И для этого достаточно только базовых знаний химии и биологии средней школы.
Поведение лекарственного вещества в организме человека можно в приблизительном хронологическом порядке описать совокупностью следующих процессов: всасывание, распределение, связывание с биологическими мишенями, метаболизм (превращение в иные молекулы под действием ферментов), выведение.
Как вы понимаете, при пероральном приёме (т.е. приёме через рот, который является наиболее распространённым), в кровь способно всосаться далеко не всякое соединение.
Всасывание – это проникновение через клеточную мембрану эпителиальных клеток желудочно-кишечного тракта. С физико-химической точки зрения этот процесс может быть описан как диффузия сквозь образованную липидами полупроницаемую перегородку. Для того чтобы она могла протекать с конечной скоростью, диффундирующая молекула должна а) быть растворимой в образующих клеточную оболочку липидах; б) не быть очень большой, так как скорость диффузии обратно пропорциональная массе.
Прежде чем перейти к остальным процессам, замечу, что для достижения нужной мишени молекулам лекарственного вещества может понадобиться участие в нескольких актах диффузии сквозь клеточную мембрану.
Подавляющее большинство лекарств разносится по организму с током крови (и лимфы), которая наполовину состоит из воды. Это означает, что помимо способности растворяться в липидах, лекарственное соединение должно также обладать и некой минимальной растворимостью в этой субстанции.
Представим, что молекула из желудочно-кишечного тракта попала в расположенную внутри тела клетку. Достаточно ли этого, чтобы она могла подействовать нужным образом? Безусловно, нет.
Химиотерапия (в широком смысле, т.е. лечение с помощью химических соединений) становится возможной только в случае избирательного действия лекарственного средства, т.е. когда оно может связаться с нужными биологическими мишенями. Если связывания с нужными мишенями не произойдёт, терапевтический эффект не наступит. Более того, если произойдёт связывание с ненужными мишенями, вместо терапевтического эффекта может наступить (и зачастую наступает при превышении дозы) токсический.
Для выведения химического вещества из организма также важна его растворимость в воде, потому что многие лекарства покидают наше тело с жидкостью, и масса его молекул, потому что почки способны пропускать вещества, чьи молекулы не превышают определённого размера.
Растворимость вещества в воде определяется способностью его молекул образовывать водородную связь за счёт донорных атомов, т.е. атомов водорода групп N-H, O-H, и акцепторных, т.е. атомов кислорода и азота. Таким образом, для лекарственного соединения желательно наличие нескольких таких донорных и/или акцепторных атомов. Однако для количества донорных и акцепторных атомов существует и верхний предел. Если связь вещества с молекулами воды будет очень прочной (т.е. число образуемых ими водородных связей будет очень велико), то оно потеряет способность растворяться в липидах и проникать сквозь клеточную оболочку, т.е. потеряет способность всасываться в кровь из желудочно-кишечного тракта.
Есть и другая причина, требующая оптимизации числа водородных связей в лекарственной молекуле.
Дело в том, что водородные связи нередко участвуют в связывании молекул с биологическими мишенями, и чем больше таких связей, тем прочнее сцепление. С одной стороны, сверхпрочное сцепление может быть опасно, так как может привести к ненормальной реакции организма из-за длительного эффекта лекарства. С другой стороны, большое количество водородных связей повышает вероятность того, что молекула будет связываться с ненужными мишенями, проявлять низкую избирательность и высокую токсичность.
Эмпирическим путём установлено, что наибольшая вероятность быть лекарством у веществ, молекулы которых содержат не более 5 доноров водородной связи и не более 10 её акцепторов.
Выше я писал, что скорость проникновения веществ через биологические мембраны определяется массой их молекул. Абсолютной массой молекул в химии оперировать не принято (это неудобно по причине необходимости в таком случае иметь дело с числами со степенями). Обычно пользуются относительной величиной – массой молярной, т.е. массой одного моля вещества. Верхняя граница молярной массы для веществ, которые с высокой вероятностью могут обладать свойствами лекарства, проходит на уровне 500 граммов за 1 моль или 500 г/моль.
