ORGANISK FARMACEUTISK KEMI
Forskningen vid Avdelningen för organisk farmaceutisk kemi bedrivs över ett brett fält, alltifrån grundläggande metallorganisk kemi till syntes av nya substanser av potentiellt terapeutiskt värde. Huvuddelen av avdelningens forskningsinsatser är riktad mot syntes och design av nya typer av peptidomimetika samt mot enzymhämmare verksamma mot virala proteaser.
Upptäckter av nya läkemedel styrs ännu idag av empiri. Flera projekt vid avdelningen inriktas därför mot att utveckla och tillämpa principer för rationell utveckling av farmaka. Nya datortekniker utnyttjas i kombination med NMR-spektroskopi och röntgenkristallografi för att beskriva molekylers dynamik, laddning och form - faktorer av största betydelse för farmakas verkan. Samband mellan farmakas struktur och deras farmakologiska effekt beskrivs med statistiska metoder. Vidare studeras interaktioner mellan molekyler med hjälp av NMR-spektroskopi och datorbaserad metodik. Avsikten är att utveckla denna verksamhet till att även inkludera interaktioner mellan farmaka och makromolekyler som enzymer och receptorer.
De farmaka som studeras framställs dels med traditionell organisk syntesteknik, dels med moderna regio- och stereoselektiva metoder och med kombinatoriska höghastighetsmetoder. För att tillgodose ett ökande behov av effektiva och selektiva framställningsvägar till molekyler av läkemedelskemiskt intresse, utvecklas även reaktioner katalyserade av övergångsmetaller, bl.a. för konstruktion av viktiga kolskelett.
Verksamheten är tvärvetenskaplig, och samarbetsprojekt pågår med farmakologer, biokemister, strukturkemister och analytiska kemister inom och utom Sverige. Pågående forskning kan leda till upptäckter av nya typer av farmaka med nya verkningsmekanismer och färre biverkningar. Potentiella användningsområden är virusmedierade sjukdomar (t ex HIV och hepatit C), malaria, Alzheimers sjukdom, depressioner och hypertoni.
DESIGN OCH SYNTES AV PEPTIDHÄRMANDE LÄKEMEDEL
Vårt övergripande mål är att utveckla strategier för överföring av bioaktiva peptider till icke-peptiderga organiska molekyler, peptidomimetika. Dessa skall bibehålla peptidens biologiska aktivitet, men samtidigt uppvisa bättre selektivitet, metabolisk stabilitet och bättre oral absorption. Peptider är endast i undantagsfall användbara som farmaka. De kan emellertid användas som förebilder vid design av små, stabila organiska molekyler via en iterativ process som inbegriper inbyggande av väl definierade fragment som efterliknar peptidens sekundärstruktur när peptiden växelverkar med sin receptor. Vi har valt att använda angiotensin II, angiotensin IV och endomorfin-2 som modell-peptider för våra studier vilka alla har intressanta struktur-effekt samband, vilket ökar förutsättningarna för framgångsrik design. Vidare har vi tillgång till celler som uttrycker dess receptorer, samt tillgång till in vivo-modeller. Tre angiotensin-receptorer har studerats ingående AT1, som är involverad i blodtrycksreglering och AT2 och AT4 vars roller dock fortfarande är mer oklara. Vad gäller endomorfin-2 analoger så tittar vi på dess interaktioner med opioidreceptorer samt ett nyupptäckt bindningställe för en metabolit till substans P (SP1-7)
Externt stöd: SSF och Vetenskapsrådet.
Subprojektgrupp: Anders Karlén, Anja Sandström, Anders Hallberg, Mats Larhed, Gunnar Lindeberg, Ulrika Rosenström, Rebecca Fransson, Christian Sköld, Hanna Andersson och Charlotta Wallinder.
DESIGN OCH SYNTES AV INHIBITORER TILL ASPARTYL-PROTEASER
Vi eftersträvar att utveckla nya inhibitorer till HIV-1-proteas, och utgår då från tredimensionella strukturer av inhibitor-proteaskomplex. Målet är design och syntes av inhibitorer som har minimal peptidkaraktär, och som därigenom förhoppningsvis skall uppvisa hög biotillgänglighet. Ett sätt att minska peptidkaraktären är att i inhibitorerna försöka bygga in strukturelement som skall efterlikna vattenmolekyler som har identifierats i active site i inhibitor-proteaskomplex. Kristallisation och strukturbestämning utförs vid Strukturbiologienheten på BMC. Ett delmål är att utveckla enkla syntesmetoder som skall leda till potenta inhibitorer som ej är benägna att inducera resistensutveckling och ej heller är dyra att framställa. Terapi med HIV-proteashämmare är idag av kostnadsskäl utom räckhåll för tredje världen. Vi har nyligen även startat projekt med mål att utveckla 1) nya Plasmepsin IV inhibitorer med mål att kunna utveckla aktiva föreningar mot malaria, samt 2) nya β-sekretas inhibitorer med anvädning mot Alzheimers sjukdom.
