An integrated approach for physico-chemical profiling in drug discovery

Abstract

Negli ultimi vent’anni le piccole molecole sviluppate come nuovi farmaci hanno mostrato una complessità chimica crescente in confronto a quelle ottimizzate prima del 2000. Un esempio di questa tendenza è offerto dagli anfoliti, la cui caratterizzazione chimica e biologica è complessa. In tale contesto, lo scopo di questa tesi di dottorato è la definizione di un flusso di lavoro per la caratterizzazione delle proprietà chimico-fisiche di nuovi candidati molecolari allo stadio di ricerca o di primo sviluppo. L’approccio sperimentale include l’analisi di costanti di ionizzazione (pKa) lipofilia (log P or log D7.4) e solubilità ed è finalizzato alla caratterizzazione di composti disponibili allo stato solido (i.e. polveri). Tuttavia, sono inclusi saggi rapidi per l’analisi preliminare di candidati molecolari esclusivamente accessibili come soluzioni in dimetilsolfossido. Prima di essere applicate a nuove entità chimiche, le tecniche sperimentali sono state valutate su composti commerciali, così da definirne applicabilità, vantaggi e limiti. L’ approccio definito per la caratterizzazione chimico-fisica si è dimostrato utile alle esigenze pratiche di un dipartimento di ricerca pre-clinica, restituendo dati funzionali alle prime fasi di sviluppo (e.g. indicazioni di massima per le condizioni di salificazione e di ottimizzazione della forma solida del principio attivo). In aggiunta i risultati sperimentali di questo lavoro saranno inclusi nel set di calibrazione di software ad uso interno per la predizione di proprietà molecolari (pKas, lipofilia) e per la correlazione di dati in-vitro-in-vivo (solubilità). Di fatto tale strategia è la chiave per sviluppare sistemi di calcolo esperti, ragione per cui la determinazione sperimentale di proprietà chimico-fisiche è un’esigenza ancora attuale nella ricerca farmaceutica.

In the last 20 years, small molecules developed as potential new drugs have shown an increasing chemical complexity in comparison to compounds optimized before the year 2000. Current research trend is well exemplified by ampholytes, for which molecular and biological characterisation is anything but trivial. In this context, the aim of the present Ph.D. thesis was to outline an in-house integrated work-flow for physico-chemical profiling of new drug candidates at discovery and early development stage. Screening included ionization constants (pKas), lipophilicity (log P or log D7.4) and solubility. This approach was expected to be applied to new chemical entities freely accessible in solid form as well as to include medium/high-throughput preliminary assays suitable for those candidates that were exclusively available as DMSO stock solutions. Before transferring the techniques to actual drug candidates, those were tested on commercially available standards to evaluate their feasibility, advantages and drawbacks. This in-house screening of physico-chemical properties provided reliable data for pre-development (e.g. guidelines for salt screening and solid form optimization). Moreover, experimental results from the present work will be included in the calibrating set of programs for in-house prediction of molecular properties (pKas, lipophilicity) and for in-vitro-in-vivo correlation (solubility). In fact, inclusion of discovery compounds is the key to develop expert systems and that is why experimental assays for measuring physico-chemical parameters are still warranted.