Стоит заметить, что молярная масса может косвенно влиять и на избирательность действия. Чем больше масса молекулы, тем больше (как правило) её размер, т.е. тем больше у неё может быть точек сцепления с желательной и нежелательной биологическими мишенями.
Наиболее сложно охарактеризовать способность вещества растворяться в липидах, или липофильность. Но химики, естественно, придумали, как это можно сделать и это.
Договорились, что для имитации липидов клеточной оболочки будет использоваться октанол-1 – первичный жирный спирт нормального строения с 8 атомами углерода. Это вещество не смешивается с водой, так что система вода-октантол-1 по внешнему виду чем-то напоминает систему вода -подсолнечное масло.
При помещении в такую систему вещества и последующем тщательном и продолжительном встряхивании оно распределиться между водой и октанолом-1 в соответствии со своей липофильностью. Слои несмешивающихся жидкостей можно разделить, проанализировать и определить отношение концентраций исследуемого вещества в двух фазах. За липофильность принимают десятичный логарифм такого отношения, который обозначается logP. Чем выше липофильность, тем больше значение lopP и наоборот.
Эмпирическим путём, опять же, установлено, что вещество будет хорошим лекарством при пероральном приёме в том случае, если его липофильность не превышает 5. В случае, если вещество обладает очень высокой липофильностью (logP>>5), то оно не будет переходить из липидной мембраны в кровь и не будет добираться до биологических мишеней. Нижняя граница липофильности для лекарственных средств составляет около -0,5.
&Учитывая, что все количественные характеристики: число доноров и акцепторов водородной связи, молярная масса и липофильность — делятся на 5, правила, которые позволяют предсказать наличие у химического соединения свойств лекарства, были названы правилами пяти, или правилами Липински по имени медицинского химика Кристофера Липински, сформулировавшего их в конце 90-ых годов прошлого века.
Самостоятельно оценить соответствие химического соединения правилам пяти можно с помощью сервиса, который представляет, например, сайт molinspiration.com ( molinspiration.com/cgi-bin/properties ).
Продолжение следует.
Комментарии (44)
pavpv
09.02.2016 14:40Спасибо за освещение новой для ресурса темы! Правила Липински — это важная веха в становлении отрасли, множество высокоцитируемых публикаций и т.д., но было бы здорово узнать про случаи, когда эти правила не работают, узнать почему это происходит. Еще один интересный момент, Липински опубликовал правила, работая в Pfizer, фармфирмы обычно секреты своего успеха держат при себе.
superhimik
09.02.2016 14:56Пожалуйста.
Могу ответить прямо тут.
Правила Липински сформулированы для пероральных лекарственных молекул. Соответственно, они играют гораздо меньшую роль в случае парентерально работающих препаратов. Лекарства полипептидной природы (всевозможные антитела, интерфероны и т.д.), разваливающиеся в ЖКТ, естественно не соответствуют правилам Липински, но вводятся в кровь и работают.
Не очень могут быть применимы правила Липински в случае пролекарств, т.е. когда непосредственно вводимое в организм вещество заведомо не оказывает терапевтического эффекта, а работает метаболит. В этом случае стараются оптимизировать (в том числе и в соответствии с правилами Липински) именно его.
Есть также интересный класс соединений, ингибиторы протеазы ВИЧ, они сильно нарушают правила Липински, но, тем не менее, работают.
Конечно, фармфирмы деражат свои секреты при себе. Но я считаю, что в случае с Липински ситуация такая. Если бы не он, то это бы сделал кто-либо другой, работающий в академии и не связанный узами патентов, ноу-хау и прочей коммерческой тайны.pavpv
09.02.2016 15:26А разве при парентеральном введении не важно, чтобы лекарство проходило через мембраны и достигало мишеней в клетке? Вводим-то в кровь, а не в сами клетки, так?
Разве всасывание в ЖКТ всегда пассивное, нет механизмов активного транспорта, которые можно использовать или напрямую ингибировать для достижения терапевтического эффекта?
Почему не важно для пролекарств, они же должны достигнуть ферментов метаболизма?
