparticules portant de l’acide folique peuvent libérer leur agent anticancéreux près des cellules cancéreuses qui surexpriment les récepteurs à l’acide folique.

• Les prodrogues peuvent notamment :

  • améliorer le passage membranaire
  • prolonger la durée d’action
  • masquer la toxicité
  • augmenter l’hydrosolubilité