Fármacos que atuam em recetores de histamina

Fármacos que atuam

em recetores de

histamina

Ana Paula Francisco QFII 2016-2017

AGENTES ANTI-ULCEROSOS

Sumário



Introdução



Histamina e recetores de histamina



Antagonistas H

₁

e H

₂



Descoberta de protótipos



Desenvolvimento

da

burimamida,

da

metiamida , cimetidina e da ranitidina



Inibidores da bomba de protões

Úlceras pépticas

• Erosões localizadas na membrana mucosa do estomâgo e duodeno

• Potencialmente fatais se não forem tratadas

• Causadas por stress, infeção (H. Pylori) e fármacos (NSAIDS)

• Agravadas pelo ácido (HCl) do estomâgo

Terapia das úlceras

• diminuição dos níveis de ácido gástrico

- Antagonistas da histamina e inibidores das bombas de protões

• Agentes antibacterianos - H. Pylori

Antrum Stomach Pyloric Sphincter oesophagus Duodenum Histamine Acetylcholine Gastrin Cck₂ M₃ H2 Parietal Cells Stomach Proton pump Receptors Ion channel

• A libertação do ácido é promovido pela acetilcolina, gastrina e

histamina

Introdução

Introdução

a

t

p

• Mensageiro químico libertado pelas células

• Atua como hormona

• Dois tautómeros possíveis

• % de ionização a pH 7,4 = 99,6%

• O imidazol “não ioniza” a pH fisiológico (3%)

pK_a = 9,80 pK_a = 5,74 5 N H ₃ HN N N H ₃ N NH Imidazol Histamina

Ações da histamina

Os glóbulos brancos combatem a infeção

Os glóbulos brancos saem dos vasos sanguíneos e concentram-se nos tecidos danificados

A histamina estimula a dilatação dos vasos sanguíneos e aumenta a permeabilidade

Células danificadas libertam histamina

A histamina também é libertada em : alergias, asma, picadas de insectos, febre

Anti-histamínicos clássicos

 Normalmente usados para tratar sintomas como inflamação e

comichão

 Não tem efeito sobre a libertação de ácido no estomago

 SK&F propõe 2 tipos de recetores de histamina (H₁ e H₂)

 H₁-responsáveis pelas ações clássicas da histamina

 H₂- recetores das células parietais

7 N M e O N M e ₂ N O N M e 2 Mepiramina Difenidramina

Histamina como protótipo



Não eram conhecidos antagonistas- Não havia protótipo



SK&F decidem usar a histamina como protótipo



O objetivo era alterar o agonismo para antagonismo



Necessário conhecer SAR para agonistas H



Análogos foram testados na sua capacidade para promover a

libertação de ácido



Não se conhecia a existência de recetores H

SAR para agonistas H

e H

 São necessários 2 átomos de azoto para agonismo sobre os H₁

 São necessários todos os átomos de azoto para agonismo sobre os H₂

H1 Receptor H2 Receptor NH₃ HN N NH₃ HN N 9

Estratégias para converter agonistas em

antagonistas



Adicionar mais um grupo funcional de modo a encontrar

interações adicionais com o recetor.

 Interações adicionais podem resultar num modo diferente de ligação e

induzir uma conformação diferente no receptor

 Esta conformação diferente pode não ser capaz de ativar o recetor

 Deste modo o análogo liga-se ao recetor mas não é capaz de o ativar



Um antagonista liga-se mais fortemente que um agonista

Estratégias

Different induced fit

NH3 HN N Histamine Receptor (Inactive) NH₃ HN N

Induced Fit - Receptor 'Switched on'

Receptor (Inactive) NH2 HN N Extra Functionality NH₂ HN N Receptor (Inactive) 11

Estratégias

Exemplos – adição de grupos hidrofóbicos

Resultados

• Não se observou antagonismo com grupos hidrofóbicos

• Tentaram-se então grupos hidrofílicos

N-guanil-histamina

Propriedades Biológicas



Agonista parcial – promove a libertação de HCl mas muito

menos que a histamina



Impede a histamina de promover a libertação completa de

HCl



Quando está presente a N-guanil-histamina bloqueia a

ligação da histamina

N-guanil-histamina

• O grupo guanidina é básico e encontra-se ionizado

• São possíveis diferentes tautómeros, a carga positiva está deslocalizada

Modelo de ligação para agonistas e

antagonistas

São propostas 3 zonas de ligação: uma para o anel de imidazol e duas para grupos polares