Очень многие лекарственные соединения природного происхождения нарушают правило количества водородных связей, действуют на множество мишеней, но при этом «сотрудничают» со всякими белками-переносчиками и ведут к развитию терапевтического эффекта при приемлемом профиле побочных.
В конце концов, было бы здорово для списка одобренных FDA лекарств посмотреть сколько из них правила нарушают)
Я это не к тому, что правила или статья плохие, а к тому, что предмет статьи — штука до предела обобщенная и, примененная вне правильного контекста, — скорее вредная, чем полезная.
С нетерпением жду продолжения Вашего повествования, хотелось бы только больше деталей, охарактеризованной «области применимости», так сказать)superhimik
09.02.2016 15:40Конечно, важно и при парентеральном введении. Но уже менее важно. Соответственно. правила Липински могут быть нарушены. Это же и пролекарств касается.
Всасывание в ЖКТ не всегда пассивное, есть активное. Это можно использовать, хотя иногда получается, что механизм действия изучается после введения лекарства в практику. Типичный пример — амоксициллин, практически полностью заменивший знакомый с детства моему поколению ампициллин (4 раза в день по 2 таблетки, может, кто-то ещё помнит эту педиатрическую мантру?) как раз из-за повышенной биодоступности — в его всасывании задействован активный транспорт.
Не очень понятно, о каких именно лекарствах природного происхождения и о каких белках переносчиках вы говорите. С альбуминами плазмы связывается огромное количество лекарств соответствующих правилу.
Теперь ещё немного о правилах. Они не являются абсолютом. По причинам, которые я озвучил выше и по многим другим. Во-вторых, они являются эмпирическими — получены в результата статистической обработки массива данных. В-третьих, в работе медицинского химика вообще часто бывает необходимо их ужесточать на стадии работы с лидом. В-четвёртых, для меня в данном посте было важно не о правилах как таковых сказать, а об общих принципах, которые сопровождают разработку лекарственных средств. Больше писать о правилах Липински я не планирую, тема станет несколько более хардкордной ).pavpv
09.02.2016 18:03Для продолжения безусловно интересного обсуждения позволил себе разобраться с количеством нарушений правил Липински лекарственными соединениями.
Из базы СhEMBL для лекарственных соединений, являющихся либо низкомолекулярными синтетическими веществами, либо веществами, выделенными из природных источников и, находящимися либо на четвертой (одобрены регуляторами к применению), либо на третьей (клинические исследования) стадии разработки, извлек данные по количеству нарушений. Построил гистограмму, результаты под катом. Я, честно, всегда считал, что правила описывают лекарства хуже.
Сделал все в спешке, так что вот еще пояснения к картинке:
— По оси X — количество нарушаемых правил
— Всего требованием удовлетворило 1401 лекарственное соединение, из них природного происхождения — 395, синтетического — 1006
Картинку можете использовать по своему усмотрению)
Процент лекарств, нарушающих правила липински
superhimik
09.02.2016 18:06Спасибо. Поскольку учтены только малые молекулы, % нарушений сравнительно невелик. Другое дело, что высокомолекулярных лекарств в принципе гораздо меньше, так что вряд ли их добавление что-то кардинально изменит.
pavpv
09.02.2016 18:24Пожалуйста, да, учитывал только то, что должно правилами описываться. Для других случаев — подобных данных может и не быть, т.к. немногим в голову придет для биолоджиков соблюдение этих правил мониторировать)
superhimik
09.02.2016 18:26высокомолекулярное не = biological
pavpv
09.02.2016 18:45Подловили) а высокомолекулярное с какой массы начинается? И есть ли высокомолекулярные не-биолоджики, которые обладают вот этим всем:
Заголовок спойлераСпецифика свойства, т.е. связывание с биологическими мишенями
может связаться с нужными биологическими мишенями. Если связывания с нужными мишенями не произойдёт, терапевтический эффект не наступит. Более того, если произойдёт связывание с ненужными мишенями, вместо терапевтического эффекта может наступить (и зачастую наступает при превышении дозы) токсический.
superhimik
09.02.2016 18:52— а высокомолекулярное с какой массы начинается?
