Основные этапы создания лекарственных препаратов, подходы к получению и отбору лекарственных средств

Путь от получения индивидуального химического соединения до внедрения препарата в медицинскую практику занимает большой отрезок времени и включает в себя следующие этапы:

1) тонкий органический, биоорганический или микробиологический

синтез, идентификация и выделение соединений. Скрининг (отбор БАС) in vitro;

2) создание модели лекарственной формы;

3) проверка биологической активности на животных (in vivo);

4) нахождение оптимального метода синтеза, проверка биологической активности;

5) разработка лекарственной формы;

6) исследование острой и хронической токсичности, мутагенности, тератотоксичности, пирогенности;

7) изучение фармакокинетики и фармакодинамики (в т. ч. и синтез препарата меченного изотопами ³Н и ¹⁴С);

8) разработка лабораторного регламента производства;

9) клинические испытания;

10) разработка опытно-промышленного регламента, производственного регламента, ВФС, утверждение ВФС;

11) разрешение фармкомитета, приказ Минздрава РФ на применение лекарственного средства. Оформление документации на производство.

Общая стоимость разработки нового лекарственного средства достигает 400 млн долларов США.

Для уменьшения стоимости разработки ЛС используются достижения молекулярной биологии – целенаправленный синтез. Примером такого синтеза может служить создание антагонистов метаболитов нуклеинового обмена – 5-фторурацила, 6-меркаптопурина, флударабина. Еще одним примером является противораковый препарат мелфалан (рацемат – сарколизин).

В самом начале пути создания противоопухолевых препаратов использовали эмбихин – N- метил- N- бис(b-хлорэтил)амин.

 

 

Лечение этим препаратом ярко описано А.И. Солженицыным в романе «Раковый корпус». Препарат высокотоксичен, процент излеченных больных был мал (А.И. Солженицыну повезло). Академик АМН Л.Ф. Ларионов предложил ввести азотипритную группу в метаболит – фенилаланин. Так был синтезирован сарколизин, дающий хорошие результаты при лечении рака яичка. В настоящее время используют не рацемат, а оптически индивидуальный препарат – мелфалан. Блестящим примером целенаправленного синтеза является ингибитор превращения неактивного агиотензина I в активный агиотензин II – препарат каптоприл. Агиотензин I является декапептидом, а агиотензин II октапептидом. Карбоксипептидаза А отщепляет с карбоксиконца пептида последовательно лейцин и гистидин, но не может работать в том случае, если предыдущей аминокислотой является пролин.

 

 

Знание тонкого механизма работы фермента позволило синтезировать его ингибитор. Ангиотензин II обладает выраженной биологической активностью – вызывает сужение артериол, прессорное действие в 40 раз превосходит действие норадреналина. Каптоприл ингибирует карбоксипептидазу, его используют для лечения гипертонии. Тот же самый принцип был использован при синтезе препарата эналаприл. Рассмотренные препараты – метотрексат, азометония бромид, атенолол и фенилэфрин были получены в результате целенаправленного синтеза.

Другим направлением поиска БАВ является массовый скрининг – проверка биологической активности вновь синтезированных соединений. Ферменты и рецепторы имеют в пространственной структуре «карманы», в которые входят метаболиты или медиаторы. Во взаимодействии метаболита с ферментом принимают участие как полярные группировки, так и гидрофобные. Поэтому при отборе новых соединений для изучения биологической активности необходимо в молекуле иметь сочетание полярных и гидрофобных групп. В качестве гидрофобной части – Alk, Alk(F)_n, а также циклические соединения. Но гетероциклы кроме гидрофобной части имеют уже и заряд. В качестве полярных групп используют: OH; O-Alk, OAc, NH₂; NHAlk, N(Alk)₂, NHAc, SO₂NHR, COOH, C=O, COOR, CONR¹R², NO₂, SH, полярные гидрофобные – Cl, Br, J, F. Эти группы, введенные в гидрофобную молекулу, часто придают соединению биологическую активность, и их называют фармакофорными группами.