A zona de ligação do imidazol é comum aos agonistas e antagonistas

A zona de ligação dos antagonistas é a mais afastada da zona de ligação do anel imidazol

15

Antagonist binding region Agonist binding region Imidazole ring binding region HN N NH₃ Antagonist binding region Agonist binding region NH₃ HN N

• Histamina tem uma cadeia lateral curta

• A carga positiva do azoto só está ao alcance da região de ligação do

agonista

• A zona de ligação dos antagonistas está fora do alcance

• Só pode ligar-se como agonista 16

Modelo de ligação para agonistas e

antagonistas

Agonist binding region Imidazole ring binding region Antagonist binding region HN N NH NH₂ H₂N HN N _NH H₂N NH₂

• A carga positiva é difusa e está mais afastada do anel imidazol

• Permite ao composto ligar-se quer como agonista quer como antagonista

17

Modelo de ligação para agonistas e

Teoria da “quelação”

SK&F propõem que o grupo guanidina se ligue ao ião carboxilato por 2 ligações de Hidrogénio

As estruturas A e B são ambas agonistas parciais mas a estrutura A tem

A carga positiva está mais afastada, faz interações mais fortes com a região de ligação dos antagonistas

Apenas uma ligação de H com a região de ligação dos antagonistas . Carga + afastada do carboxilato. Propriedades antagonistas mais fracas.

Esta teoria acabou por ser refutada mas serviu para explicar os resultados com uma base racional

S HN N N N H H H H O O Receptor Strong interaction N HN N N X H H O O H Receptor X=Me, SMe Weak interaction

Teoria do ligando bidentado

Agonista parcial

↑ a atividade antagonista

Agonista parcial ↓ a atividade antagonista

3C Bridge 3C Bridge

Aumento da cadeia- análogos C3

Objetivo: Afastar o grupo guanidina e aumentar as interações com a região de ligação dos antagonistas

•Análogo guanidina com maior atividade antagonista

• Análogo isotioureia deveria ter atividade antagonista ainda maior já que a

carga está ainda mais afastada

20

H

N

N

N

H

N

H

N

H

Guanidina

Isotioureia

HN N N NH NH2 O _O H H Receptor Strong interaction HN N S NH NH2 O _O H Receptor Weak interaction X HN N N N H H H H O O Receptor X=NH,S Strong interaction

Modelo de ligação para os análogos C2

Modelo de ligação proposto para os análogos C3

Ligações de H diferentes

Aumento da cadeia- análogos C3

Antagonist binding region Agonist binding region Imidazole ring binding region HN N HN NH₂ NH2

Boa ligação como antagonista Ligação como agonista HN

N

HN

NH2

NH₂ Modelo de ligação dos análogos C3

Aumento da cadeia- análogos C3

HN

N

N NH

X

H H

Agonistas parciais com boa atividade “antagonista” (X= Me or SMe) HN N N NH X O _O H H Receptor X=NH₂,SMe,Me Strong interaction Modo de ligação

Aumento da cadeia- análogos C3

Agonist

binding region _{binding region} Agonist

Pior ligação como antagonista Boa ligação como antagonista HN

N

S

NH2

NH2

Importância do tipo de ligações estabelecidas nas regiões polares

Aumento da cadeia - Análogos C3

24 HN N HN NH₂ X

Estratégia

Substituir o grupo guanidino iónico por outro neutro que seja

capaz de estabelecer ligações de H

Racional

Permite distinguir entre as duas regiões polares

As ligações iónicas são cruciais para atividade agonista mas

podem não o ser para a atividade antagonista

Método

Substituir o grupo guanidina básico por tioureia (neutro)

25

Distinção entre as regiões polares

Tioureia

H

N

N

H

N

N

H

₂

S

Não tem atividade agonista Antagonista fraco

26

Distinção entre as regiões polares

Similaridades - Planaridade, geometria, tamanho, polaridade, formação de ligações de H

Diferenças - Tioureia é neutra enquanto que a guanidina é básica e está ionizada

e-withdrawing

Neutro Básico

Conclusão

• Nos agonistas a região polar está envolvida em ligações iónicas e ligações

de H

• Nos antagonistas ligações de H na região polar são suficientes

Comparação entre tioureia e guanidina

H N NH₂ S R Tioureia H N NH₂ NH₂ R Guanidina 27

Distinção entre as regiões polares

Estratégia:

• Aumentar a cadeia para 4 átomos de carbonos

• Afastar o grupo tioureia pode aumentar a interação com a região

polar

Burimamida

Descoberta da burimamida

H

N

N

_N

H

N

H M e

S

Burimamida

Conclusão

• Extensão da cadeia levou ao aparecimento de um antagonista puro com

boa atividade

• A extensão da cadeia permite uma melhor sobreposição do grupo tioureia

com a região de ligação dos antagonistas

• Estabelece a existência de recetores H₂

•100 vezes mais ativa como antagonista que a Na_{-guanil- histamina}

• Não tem atividade antagonista nos recetores H₁

• Atividade muito baixa por via oral

Descoberta da burimamida

• O anel de imidazol pode existir sob a forma de 2 tautómeros (I) e (II) assim

como 2 formas ionizadas (III)

H t p R N N H I R N N H H R N N H H III p t R N N H -H II

O anel imidazol

Imidazol pK_a = 6.80 Histamina pK_a = 5.74 Ionisation = 3% Burimamide pK_a = 7.25 Ionisation = 40%

• O anel imidazol não se encontra ionizado quando se liga ao receptor

• A forma ionizada da burimamida não se deve ligar bem

•Diminuindo a basicidade e a ionização do anel imidazol da burimamida para

valores próximos dos da histamina pode aumentar as interações com o sítio de ligação do imidazol e-withdrawing _e-donating CH2CH2CH2CH2NHCSNHMe HN N H HN N CH2CH2NH3 HN N

O anel imidazol

Estratégia

Inserir na cadeia lateral da burimamida um grupo atrator de eletrões

pK_a = 6.25

Aumenta a atividade antagonista Imidazol não ionizado é favorável HN N S _N H NHMe S Electron withdrawing

Tiaburimamida

O anel imidazol

Tautómero I vs tautómero II

• Para a histamina o tautomero mais favorável é o I

• cadeia lateral é eletroatratora

• o efeito indutivo diminui com a distância

• Np _{é menos básico que o N}t_{; N}t _{é mais susceptivel de ser protonado}

• Na burimamida o tautomero mais favoravel também é o I

Estratégia

• Aumentar a basicidade do Nt _{em relação ao N}p _{para aumentar a % de}

tautómero I vs tautómero II

• Adicionar um grupo dador de eletrões ao anel imidazol mais próximo do Nt _do

que do Np Inductive effect p t 33

O anel imidazol

R

N

N

H

Metiamida

• Aumento da atividade antagonista em cerca de 10 vx em relação à burimamida

• Efeito dador de eletrões do grupo metilo é mais significativo no Nt

• Aumenta a basicidade do Nt

• Favorece o tautómero I em relação ao II

• Aumenta o pK_a para 6.80; ionização - cerca de 20%

• Efeitos 2ários _{inaceitáveis – (toxicidade renal)}

Electron withdrawing

O anel imidazol

H

N

N

S

_N

H

N

H M e

S

M

e

dador de eletrões

•O aumento da atividade da tiaburimamida e metiamida pode

ser devido a um efeito conformacional

• A função tioéter aumenta o tamanho e flexibilidade da

cadeia lateral que pode levar a um aumento da ligação

• O grupo metilo pode orientar a cadeia lateral para a

conformação ativa- i.e. o grupo metilo restringe a liberdade

conformacional

35

Da metiamida à cimetidina

Oxaburimamida

•Menos potente que a burimamida apesar da cadeia lateral

ser atratora de eletrões

Porquê ?

• A ligação éter é mais pequena e mais flexivel

• o éter pode fazer uma ligação de H indesejavel

• Pode haver um gasto de energia extra para des-solvatar o

oxigénio antes da ligação

H

N

N

O

_N

H

N

HMe

S

Da metiamida à cimetidina

• Os efeitos 2ários _{da metiamida podem ser devidos ao grupo tioureia}

• O grupo tioureia é pouco frequente

• Substituir este grupo por um “natural” poderá reduzir os efeitos 2ários

Tioureia Efeitos tóxicos

Guanidina ↓ a atividade mas não tem atividade

agonista Ureia

↓ a atividade

• 1º análogo guanidina antagonista puro

• A cadeia de 4C empurra o grupo guanidina para fora da região de ligação dos agonistas mas não para além da região de ligação dos antagonistas

N H NHMe S R N H NHMe O R N H NHMe NH R

Da metiamida à cimetidina

Ligação como antagonista Agonist binding region HN N S NH H₂N NH₂ HN N S NH NH₂ H2N

Da metiamida à cimetidina

Estratégia:

• Manter o grupo guanidina

• Guanidina está presente na arginina - “natural” • Tornar o grupo guanidina neutro

• Adicionar um grupo atrator de eletrões para ↓ a basicidade (e.g. NO₂ or CN)

CN-atrator de eletrões

H

N

N

S

H

N

Me

N

HMe

N

C

N

Cimetidina

Da metiamida à cimetidina

• Atividade comparável à metiamida; menos efeitos 2

• Inibe os recetores H

e diminui a libertação de ácido no

estômago

• Comercializada em 1976; fármaco mais vendido no mundo até ao

aparecimento da ranitidina

• Metabolicamente estável; Inibe as enzimas do Cit P450

Cimetidina

H

N

N

S

H

N

Me

N

HMe

N

C

N

• O grupo cianoguanidino atua como bioisóstero da tioureia

• Ambos os grupos são planares (geometria semelhante) ; polares ( mas

neutros); tem momentos dipolares (baixos)

• O grupo cianoguanidina é fracamente acidíco e fracamente básico-anfotérico

• O grupo cianoguanidina não está ionizado a pH 7.4

H N NHMe N CN R

H

N

N

HMe

S

R

Cimetidina

• O tautómero favorecido é o imino

Tautómeros do grupo cianoguanidina

•O efeito indutivo atrator de eletrões do grupo CN

• O efeito indutivo faz-se sentir mais no azoto vizinho

• O azoto não está tão disponível para formar uma ligação de H

Amino Tautomer Imino Tautomer Amino Tautomer III II I N RN NHMe H CN N RHN NHMe CN N RHN NMe CN H 42

Cimetidina

• As conformações E, E e Z,Z não são favoráveis – (avaliação por Raios X e

NMR)

• A quelação com o carboxilato requere a conformação E,E ou Z,Z

Steric interaction Steric interaction Z,E N CN N N H Me R H N CN N N H Me H R E,E E,Z N N N Me H H R NC N CN N N Me H R H Z,Z 43

Cimetidina

Receptor

Não são possíveis 2 ligações de H para o mesmo aceitador

(conformação mais estável)

E,Z O N N N Me H H R NC O _X X N N N Me H H R NC Receptor

São possíveis 2 ligações de H com 2 aceitadores diferentes

44

Cimetidina

•As conformações mais estáveis são a E,E or Z,Z

• Antagonista fraco

• Não é capaz de se ligar a 2 grupos diferentes na região de ligação dos

antagonistas

H

N

N

S

N

Me

N

Me

O

H

H

Análogos- Ureia

• As conformações mais estáveis não são as E,E ou Z,Z

• Antagonista mais forte que a cimetidina

• Só pode formar 2 ligações H com 2 aceitadores diferentes na região de ligação

dos antagonistas

H

N

N

S

N

Me

H

N

N

O

H

Análogos- nitropirrol

• O grupo guanidina é muito polar e solvatado

• a água de solvatção tem que ser removida antes da ligação ao recetor

• a dessolvatação gasta energia

• A solvatação pode influenciar a força da ligação e atividade

• O grupo ureia é mais hidrofilico que o cianoguanidina

• Este facto pode explicar a fraca atividade do análogo ureia

R G H O H H O H H O H R G Desolvation Energy penalty R G Binding Energy released 47

Análogos hidrofóbicos

Estratégia

• Aumentar o caráter hidrofóbico do sistema aminal planar

• ↓menos solvatação

• ↓ menos energia de dessolvatação

• ↑ da ligação e da atividade

Resultado

• A atividade antagonista dos análogos aumenta com o seu caráter hidrofóbico

HN N Me S N H NHMe X Aminal system (Z) 48

Análogos hidrofóbicos

Log (activity) = 2.0 log P + 7.4

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

Análogos hidrofóbicos

Maior atividade do que o

esperado

Grupo hidrofilico deveria

↓atividade

Menor atividade do que o esperado

grupo hidrofóbico

50

Análogos hidrofóbicos

Dipole Moments H-Bonding regions Receptor surface NMe H O2N N H R

Approach and orientation

NMe H O2N N H R

Strong hydrogen bonding

Receptor surface N N H O N H R

Approach and orientation

Receptor surface N N H O N H R

Weak hydrogen bonding

Receptor surface

• interação dipolo-dipolo

• Os dipolos alinham e

orientam o ligando

• Existe uma boa interação entre ligando e recetor se os grupos estiverem posicionados corretamente