Externt stöd: SSF och Vetenskapsrådet.
Subprojektgrupp: Mats Larhed, Anders Hallberg, Anders Karlén, Jonas Sävmarker, Kristina Orrling, Linda Axelsson, Per Öhrngren, Micael Jacobson och Christian Sköld.
PROTEASHÄMMARE RIKTADE MOT HEPATIT C
Hepatit C virus (HCV) är den vanligaste orsaken till kronisk leversjukdom och till levertransplantationer i världen. Mer än 3% av jordens befolkning är infekterade med viruset. Det är ett stort behov av effektiva läkemedel mot HCV.
Vi har tidigare designat och framställt olika typer av HCV NS3 proteashämmare (kovalenta och icke-kovalenta). Problemet med dessa hämmare som potentiella läkemedel är deras peptidkaraktär samt deras innehåll av ett flertal karboxylsyror. Nyligen har vi gjort ett genombrott genom acylsulfonamider (karboxylsyrabioisoster) som visat sig vara väldigt aktiva. Det sistnämnda är ett så kallat bioisostert utbyte med syfte att förbättra farmako-kinetiska egenskaper, främst absorption (transport över cellmembran). NS3 proteaset sitter i sin naturliga form ihop med ett annat enzym, ett helikas/NTPas. Våra tidigare observationer tyder på att helikaset samarbetar med proteaset vid inbindning av proteashämmare.
Vårt mål är nu att designa och syntetisera mer läkemedelslika proteashämmare av HCV NS3 proteas-helikas/NTPas för utvärdering i enzym och cell-system. Vi kommer att med små ligander som forskningsredskap och med hjälp av datorbaserad modellering (utifrån den tredimensionella strukturen av NS3 proteas-helikas/NTPas) utreda om och hur helikas-domänen samarbetar med proteaset vid inbindning av hämmare samt att utnyttja detta i vår läkemedelsdesign.
Externt stöd: SSF och Vetenskapsrådet.
Projektgrupp: Anja Sandström, Anders Hallberg, Eva Åkerblom, Gunnar Lindeberg, Anders Karlén, Robert Rönn, Pernilla Örtqvist, Shane Peterson, Johanna Nurbo och Johan Gising.
DATORSTÖDD LÄKEMEDELSDESIGN
Datorstödd läkemedelsdesign är en viktig komponent inom läkemedelskemi. Med hjälp av datorer och avancerade programvaror kan nya substanser utformas och optimeras. I vår grupp arbetar vi med många olika datorbaserade tekniker. För att identifiera nya modellsubstanser är till exempel virtuell screening en viktig teknik. Med denna metod "dockas" ett stort antal föreningar (ca 300 000) till ett protein med känd 3D-struktur. De föreningar som av programmet förutses som de bästa bindarna kan sedan köpas in och utvärderas i en experimentell assay med lämplig metod. Vi arbetar med denna teknik bland annat för att identifiera inhibitorer mot enzym som är involverade i TBC.
Då strukturen av enzymet i komplex med en ligand är känd, kan datorn används för att föreslå hur liganden ska optimeras för att ge bra inbindning (strukturbaserad design). De föreslagna substanserna måste sedan syntetiseras och testas, och på så sätt kan modellen valideras. Vi arbetar här med design av HIV-proteas inhibitorer, β-sekretas inhibitorer och Hepatit C-proteas inhibitorer. Inhibitorn måste inte bara ha hög affinitet till enzymet, utan också andra egenskaper såsom löslighet och absorption över tunntarmen skall optimeras. Vi har därför arbetat fram modeller som kan användas för att prediktera till exempel absorption. Att härleda struktur-aktivitets samband för föreningar som interagerar med proteiner där man inte känner 3D strukturen är också ett viktigt område (farmakoformodellering). Tredimensionella kvantitativa struktur-aktivitetssamband (3D-QSAR) och konformationsanalys är tekniker som vi ofta arbetar med och vi studerar speciellt interaktionen med angiotensin II och IV receptorer.
Externt stöd: SSF
Projektgrupp: Anders Karlén, Christian Sköld, Shane Peterson, Daniel Muthas, Anneli Nordqvist, Micael Jacobson
UTVECKLING AV SELEKTIVA KATALYTISKA METODER FÖR SYNTES AV LÅGMOLEKYLÄRA BIOAKTIVA MOLEKYLER
Vid rationell utveckling av läkemedel är det viktigt att ha tillgång till generella syntesmetoder som tillåter framställning av stora serier av substanser för biologisk testning. Vi har som mål att utveckla regio- och stereoselektiva metoder för sammankoppling av främst aromatiska kärnor med olika byggelement, vilket skall leda till molekyler av farmakologiskt intresse. Inom läkemedelskemi, och speciellt då målproteinets struktur är okänd, är det ofta en stor fördel om man utifrån ett och samma startmaterial kan utföra en rad reaktioner. Vi strävar efter att i syntes- och uppreningsarbetet använda automatiserade instrument. Detta ger en hög substansproduktion med stor diversitet, och ökar förutsättningarna att framgångsrikt och tidseffektivt identifiera bioaktiva föreningar med önskad farmakologisk profil. Vår specialitet är att utnyttja övergångsmetaller som katalysatorer, där de landvinningar som görs tillämpas på läkemedelskemiska delprojekt inom gruppen.