 

 

Введение фармакофорных групп не должно быть беспорядочным. Желательно, чтобы гидрофобные участки и полярные группы располагались на определенном расстоянии. Тем самым они могут моделировать либо метаболит, либо природное лекарственное средство. Этот принцип подобия был заложен в синтезе местноанестезирующих препаратов – анестезина и новокаина. Природным продуктом, обладающим мощным анестезирующим действием, является кокаин. Однако использование наркотического средства далеко небезопасно. В данном случае моделирование структуры природного продукта привело к положительным результатам. Структуры соединений приведены на схеме:

 

 

Поиск таких лекарственных средств занял около двадцати лет.

Еще в 80-е гг. XX в. отбор БАС проводился на животных, при этом химику-синтетику требовалось для первичных испытаний нарабатывать десятки граммов соединения. Статистика показывает, что одно новое БАС удается найти при «слепом» синтезе среди 100 000 вновь синтезированных веществ. Для уменьшения затрат скрининг стали проводить на изолированных органах, а затем и на клетках. Причем количество нарабатываемого вещества сократилось до сотен миллиграммов. И, естественно, увеличилось количество изучаемых веществ. Противоопухолевая и противовирусная активность новых соединений в настоящее время изучается на клетках. Живые и убитые клетки при окрашивании имеют различную окраску. Чем больше находят мертвых клеток человеческого штамма злокачественной опухоли под действием испытуемого вещества, тем оно более активно.В институте рака Национального института здоровья США, испытания проводятся на 55 штаммах человеческих опухолей, адаптированных для роста в условиях in vitro. При изучении противовирусной активности клетки, зараженные вирусом, прибавляют к раствору препарата. Ведут подсчет живых клеток.

При исследовании активности вновь синтезированных соединений подлинная революция произошла благодаря успехам биотехнологии. Доступность биомакромолекул (ферментов, белков рецепторов, РНК и т. п.), помещенных на твердый носитель, позволяет с помощью измерения биолюминесценции определять их ингибирование или стимуляцию под действием нового вещества. В настоящее время испытывается in vitro в фирме «Байер» 20 000 новых соединений в год. При этом существенно возрастает роль химиков синтетиков, которые должны обеспечить массовую наработку новых соединений и билдинг-блоков. Возникла так называемая комбинаторная химия (принципы комбинаторной химии рассмотрены в отдельном разделе). Основой для выбора такого синтеза является компьютерный анализ баз данных, в т. ч. и по наличию фармакофорных групп в определенных положениях молекул. Для создания «библиотеки» новых соединений с помощью методов комбинаторной химии необходимо знать закономерности протекания химических реакций. Это является одной из задач данного курса.

Еще одним направлением поиска БАВ служит модификация уже известных лекарственных соединений. Целью изменения структуры ЛС является снижение побочного действия препарата, а также повышение его активности – увеличение терапевтического индекса I_t. Определенную роль играет изучение количественной взаимосвязи структура – активность. В качестве одного из примеров можно привести использование метода Хэнча, основанного на определении или расчете по аддитивной схеме липофильности соединения. В качестве меры липофильности используют коэффициент распределения (Р) вещества в системе октанол – вода. В общем виде уравнение Хэнча можно представить следующим выражением

 

lg 1/c = a₀ + a₁lgP – a₂(lgP)² + a₃s + a₄E_s

 

где с – любая экспериментальная величина, характеризующая биологическую активность; a_i – постоянные, полученные при обработке экспериментальных данных; Р –коэффициент распределения октанол – вода (Р = С_{октанол} /С_вода, С – концентрация вещества в каждой из фаз), параметры s, E_s отражают электронные и стерические параметры молекулы.

Анализ уравнения показывает, что lg 1/c = f lgP, т.е. кривая проходит через максимум, соответствующий веществу с наибольшей активностью. Уравнение в грубом приближении описывает две стадии действия ЛС:

1) транспорт к участку действия;

2) взаимодействие с биомакромолекулой.

