METODY OBLICZANIA LIPOFILOWOŚCI SUBSTANCJI

Chociaż wartości eksperymentalne logP znane są dla ponad 18 tysięcy związków organicznych [6], jest to niewielka część liczby wszystkich związków chemicznych. Co więcej, nie wszystkie dane są w pełni wiarygodne. Pojawiła się w związku z tym potrzeba opracowania metod obliczeniowych, pozwalających przewidywać wartości logP na podstawie budowy cząsteczki.

W latach 60. Iwasa, Fujita i Hansch [71] zauważyli, że różnica między współczynnikiem podziału benzenu (R-H) a pochodną fenylową z prostym pod­ stawnikiem X jest wartością stałą i charakterystyczną:

KX ~ l°§f(R-X) “ (12)

Założenie to jest analogiczne do koncepcji addytywności współczynników i?M(logA:), sformułowanej wcześniej przez Martina [72], Spostrzeżenie to zasu­ gerowało bardziej ogólną metodę przewidywania logP innych cząsteczek, tzn. l ° g f ( X - R - Y ) = l° g R (H —R-H) + 7tx + (1 3 ) gdzie X i Y są podstawnikami. Powstał w ten sposób zbiór stałych, które prze­ widują właściwości lipofilowe różnych podstawników. Wartość n dla atomu wo­ dom z definicji wynosi zero. Pewną wadą metody jest to, że nie bierze ona pod uwagę położenia podstawników względem siebie i ich ewentualnych interakcji (zresztą do pewnego stopnia dotyczy to wszystkich metod obliczeniowych). Al­ gorytm ten nadal uważa się za jedną z najlepszych metod przewidywania lipofi­ lowości w przypadku, gdy mamy grupę substancji różniących się tylko rodzaja­ mi podstawników, a znana jest wartość substancji logP niepodstawionej.

1070 K. JÓŻWIAK, H. SZUMIŁO, E. SOCZEWIŃSKI

Od momentu pojawienia się systemu stałych ^opracowano wiele różnorod­ nych algorytmów pozwalających na przewidywanie wartości logP substancji. Leo [73] w 1996 r. wyróżnił 21 takich metod obliczeniowych. Ze względu na podstawowe założenia, algorytmy te można podzielić na trzy grupy:

• metody oparte na fragmentach cząsteczek; • metody atomowe;

• metody oparte na modelowaniu właściwości całych cząsteczek.

Metody fragmentów w linii prostej wywodzą się z „idei it' Hanscha. Zgodnie z nią zrH = 0, co oczywiście nie jest prawdą, gdyż atom wodoru również ma swój wkład w całkowitą lipofilowość. Wprowadzono więc stałe opisujące wkład różnych fragmentów cząsteczki / zamiast wartości n. Zakłada się, że czą­ steczka składa się ze ściśle chemicznie określonych fragmentów (atomów lub grup atomów). Przy użyciu dużej bazy danych wartości / może zostać obliczony wkład poszczególnych fragmentów w całkowitą wartość logP cząsteczki. Zgodnie z algorytmem Hanscha i Leo [17, 74] logP oblicza się ze wzoru

logP = 5 X / « + Z bmFm, (14)

gdzie / oznacza stabelaryzowane stałe fragmentów n, a - ich liczebność, F - wprowadzone dodatkowo czynniki korekcyjne o charakterze m , b - częstość ich występowania. Wartości F uwzględniają dodatkowe czynniki mające wpływ na lipofilowość konkretnej substancji (np. stopień rozgałęzienia łańcucha alkilowe­ go czy - w przypadku fragmentów w bezpośredniej bliskości - ich wewnętrzne interakcje). Wartości/ w przypadku tej metody zostały wyznaczone poprzez ope­ racje na jak najprostszych substancjach (jest to tzw. podejście „konstrukcjoni- styczne” lub syntetyczne). Współczesny kompletny algorytm Hanscha i Leo jest bardzo skomplikowany i nie ma już możliwości manualnej jego obsługi; jest za to dostępny jako program komputerowy CLOGP [Biobyte Corporation, Clare- mont, Califomia, USA],

Inną metodę, tzw. redukcjonistyczną wyznaczenia stałych/zastosowali Rek- ker i wsp. [75], Wartości te zostały wyznaczone metodą regresji na podstawie analizy dużej ilości wiarygodnych danych eksperymentalnych, a wartość logP wyznacza się zgodnie ze wzorem

n m

log P = E ^ 7 i + Z ^ C M, (15)

;=1 i=1

gdzie pierwszy człon zawiera stałe fragmentacyjne Rekkera; w drugim członie pojawia się czynnik korekcyjny CM (tzw. „stała magiczna” równa aktualnie 0,219), k to częstość występowania tego czynnika. Również i ten algorytm ma swoją wersję komputerową pod nazwą PROLOGP [CompuDrug Chemistry, Bu- dapest, Hungary],

Metody atomowe rozkładają badaną cząsteczkę na poszczególne atomy, na­ stępnie dla każdego typu atomu należy znaleźć odpowiednią stałą, a ich zsumo­ wanie da wartość logP:

gdzie n -, oznacza liczbę atomów typu i, stałą atomową (wkład atomu w lipofi- lowość całej cząsteczki). Atom jednego pierwiastka w zależności od konfigura­ cji może mieć kilka różnych typów (wartości a). Opracowano wiele algorytmów atomowych, wśród nich najczęściej stosowany jest algorytm Ghose i wsp. [76, 77]; znalazł się on w kilku profesjonalnych programach komputerowych, m.in. w HyperChem i PROLOGP. Autorzy wprowadzili 120 wartości ah z czego aż 44 typy atomu węgla.