Externt stöd: Vetenskapsrådet.
Projektgrupp: Mats Larhed, Anders Hallberg, Andreas Svennebring, Gopal Datta, Jonas Lindh och Riina Arvela.
KOMBINATORISK KEMI
Kombinatorisk kemi har inneburit ett nytänkande inom Drug Discovery. De kombinatoriska teknikerna möjliggör effektiv höghastighetsproduktion av nya organiska föreningar och tekniken har forcerats fram som en nödvändighet för att tillmötesgå kraven på tillgång till testsubstanser för HTS (High Troughput Screening). HTS tillåter ofta farmakologisk testning av hundratusentals föreningar per vecka. Inom läkemedelskemisk forskning används tekniken inte enbart för att generera stora diversa bibliotek till HTS, utan även för optimering av aktiva föreningar (leads). För att säkerställa tillräcklig diversitet och för att erhålla "läkemedelslika" biblioteksmedlemmar blir databaserad beräkningskemi (computational chemistry) en allt viktigare del av den kombinatoriska kemin. Det finns ett högst uttalat behov av forskare med bakgrund inom kombinatorisk kemi i både Europa och USA.
Ett laboratorium för kombinatorisk kemi finns vid vår avdelning. Vi har bl a inköpt två automatiserade, preparativa LC/MS-system, automatisk utrustning för s k flash-kromatografi, traditionella syntesmaskiner samt en mikrovågsbaserade syntesmaskinen (med stöd från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse). Vi utvecklar nya syntesmetoder i lösning och på fast fas, och utvecklar dessutom metoder för konstruktion och produktion av nya substansbibliotek (HIV-proteas inhibitorer, Plasmepsin inhibitorer (malaria) och Hepatit C inhibitorer). Sammanfattningsvis tror vi att basal forskning och utveckling kring organisk-kemisk biblioteksproduktion kan få stor betydelse för effektiv utveckling av nya läkemedel.
Externt stöd: Alice och Knut Wallenbergs stiftelse.
Projektgrupp: Mats Larhed, Anders Hallberg, Eva Åkerblom, Anja Sandström, Anders Karlén, Olle Lagerlund, Per Öhrgren, Kristina Orrling, Gopal Datta, Johan Gising, och Pernilla Örtqvist.
MIKROVÅGSMEDIERAD HÖGHASTIGHETSSYNTES
Under de senaste två decennierna har utrustningen för att utföra och upparbeta organiska syntesreaktioner förändrats föga i de flesta läkemedelskemiska laboratorier. Fortfarande används traditionell glasutrustning och uppvärmning såsom rundkolvar respektive oljebad. En mycket stor del av alla preparativa separationer utförs med manuell pelarkromatografi. Detta trots att utrustning för närgränsande vetenskaper såsom analytisk kemi, biokemi och molekylärbiologi snabbt automatiserats under denna period.
Vid Avdelningen för organisk farmaceutisk kemi använder vi hel- eller halvautomatiska syntesmaskiner i kombination med fokuserad mikrovågsbestrålning för att kunna utföra höghastighetssynteser av modellföreningar, biologiskt aktiva substanser och kompletta kemiska bibliotek. Vi kan idag utföra ett stort antal mikrovågsmedierade metallkatalyserade och ytterst selektiva reaktioner på mellan 6 s och 10 min!
Att kunna utföra mikrovågsmedierad höghastighetssyntes är dock av begränsad betydelse för läkemedelsutveckling om ej uppreningen av de organiska substansbiblioteken kan ske med snabba metoder, d v s utan att använda långsamma manuella metoder. Genom att förankra startmaterialet till en polymer (en fast fas) kan man utnyttja en snabb filtrering för att rena fram produkten.Vi strävar efter att utforska och utveckla kombinerade syntes- och uppreningsstrategier där målmolekylen, eller det kemiska biblioteket, snabbt kan produceras och renframställas.
Avslutningsvis så strävar vi även efter att använda mikrovågsuppvärmning för att utveckla "grön" kemi. Modern läkemedelskemisk forskning är ur miljösynpunkt ett misslyckande där stora mängder organiska lösningsmedel används i jakten på nya aktiva föreningar. Vi hoppas kunna utnyttja vatten och andra miljövänliga lösningsmedel vid höga temperaturer i kombination med metallkatalys, för att på så sätt kunna minska förbrukningen av toxiska organiska lösningsmedel i framtiden.
Externt stöd: SSF, Vetenskapsrådet.
Projektgrupp: Mats Larhed, Anders Hallberg, Gopal Datta, Andreas Svennebring, Olof Lagerlund, Johan Gising, Per Öhrngren, Jonas Lindh och Riina Arvela.