В качестве примера можно привести уравнение, связывающее Р с противоопухолевой активностью нитрозоалкилмочевин:

lg 1/c = - 0,061(lgP)² + 0,038lgP + 1,31

Седативная активность барбитуратов, изученная на мышах, связана с липофильностью следующим уравнением:

lg 1/c = 0,928 + 1,763 lgP - 0,327(lgP)²

Активность, изученная на кроликах, дает несколько другое соотношение:

lg 1/c = 0,602 + 2,221 lgP - 0,326(lgP)²

Хотя коэффициенты в этих уравнениях разные, общая тенденция сохраняется. Уравнение Хэнча сыграло свою роль при разработке современных компьютерных программ отбора веществ для изучения их биологической активности. В результате скрининга были найдены рассмотренные препараты циметидин и фентоламин. Изучение их механизма действия привело к открытию a-адренорецепторов и Н₂-рецепторов.

При планировании синтеза ряда новых веществ целесообразно задаваться определенной молекулярно-биологической гипотезой, т.е. приближаться к целенаправленному синтезу. После нахождения in vitro активности соединения обязательно проверяют действие соединения in vivo. На последующих стадиях к будущему препарату предъявляют требования:

1) высокая эффективность лечебного эффекта;

2) максимальная величина I_t, минимальное побочное действие;

3) после оказания лечебного действия препарат должен инактивироваться и выводиться из организма;

4) препарат не должен вызывать неприятных ощущений (вкус, запах, внешний вид);

5) препарат должен быть стабильным, минимальный срок хранения препарата должен быть не менее двух лет.

Обычным требованием к синтетическому препарату, за немногими исключениями, является высокая чистота субстанции. Как правило, содержание основного вещества в субстанции должно быть не менее 98 – 99 %. Наличие примесей регламентируется Фармакопейной статьей. При изменении метода синтеза необходимо проверять препарат на биоэквивалентность с ранее применявшимся ЛС.

 

1.2.2. Разработка плана синтеза

Каждое лекарственное средство может быть синтезировано несколькими альтернативными методами с использованием различных видов исходных продуктов (сырья). Появление новых видов полупродуктов, реакций и технологических процессов может резко изменить метод получения даже известных препаратов. Поэтому необходимо наработать практику составления плана синтеза БАВ на основе знания теории прохождения химических процессов органического синтеза, его конкретных условий и особенностей технологического оформления.

При разработке плана синтеза имеются два основных подхода – синтетический и ретросинтетический. Первый предполагает обычный подход: исходя из известных видов сырья, наметить последовательность реакций. Вторым методом разработки альтернативных путей получения БАВ является ретросинтетический подход к планированию синтеза. Прежде всего для его освоения необходимо привести терминологию:

1. Этот знак Þ трансформация – мысленная операция расчленения молекулы при ретросинтетическом анализе, противоположная знаку реакции.

2. После расчленения молекулы на части возникают заряженные осколки Х⁺ Y¯ - синтоны.

3. Частицам Х⁺ и Y¯ необходимо подобрать реальное химическое соединение, в котором будут либо те же заряды, либо d⁺, d¯ - синтетические эквиваленты. Синтетический эквивалент – реальное химическое соединение, позволяющее ввести синтон в молекулу в процессе ее конструирования.

4. БАВ – целевое соединение.

Далее, при трансформации необходимо расставить заряды синтонов так, чтобы отрицательный заряд находился на атоме, имеющем более высокую электроотрицательность, а положительный на менее электроотрицательном. В качестве примера можно рассмотреть ретросинтетический анализ молекулы парацетамола.

 

 

При трансформации молекулы разрываем связь С-N. Отрицательный заряд остается на группе NH, а положительный – на ацетильной группе. Соответственно синтетическими эквивалентами будут п -аминофенол и уксусный ангидрид или хлористый ацетил. Синтетический подход к разработке плана синтеза показан на схеме. Технический п -аминофенол не годится для получения парацетамола, т. к. содержит до 5 % продуктов окисления и других примесей, а очистка экономически невыгодна. Для синтеза препарата необходимо использовать свежеприготовленный продукт. Он может быть получен восстановлением п -нитрозофенола или п -нитрофенола. Пока в промышленности используют восстановление п -нитрофенола (причины этого рассмотрены в разделе «Реакции нитрозирования»).