Ой, давно я это учил, вроде с 5000 г/моль.
— И есть ли высокомолекулярные не-биолоджики, которые обладают вот этим всем…
Есть. Их немного, но есть. Покрапран, полиоксидоний :-D.
pavpv
09.02.2016 19:16Это не мой профиль, высокомолекулярные, но попробовал разобраться:
«Покрапран» — такой термин гуглу не знаком(
«полиоксидоний» — зарегистрирован в России, во всяких модных зарубежных базах данных про него ничего не знают, есть статья в википедии на рус. и англ. языках, статья на английском — заглушка.
В российской же статье есть инфа по предполагаемому механизму действия:
Цепочка полимера-поликатиона, которым является полиоксидоний, способна собирать молекулы мембранных белков в кластер, изменяя ионную проницаемость мембраны иммунокомпетентной клетки. Предполагают, что это приводит к активации иммуноцитов
Ну, связывает он мембранные белки, какие попадутся, безо всякой избирательности; запускает или блокирует потенциал действия, стимулирует выброс цитокинов. Как предполагают. Очень трудно же тут говорить о мишенях. Многие совершенно неспецифические повреждающие факторы к тому же приведут)
superhimik
09.02.2016 15:16Вот ещё один пример вспомнил. Если лекарство принимается внутрь, но действовать должно исключительно в просвете ЖКТ, например, ингибитор липаз типа орлистата, то для него правила Липински тоже могут не работать.
MoonGoose
09.02.2016 16:40Справедливости ради, отмечу, что для хорошей растворимости в воде важны не только атомы водорода и гетероатомы (это те, которые не углерод и не водород), способные образовывать водородные связи, но и даже в большей мере полярность молекулы: наличие электроотрицательных гетероатомов (полярность молекулы принято характеризовать дипольным моментом). Так, например, растворимость триметиламина в воде 41 г/100 мл, он не имеет N-H связи, зато может образовывать катион за счёт присоединения Н+; или метантиол CH3SH (серосодержащий аналог метанола), который имеет растворимость около 2 г на 100 мл, что весьма неплохо для органики, хотя сера не склонна образовывать донорно-акцепторные связи.
superhimik
09.02.2016 16:47Конечно, вы правы. Но в правила Липински включён такой параметр как липофильность, который косвенно характеризует растворимость в воде.
Что касается триметиламина, то этот случай как пример интересный. Во-первых, он способен образовывать водородные связи за счёт атома азота. Во-вторых, по сути, триметиламин реагирует с водой, так что формой его существования в водном растворе является на ряду с молекулами является очень неплохо сольватируемый катион. Сольватация способствует увеличению его сродства к воде. По большому счёту, полярность тут не сильно важна. То же самое и про меркаптаны можно сказать. Они — слабые кислоты, и тоже реагируют с водой, так что форма существования — сольватированный анион, и растворимость за счёт этого повышается.MoonGoose
09.02.2016 17:00Очевидно, что не всё так просто (с). Я лишь хотел указать на то, что способность образовывать водородные связи не единственный критерий растворимости. Большое влияние оказывают сольватация, которая характерна для полярных молекул и особенно ионов, и возможность взаимодействия с водой с образованием более растворимых соединений и их форм (как вы указали).
superhimik
09.02.2016 17:04Я не писал, что водородные связи — единственный критерий. Просто их образование может предсказать и тот, кто учился в школе без каких-то спец.знаний. Конечно, возможность ионизации учитывается при разработке лекарственных средств. Её возможность достаточно неплохо предсказывается при взгляде на структурную формулу.
MoonGoose
09.02.2016 17:13Я вас не пытаюсь не на чём подловить или уличить в чём-то, я пытаюсь дополнить статью фактами, которые могут показаться интересными сообществу. В статью невозможно уместить всё, очевидно. Иначе легче будет оставить ссылки на гору учебников и публикаций. Мне просто показалось, что этот момент стоит разъяснить для общего развития всех читающих (:
P.S. А цикл, пожалуйста, продолжайте! Тема очень интересная.