•Se os grupos não

estiverem corretamente posicionados leva a ↓ atividade como antagonista

• A orientação do dipolo é importante

• Atividade aumenta à medida que a hidrofobicidade aumenta (log P)

• O ângulo ideal do momento dipolar é de = 30

• A 30

_{, Log (activity) = 9.12 + 0.6 log P - 2.71}

• Quando o momento dipolar não é igual a 30

_{a atividade baixa}

H N N X R H 52

Análogos hidrofóbicos

• tem um grupo nitrocetoaminal

• Furano como anel heteroaromático

•Menos efeitos 2ários, _{maior t}

½, 10vx mais ativa

3

4

S

N

H

N

HMe

CH

N

O

O

Me

N

2

5

Ranitidina

54

Famotidina e Nizatidina

55

Comparação entre antagonistas H

e H

Lumen of the stomach Proton pump Receptors Ion channels Cck2 H2 M3 ATP ADP + Pi Canaliculus A bomba de protões

• bombeia protões para o meio extracelular por troca com K+

• Requer energia – provem da hidrólise do ATP a ADP, catalizada pela ATPase • Á bomba de protões também se chama bomba de H+_/K+_-ATPase

• os iões cloro saem por outro canal iónico; o HCl forma-se no canaliculus • Os iões K+ _{saem das célular parietais como contra ião do cloro e voltam a}

entrar através da bomba de protões

•Os iões K+ _{usam um canal iónico diferente} H + + K

HCl Cl -

py r i di ne m e t hy l s ul f i ny l ' l i nke r ' be nz a m i da z o l e Pantoprazole H N N OCHF₂ S O N OMe MeO Rabeprazole Na N N S O N Me O MeO Lansoprazole H N N S O N Me O F₃C Omeprazole H N N OMe S O N Me MeO Me

Inibidores da bomba de protões

H+ N N _OMe S O N Me OMe Me H H N Me MeO Me S N N OMe

Pyridinium sulphenamide structure -H2O H+ H N N _OMe S O N Me OMe Me H NH N OMe H N S O Me Me OMe Spiro intermediate -H+ N N OMe N S OH Me MeO Me H

Sulphenic acid intermediate

H N Me MeO Me NH N OMe S S Proton_pump

Mecanismo de inibição

• Originalmente é um antiviral • inibe a secreção de HCl

• Toxicidade hepática devido ao grupo tioamida

protótipo

Modificação do grupo tioureia

• O anel da piridina e a ponte CH₂S são importantes para a atividade

N NH₂ S CMN 131 N S N H N H 77/67

Design do omeprazol

• propriedades antisecretoras fortes durante longos periodos de tempo

• Efeitos 2ários _{na tiróide}

Adição de substituintes no anel benzimidazol

Design do omeprazol

• Substituintes que aumentam a basiciade do anel da piridina ↑a atividade porque favorecem o mecanismo de ativação

• Metilo em meta - efeito indutivo

• Metoxilo em para melhor do que em meta

• Resonância aumenta a densidade electrónica do azoto

N S N H N O CO2Me Me Me MeO Me H 159/69

Design do omeprazol

•H159/69 inibidor potente mas químicamente instável N Me MeO Me R N Me MeO Me R N Me MeO Me R N Me MeO Me R

Design do omeprazol

•Variação dos substituintes de modo a encontar o equilibrio certo entre

potência, estabilidade química e facilidade de síntese

•Omeprazole foi o melhor; comercializado em 1988; fármaco mais vendido

em todo o mundo

Omeprazole

H

N

N

O

Me

S

O

N

Me

Me

O

Me

Design do omeprazol

•Omeprazole tem um centro assimétrico

• O enantiomero S é mais potente e tem melhor perfil farmacocinético

H

N

N

O

Me

S

N

Me

Me

O

Me

O

esomeprazol

65

Problemas

66

Problemas

2- As estruturas seguintes foram importantes na descoberta da estrutura B a Burimamida

Responda as seguintes questões.

a) Qual o grupo funcional foi introduzido no derivado SK&F 91581 b) Qual foi o racional para introdução deste grupo

c) Qual foi o racional para a alteração introduzida na estrutura B em relação ao SK&F 91581

67

3 - No desenvolvimento do omeprazol os grupos metilo e metoxilo foram adicionados ao anel de piridina de modo a aumentar o pKa .

Posteriormente observou-se que o análogo I com apenas um grupo metilo tem um pKa maior que o omeprazol . sugira uma razão para este facto.

Omeprazole H N N OMe S O N Me MeO Me