to Week 6 - courses.edx.org · Welcome to Week 6 Starting week six video Please watch the online...

14
Welcome to Week 6 Starting week six video Please watch the online video (52 seconds). OPTIONALPlease participate in the online discussion forum. Chapter 10 Lead Discovery Introduction to Chapter 10 Chapter 10 contains seven subsections. In Vitro Screening Fragment Based Screening Filtering Hits Pt 1 Filtering Hits Pt 2 Filtering Hits Pt 3 Selective Optimization of Side Activities Natural Products Upon completing this chapter, you understand the different methods for screening libraries of molecules for hits. You should also understand how to prioritize the hits as leads for their potential for ultimately becoming drugs. Finally, you should realize that some leads are discovered through nonscreening approaches. OPTIONALPlease participate in the online discussion forum. 10.1 In Vitro Screening Finding hits video Please watch the online video (6 minutes, 34 seconds). A condensed summary of this video can be found in the Video summary page. OPTIONALPlease participate in the online discussion forum.

Transcript of to Week 6 - courses.edx.org · Welcome to Week 6 Starting week six video Please watch the online...

Page 1: to Week 6 - courses.edx.org · Welcome to Week 6 Starting week six video Please watch the online video (52 seconds). OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum.

 

 

WelcometoWeek6

StartingweeksixvideoPlease watch the online video (52 seconds). 

OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum. 

Chapter10‐LeadDiscovery

IntroductiontoChapter10Chapter 10 contains seven subsections. 

In Vitro Screening 

Fragment Based Screening 

Filtering Hits Pt 1 

Filtering Hits Pt 2 

Filtering Hits Pt 3 

Selective Optimization of Side Activities 

Natural Products 

Upon completing this chapter, you understand the different methods for screening libraries of 

molecules for hits.  You should also understand how to prioritize the hits as leads for their potential 

for ultimately becoming drugs.  Finally, you should realize that some leads are discovered through 

non‐screening approaches. 

OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum. 

10.1InVitroScreening

FindinghitsvideoPlease watch the online video (6 minutes, 34 seconds). 

A condensed summary of this video can be found in the Video summary page. 

OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum. 

Page 2: to Week 6 - courses.edx.org · Welcome to Week 6 Starting week six video Please watch the online video (52 seconds). OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum.

 

 

InsilicoscreeningBackground: The most common method for finding hits involves searching through libraries of 

molecules using high‐throughput screening to reveal compounds with promising activity. 

Instructions: Read the passage below on screening molecules through computer modeling. 

Learning Goals: To understand the advantages and limitations of screening molecules through 

computer simulations. 

The rise in computing power, especially in the area of protein modeling, allows library compounds 

to be “flown” into a binding pocket that is modeled on a computer. Binding energies can then be 

estimated to approximate the Ki of each library member. The process of matching a compound to a 

binding site is called docking. Estimating the binding energy is called scoring. The overall process of 

testing for biological activity using a computer simulation is called in silico screening or virtual 

screening. 

A very attractive aspect of in silico screening is that the library does not to be real. As long as one 

can draw the molecules in a computer, the computer will handle docking the molecule to the target 

protein. The logistics of obtaining, maintaining, and dispensing compounds for testing are 

unnecessary. The library can potentially be far larger than the one or two million compound libraries 

held by major pharmaceutical companies. 

While there are many attractive aspects to in silico screening, the method is still developing. One 

problematic aspect is scoring. Current scoring methods are somewhat inaccurate, and many 

compounds that are not strong binders are predicted to be hits. The number of false hits, or false 

positives, can be reduced by using multiple different scoring methods. Only compounds that are 

predicted to be active through multiple methods are selected as hits. This approach is called 

consensus scoring. The activity of any virtual hits must be confirmed by synthesizing a sample of the 

molecule and testing the compound in an in vitro screen. 

OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum. 

10.2FragmentBasedScreening

Fragment‐basedscreeningvideoPlease watch the online video (7 minutes, 58 seconds). 

A condensed summary of this video can be found in the Video summary page. 

OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum. 

Page 3: to Week 6 - courses.edx.org · Welcome to Week 6 Starting week six video Please watch the online video (52 seconds). OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum.

 

 

RevisitingstromelysininhibitorsBackground: Fragment based drug discovery involves screening for small, weakly active compounds 

in an assay and then tethering them together to form hit‐level compound. 