MoonGoose
09.02.2016 17:45Исправлю сам себя: не донорно-акцепторные, а водородные связи. Донорно-акцепторные для серы как раз вполне характерны.
theWRM
Интересно, продолжайте в том же духе. Только лучше если сама статья сопровождается соответствующими иллюстрациями, графиками, формулами, примерами тех же функциональный групп которые непосредственно влияют на липофильность молекулы ну и т.д…
superhimik
Спасибо! Я понимаю, что рисунки важны и сам их очень люблю. В данном случае я сознательно их не приводил, чтобы люди понимали, что есть вещи, абсолютно понятные и без них.
Foolleren
Дело не в понимании, а в удобстве восприятия, даже если статья не содержит иллюстраций, очень желательно до ката воткнуть картинку по теме.
superhimik
:)
Это же только часть 1. В остальных запланирована КУЧА картинок.
Foolleren
Как-то мельком читал про «апгрейды» лекарств что-то вроде добавить хвост из С19 и оно не разлагается в печение — вместо укола можно таблетки кушать, ещё чё-то и оно будет дольше выводиться почками — вместо горестей таблеток одна в сутки. На эту тему что нибудь будет? =)
superhimik
Не очень понимаю, о чём вы. Если приведёте конкретный пример, то, может, пойму. Я планирую уклон в компьютерные методы, помогающие в разработке.
Чтобы лекарство не сильно разрушалось в печени в результате эффекта первого прохождения, проще его ввести в кровь или под язык :-). Можно ректально. :-)
pavpv
Я так понимаю, что речь идет об экранировании сайтов реакций метаболизма (атомов/связей между атомами лекарственного вещества по которым работает один из ферментов метаболизма, катализируя превращение вещества в неактивный метаболит), так вот, эти сайты можно закрыть, частично или полностью, различными заместителями. В результате протекание реакции затрудняется, в крови дольше сохраняется эффективная концентрация лекарственного вещества. Значит, грубо говоря, лекарство можно принимать не два раза в день, а один, например. Что гораздо удобней для пациента.
Весь фокус в том, что нужно подобрать такой заместитель, который экранирует, но не влияет на взаимодействие с целевой мишенью. И тут компьютерные методы и вступают) Тоже бы об этом с удовольствием почитал.
Foolleren
В точку.
superhimik
оптимизация метаболизма (если она нужна) — это рутина. я всё-таки думаю, что речь идёт о пролекарствах.
pavpv
Что-то вроде этого «Modification of metabolically labile groups» medchem.rutgers.edu/mc501/pdfs/metabolic-stability.pdf
Само по себе рутина, а подход — результат научного поиска)
superhimik
Так это обзор. А идеи эти, конечно, известны и используются.
superhimik
Дело в том, что сайт метаболизма хорошо предсказывается и без компьютера. Заглушки ставят уже на первых этапах, если это нужно, повторюсь.
pavpv
А зачем тогда такое количество веб-сервисов, предсказывающих сайты метаболизма? Если нужно — приведу примеры
superhimik
примеры я и сам могу привести ). все компьютерные вещи хороши, когда работаешь с массивом данных. Всё, что потом сквозь это решето прошло «в слепом режиме» щупается ручками в микросомах, если оно того стоит по фармакодинамике, конечно.
pavpv
Поясните тогда, если не сложно, что значит:
Потому что из данного комментария следует, что при возможности делают прогноз, а потом проверяют. А зачем, если: С другой стороны, согласен с Вами, все это частные вещи, а рассказ про предсказание биологической активности лучше начинать с проблемы в целом.superhimik
1. Это означает, что хорошо образованный органик, понимая основы биохимии, может предсказать места атаки биологическими реагентами, т.е. ферментами.
2. Потому что молекул тыщи, и проще пропустить кучу из них через решето, не тратя своё время на это, а потом застрявшие вкусняшки анализировать мозгом и в опыте. Ну, я так думаю.
superhimik
Ещё надо понимать, что, конечно, не всё видится 100 %.
Foolleren
Если бы я помнил конкретный пример я бы его сразу привёл, биохимия и вычислительная химия всё таки не мой профиль.