 

 

В свою очередь п -нитрофенол может быть синтезирован нитрованием фенола или гидролизом п -нитрохлорбензола. В случае нитрования фенола возникают технологические трудности из-за энергичного протекания реакции нитрования, сопровождающегося некоторым осмолением реакционной массы. Кроме того, велики энергозатраты на разделение о- и п -изомеров. Таким образом, наиболее рационально получать п -нитрофенол гидролизом нитрохлорбензола, который является промышленно производимым продуктом. Даже на этом простейшем примере видно, что для ретросинтетического анализа необходимо уверенное знание органических реакций, их механизма, представления об источниках сырья и его доступности. Возможности разработки технологии производства обусловлены условиями проведения реакций, аппаратурным оформлением процессов, вопросами максимального использования сырья, а также вопросами экономики и экологии.

После составления альтернативных планов получения препарата разрабатывают оптимальный метод промышленного синтеза (ОМПС). Разработка ОМПС требует учета следующих факторов:

1) минимальное количество стадий. Каждая стадия – это затраты времени и сырья, увеличение количества отходов. Синтез должен быть по возможности коротким. Желательно использовать реакции, которые осуществляются в одну стадию или, по крайней мере, не требуют выделения промежуточных продуктов;

2) выход на каждой стадии. В идеале выход должен быть количественным (реально – очень редко), но хотя бы максимально возможным. Желательно, чтобы выделение продукта было простым и доступным;

3) хемоселективность реакции. С практической точки зрения имеет исключительное значение проведение реакции по одному из нескольких реакционных центров исходного соединения (региоселективность) или получение одного из возможных стереоизомеров (стереоселективность). Учет этого требования помогает избежать кропотливой работы по разделению изомеров и уменьшает количество отходов производства;

4) условия реакции. Превращение должно протекать в легкодостижимых условиях и не должно сопровождаться использованием или выделением высокопожаро-, взрывоопасных либо токсичных веществ;

5) процесс не должен ни при каких условиях привести к экологической катастрофе;

6) побочные продукты процесса должны быть легко удаляемыми и в идеале должны быть используемы либо легко подвергаться обезвреживанию.

В реальных условиях производства сложность заключается в том, что учет всех этих факторов приводит к противоречивым результатам, и ОМПС становится неоднозначным. Технолог длжен отдать предпочтение тем методам, которые дают максимальный экономический эффект, но без ущерба экологии.

1.3. сырьевая база

химико-фармацевтической промышленности

 

Основные продукты, которые получают с помощью тонкого, основного, нефтеоргсинтеза, лесохимии, коксохимического и микробиологического производства.

 

Для планирования синтеза конкретного лекарственного препарата и технологического оформления процессов необходимо в первую очередь обратиться к литературе и выяснить состояние промышленной разработки в нашей стране и за рубежом. Вторым шагом является оценка имеющихся либо вновь разработанных альтернативных методов получения препарата с точки зрения использования различных видов сырья в каждом методе, его стоимость и доступность. Для примера: в синтезе препарата необходимо использовать п -нитрохлорбензол. Его производят на Березниковском химзаводе, Рубежанском химкомбинате (Украина) и фирме Merk (Германия). Стоимость 1 т продукта одинакова, но транспортные расходы весьма отличаются. К тому же необходимо оценить и надежность поставщика. Безусловно, самым надежным будет его производство на своем заводе, но стоимость крупнотоннажного производства, конечно же ниже, чем своего небольшого.

Основные отрасли промышленности, которые поставляют сырье для промышленного получения синтетических ЛС в химико-фармацевтической промышленности (ХФП):

1) химическая переработка каменного угля, нефти, газа, древесины;

2) выделение продуктов из сырья растительного и животного происхож-дения;

3) микробиологический синтез.

Рассмотрим более подробно каждый из источников.