Instructions: Read the passage below concerning a fragment based search for inhibitors of 

stromelysin, a topic that was first presented in Chapter 9.  Use the ideas in the passage to answer 

the questions that follow. 

Learning Goal: To understand better the types of molecules used as fragments and how hits are 

generated from the fragments. 

Back in Chapter 9 we discussed the development of stromelysin inhibitors to highlight the 

relationship between binding energies and the structure of a molecule.  As it so happens, the 

stromelysin study is also an example of fragment based drug discovery. 

The study started with two fragments that were found to bind to stromelysin.  One was 

acetohydroxamic acid (1) and the other was 4‐hydroxybiphenyl (2).  Note that both are small, 

fragment‐sized molecules and have weak Ki values close to 1 mM and binding energies of −2.4 and 

−4.8 kcal/mol, respectively. 

 

The fragments were then joined together.  In this particular study, the binding sites for 1 and 2 were 

known to be close together and the approximate orientations of the two fragments were also 

known.  These two details greatly helped the research team in designing tethers to connect the two 

fragments.  The team reported four different tethers through the addition of between one and four 

CH2 units. 

 

The discussion becomes more complicated because the activities are reported as IC50 values instead 

of Ki values.  Through the Cheng‐Prussoff equation, if we know the concentration of the substrate 

Page 4: to Week 6 - courses.edx.org · Welcome to Week 6 Starting week six video Please watch the online video (52 seconds). OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum.

 

 

([S]) and Km of the substrate for stromelysin, we can convert the IC50 values to Ki values, which can in 

turn be used to calculate ΔGobind of the tethered fragments. 

 

 

The original stromelysin report gives [S] as 200 µM.  Km is not provided, but a very similar enzyme 

has a Km of 4,000 µM for stromelysin.  Using these values, we can determine Ki and ΔGobind for the 

best hit formed by tethering fragments.  The most potent hit is compound 4. 

 

An interesting thing about fragment binding is that Ki and ΔGobind of hit can be determined based on 

the fragments that were combined.  Specifically, if fragments 1 and 2 are correctly combined to 

form a new hit, then Ki of the hit should be equal to the product of the Ki values of the two 

fragments. 

Ki (hit) = Ki (fragment 1) × Ki (fragment 2) 

Similarly, ΔGobind of the hit should be equal to the sum of the ΔGo

bind of the two fragments. 

ΔGobind (hit) = ΔGo

bind (fragment 1) + ΔGobind (fragment 2) 

Under this logic, Ki of compound 4 should be 4.8×10−6 M (17×10−3 × 0.28×10−3 = the product of the 

two fragment Ki  values).  Instead, the actual value is 0.30×10−6 M.  ΔGobind of compound 4 should be 

−7.2 kcal/mol (−2.4 + −4.8).  Instead, the actual value is −8.9 kcal/mol.  Compound 4 (the hit) binds 

more strongly than we would predict based on its fragments. 

Why do the predictions (which are theoretically sound) differ from the experimental value?  The 

discrepancy is the tether.  Compound 4 has two more CH2 groups than the individual 

fragments.  These CH2 groups lie within a channel in the protein and generate binding energy 

through the hydrophobic effect.  In Chapter 9, the binding energy of a CH2 group through the 

hydrophobic effect was listed as 0.8 kcal/mol.  The energy difference between 4 and the fragments 

Page 5: to Week 6 - courses.edx.org · Welcome to Week 6 Starting week six video Please watch the online video (52 seconds). OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum.

 

 

is 1.7 kcal/mol, essentially equal to 2 × 0.8.  Once we consider the effect of the additional 

CH2 groups, the strong binding of hit 4 is more reasonable. 

Please complete the online exercise. 

OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum. 

10.3FilteringHitsPt1

VisualinspectionvideoPlease watch the online video (8 minutes, 33 seconds). 

A condensed summary of this video can be found in the Video summary page. 

OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum. 

AnotherstructuralalertBackground: Compounds that contain functionality that may cause toxicity problems raise a 

structural alert.  Anilines are perhaps the most common functional group that causes structural 

alert. 

Instructions: Read the passage below about arylacetic acids, which also trigger a structural alert. 

Learning Goal: To gain exposure to another functional group that forms reactive metabolites and is 

associated with structural alerts. 

Please continue on the following page… 

Page 6: to Week 6 - courses.edx.org · Welcome to Week 6 Starting week six video Please watch the online video (52 seconds). OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum.

 

 

In addition to anilines, arylacetic acids (1) frequently form reactive metabolites.  Like most carboxylic 

acids, arylacetic acids often undergo phase II metabolism and are conjugated with glucuronic acid 

(2).  Glucuronides of arylacetic acids can rearrange from the 1‐glucuronide (3) to the 3‐

glucuronide (4).  The 3‐glucuronide exists in equilibrium with its open‐chain form (5).  The open‐

chain form is important because it can react with the NH2 groups on lysine residues of proteins, and 

ultimately the glucuronide becomes covalently bound to the protein through a multistep 

process.  Modified proteins can trigger an immune response and cause tissue damage.  Tissue 

damage in the liver is particularly common because glucuronidation occurs primarily in the 

liver.  Skin rashes can also indicate immune response problems. 

 

OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum. 

PickingoutproblemcompoundsBackground: Functional groups in a hit can cause the hit to be less attractive to a drug discovery 

program.  Being able to visually identify problematic compounds can help a medicinal chemistry 

group to advance the correct compounds to the lead optimization stage. 

Instructions: Look at the structures below and answer the questions that follow. 

Learning Goal: To practice identifying compounds that contain less desirable functional groups. 

Page 7: to Week 6 - courses.edx.org · Welcome to Week 6 Starting week six video Please watch the online video (52 seconds). OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum.

 

 

Below are six hit‐like compounds. 

 

Please complete the online exercise. 

OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum. 

10.4FilteringHitsPt2

MolecularindexesvideoPlease watch the online video (5 minutes 15 seconds). 

A condensed summary of this video can be found in the Video summary page. 

OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum. 

LigandefficiencycalculationsBackground: Of the many molecular indexes, ligand efficiency (LE) is among the most widely used. 

 

Instructions: Use the equation above to calculate the typical LE values of hits and 

drugs.  Furthermore, use the equation to calculate the LE value of two drugs, duloxetine and 

sildenafil. 

Learning Goal: To gain a sense of typical values for LE for different types of compounds relevant to 

drug discovery. 

Page 8: to Week 6 - courses.edx.org · Welcome to Week 6 Starting week six video Please watch the online video (52 seconds). OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum.

 

 

Please complete the online exercise. 

OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum. 

LigandlipophilicityefficiencyBackground: Molecular indexes and metrics allow members of a drug discovery team to quickly 

prioritize one hit above another. 

Instructions: Read the passage below on another metric, ligand lipophilicity efficiency, by which hits 

may be prioritized.  Use the information on ligand lipophilicity efficiency to answer the questions 

that follow. 

Learning Goal: To learn another molecular index by which the quality of a hit can be gauged. 

A frequently encountered molecular index is ligand lipophilicity efficiency, or LLE.1  (Do not confuse 

LLE with LE, the visually similar but very different ligand efficiency.)  LLE is the difference between a 

drug's activity in the form of −log IC50 or −log Ki and a drug's lipophilicity in the form of log P.  A more 

highly positive value for LLE is more favorable. 

 

LLE acknowledges the reality that additional activity (a larger value for −log IC50.) is obtained by 

adding molecular weight and likely increasing lipophilicity (a larger value for log P).  According to 

Lipinski's rule, log P has a maximum value of 5.  Therefore, hits with a value for log P closer to 5 and 

only hit‐like activity have low values for LLE leave little room in terms of lipophilicity for growth of 

the molecule. LLE creates a direct relationship between activity and lipophilicity.  A more active 

molecule will have a larger, positive value for −log IC50. 

1. Edwards, M. P.; Price, D. A. Role of Physiochemical Properties and Ligand Lipophilicity Efficiency 

in Addressing Drug Safety Risks. Annu. Rep. Med. Chem. 2010, 45, 2615‐2623. 

Please complete the online exercise. 

OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum. 

10.5FilteringHitsPt3

OtherleadselectioncriteriavideoPlease watch the online video (7 minutes 59 seconds). 

A condensed summary of this video can be found in the Video summary page. 

Page 9: to Week 6 - courses.edx.org · Welcome to Week 6 Starting week six video Please watch the online video (52 seconds). OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum.

 

 

OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum. 

LeadsarebetterthanhitsBackground: Hits are often defined as compounds with moderate activity (Ki = 1 µM) against a 

target.  The most promising hits will be advanced as leads. 

Instructions: Read the passage below on how a hit is structurally modified and improved in activity 

during the lead selection process. 

Learning Goal: To make clear that a hit is typically tweaked and improved before it becomes a lead. 

Back in the 1970s, Saturday morning cartoons for children on ABC (a United States television 

network) were broadcast with occasional educational programming called Schoolhouse Rock.  The 

short Schoolhouse Rock cartoons taught about topics like grammar and history.  One particular 

cartoon was called I'm Just a Bill and followed a congressional bill through the long and winding 

approval process of becoming a federal law.  Only after significant modification and editing can a bill 

be approved.  At the close of the cartoon, the US President approves the bill.  The bill responds by 

shouting, "Oh yes!" 

A hit is very much like a congressional bill.  A hit merits investigation because it shows activity 

against a target, but that credential alone does not make the hit worthy of being a lead.  The hit is 

put through a battery of tests ‐ the filtering process that we discussed in sections 10.3, 10.4, and 

10.5 ‐ to make sure that only the most promising compounds are advanced as leads.  Once a lead, a 

molecule will require more and more resources from the pharmaceutical company. 

One aspect of lead discovery that we have not discussed is how the structure of a hit is explored 

during the lead discovery stage.  Chemists are not idle during this process, and simple structural 

modifications to the hit will be made to confirm that there is room for improving the binding of the 

molecule to its intended target.  The outcome of these modifications is a series of molecules very 

similar to the original hit.  It is likely one of these modified hits that will ultimately be advanced as 

the lead compound.  Therefore, it is common for a lead molecule to bind more strongly to the target 

than the original hit.  Leads will often have Ki values of 100 nM or even lower ‐ a marked 

improvement over the typical value of 1 µM of a hit. 

Just as a bill, if it becomes a law, is modified and crafted as it is marched through the approval 

process, so also a hit is incrementally improved as it is becoming judged to be a lead.  (Oh yes!) 

OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum. 

Page 10: to Week 6 - courses.edx.org · Welcome to Week 6 Starting week six video Please watch the online video (52 seconds). OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum.

 

 

10.6SelectiveOptimizationofSideActivities

SOSAvideoPlease watch the online video (6 minutes 41 seconds). 

A condensed summary of this video can be found in the Video summary page. 

OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum. 

Casestudy:viloxazineBackground: SOSA ‐ selective optimization of side activities ‐ is an alternative to traditional lead 

discovery techniques.  In SOSA, a compound that is intended to bind to one target is modified so 

that the compound instead binds to a different target. 

Instructions: Read the passage below about viloxazine, a drug that was discovered through the 

SOSA approach. 

Learning Goal: To gain exposure to another SOSA drug. 

Many treatments for high blood pressure have been developed.  β‐Blockers are a class of blood 

pressure medication developed in the 1960s and antagonize (block) β‐receptors, which play a role in 

regulating heart rate and blood vessel dilation.  Propranolol (1) is among the most frequently 

prescribed β‐blockers.  β‐Blockers also display sedative and anticonvulsant activity. 

 

In order to exploit the secondary sedative effects of β‐blockers, researchers modified the 

pharmacophore of β‐blockers (2) by forming a new ring (3) with the flexible side chain.  The 

rationale was that restricting the conformation of the molecule would enhance binding to secondary 

targets will minimizing binding to β‐receptors.  The formation of rings is a standard approach for 

controlling the conformation of a molecule.  The ultimate outcome of the research program was 

viloxazine (4), an antidepressant that blocks the uptake of certain neurotransmitters from synaptic 

junctions. 

 

Image credit: Pearson Education 

Page 11: to Week 6 - courses.edx.org · Welcome to Week 6 Starting week six video Please watch the online video (52 seconds). OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum.

 

 

Viloxazine is therefore an example of SOSA drug.  Viloxazine was designed by the modification of an 

existing compound.  The modification were specifically intended to improve side activities and 

diminish binding to the original target. 

OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum. 

SOSAandmolecularindexesBackground: SOSA is potentially excellent method for discovering leads by screening established 

drugs against new targets.  SOSA hits are typically safe and show good cell permeability. 

Instructions: Answer the questions below about how SOSA hits might fare when evaluated against 

the molecular indexes discussed in this chapter. 

Learning Goal: To apply the ideas of filtering hits to the active molecules identified in a SOSA based 

screen. 

Please complete the online exercise. 

OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum. 

10.7NaturalProducts

NaturalproductsvideoPlease watch the online video (6 minutes 50 seconds). 

A condensed summary of this video can be found in the Video summary page. 

OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum. 

MorenaturalproductsBackground: Natural products are an established source for hits, leads, and drugs in a drug 

discovery program. 

Instructions: Read the passage below on three drugs that were developed as a result of insights 

gained from related natural products. 

Learning Goal: To recognize the structural similarities between certain drugs and the natural 

products that resulted in their discovery. 

Page 12: to Week 6 - courses.edx.org · Welcome to Week 6 Starting week six video Please watch the online video (52 seconds). OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum.

 

 

atorvastatin 

The synthesis of cholesterol by the body requires conversion of 3‐hydroxy‐3‐methylglutaryl‐CoA (1, 

HMG‐CoA) to mevalonic acid (2) by HMG‐CoA reductase. This fact was known in the early 1970s. 

During the 1970s, scientists at several pharmaceutical companies investigated different fungi for 

compounds that might inhibit HMG‐CoA reductase and therefore shut down cholesterol 

biosynthesis. 

 

The first marketed compound from this search was lovastatin (3), which is found in oyster 

mushrooms. Once hydrolyzed in the body, the resulting acid (4) bears a clear resemblance to 

mevalonic acid (2) (see boxed part of molecule). Armed with the idea of attaching a non‐polar group 

to mevalonic acid as a lead compound (5), drug companies sought to develop synthetic versions of 

lovastatin. The first synthetic version was atorvastatin (6), which is better known as Lipitor. 

 

zidovudine 

Just as amino acids are linked together to make proteins, nucleosides are connected to make the 

biological molecules DNA and RNA.  The enzymes that make DNA or RNA are called nucleotide 

polymerases.  Nucleosides consist of two parts.  One part is a sugar, either ribose (7) or 2‐

Page 13: to Week 6 - courses.edx.org · Welcome to Week 6 Starting week six video Please watch the online video (52 seconds). OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum.

 

 

deoxyribose (8).  The other part is a nucleobase.  Nucleobases can vary in structure but consist of 

either a bicyclic purine core (9) or a monocyclic pyrimidine core (10).  Specific examples of 

nucleosides are shown below. 

 

Nucleosides play a vital role in certain diseases, including viral infections.  A cell infected by a virus is 

converted into a virus factory.  One thing the cell produces is the DNA or RNA required to make a 

new virus.  Naturally, to make viral DNA or RNA, a cell needs a steady supply of nucleosides.  A 

method for treating viral infections is to dose a patient with nucleoside analogues.  Nucleoside 

analogues are molecules that are similar enough to natural nucleosides to serve as a substrate for 

nucleotide polymerases but lack complete functionality to form active DNA or RNA.  The overall 

effect of nucleoside analogues is that they slow the rate of virus production by infected cells. 

The first nucleoside analogue developed to treat HIV infections was zidovidine (13).  Zidovudine very 

closely resembles the structure of 2'‐deoxythymidine (12), a naturally occurring nucleoside in the 

body.  Other antiviral nucleoside analogues include aciclovir (14) and telbivudine (15).  Nucleoside 

analogues walk a very fine line for their activity.  The compounds must resemble natural nucleosides 

closely enough to bind the active site of nucleotide polymerases.  The compounds must also be 

different enough not to engage in the chain elongation process of making DNA or RNA. 

 

Page 14: to Week 6 - courses.edx.org · Welcome to Week 6 Starting week six video Please watch the online video (52 seconds). OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum.

 

 

propranolol 

β‐adrenergic receptors affect a person's heart rate and vasoconstriction.  Epinephrine (16) is an 

endogenous ligand for the β‐adrenergic receptors.  When pharmaceuticals started researching β‐

adrenergic receptor antagonists as potential blood pressure therapies, epinephrine was a natural 

starting point. 

 

The first β‐adrenergic receptor antagonist, called a β‐blocker, was dichloroisoprenaline 

(17).  Dichloroisoprenaline was not sufficiently active in humans, but continued research in the field 

afforded propranolol (18), the first successful β‐blocker.  Both dichloroisoprenaline and propranolol 

have obvious structural similarities to epinephrine. 

 

OPTIONAL‐Please participate in the online discussion forum.