Metody oparte na strukturze całych cząsteczek można dalej podzielić na kilka rodzajów. Opracowano metody pozwalające obliczać kwantowo-mecha- nicznie energie solwatacji w fazie wodnej i fazie lipidowej, a następnie na ich podstawie szacowanie wartości logP [78, 79]. Do obliczeń lipofilowości wyko­ rzystuje się również fakt wspomnianej wcześniej dość wysokiej korelacji między logP a powierzchnią cząsteczki, przy czym wykorzystuje się generalnie trzy ich rodzaje: powierzchnię van der Waalsa, powierzchnię dostępną dla cząsteczek roz­ puszczalnika, powierzchnię kontaktu (istnieją odpowiednie algorytmy do ich obliczeń). Do obliczeń logP sporadycznie stosuje się również indeksy topolo­ giczne cząsteczek [6].

Należy również wspomnieć o możliwości wykorzystania modelu solwatacji Abrahama do przewidywania wartości logP [80, 81]:

logP = const + rR2 + sn2 + a c $ + b~Z f32 + vVx, (17)

gdzie R2 oznacza nadmiarową refrakcję molową, n2 - dipolamość/polaryzowal- ność substancji, £ cc2 i £ fi2 - odpowiednio kwasowość oraz zasadowość grup tworzących wiązania wodorowe, Vy - charakterystyczną objętość molową.

Generalnie metody obliczeniowe dosyć dobrze sprawdzają się w przypadku niezbyt wielkich i nieskomplikowanych cząsteczek; można wówczas prawidłowo przewidywać względną lipofilowość w grupach pochodnych o zbliżonej budowie. Niektóre algorytmy obliczeniowe zostały tak zaprojektowane, że znajdują zastoso­ wanie tylko do określonej grupy substancji (np. w stosunku do peptydów [82]). W przypadku substancji o złożonej strukturze obliczona lipofilowość może różnić się jednak znacznie od rzeczywistych wartości logP [73, 83]. Większość metod obliczeniowych zawodzi, gdy substancja występuje w różnych formach tautome- rycznych lub zawiera wewnętrzne wiązania wodorowe; niektóre metody są czułe na duże zmiany konformacji [73]. Ogólnie rzecz ujmując, można stwierdzić, że me­ tody obliczeniowe są przydatne i chętnie stosowane do wstępnego przewidywania lipofilowości, nie sąjednak w stanie nigdy całkowicie zastąpić ekspeiymentu [13],

PODSUMOWANIE

Chromatograficzne i komputerowe metody wyznaczania parametrów lipofi­ lowości związków organicznych stanowią znaczny postęp w chemii leków, umożliwiając ocenę wpływu tego istotnego parametru na aktywność biologiczną

1072 K. JÓŻWIAK, H. SZUMIŁO, E. SOCZEWIŃSKJ

oraz dostarczając informacji o molekularnym mechanizmie oddziaływań z recep­ torem biologicznym. Znajomość tych zależności pozwala na wytyczenie dróg optymalizacji struktury syntetycznych potencjalnych leków i innych substancji biologicznie czynnych, co powoduje zredukowanie liczby koniecznych syntez substancji aktywnych i w konsekwencji znaczne skraca czas i ogranicza koszty badań.

PIŚMIENNICTWO CYTOWANE

[1] IUPAC Recommendations 1996; ©1996 IUPAC.

[2] H. van de Waterbeemd, Pure Appl. Chem., 1997, 69, 1137.

[3] V. Pliśka, B. Testa, H. van de Waterbeemd, [w:] V. Pliśka, B. Testa, H. van de Waterbeemd (red.), Lipophilicity in Drug Action and Toxicology, VCH Inc., Weinheim 1996.

[4] K. Valkó, C. Bevan, D. Reynolds, Anal. Chem., 1997, 69. 2022. [5] R. Kaliszan. J. Chromatogr. B, 1998, 717, 125.

[6] J. Sangster, Octanol-Water Partition Coefficients: Fundamentals and Physical Chemistry, John Wiley & Sons, Chichester 1997.

[7] M.S. Tute, [w:] V. Pliśka, B. Testa, H. van de Waterbeemd (red.), Lipophilicity in Drug Action and Toxicology, VCH Inc., Weinheim 1996.

[8] R. Zahradnik, P. Hobza, [w:] V. Pliśka, B. Testa, H. van de Waterbeemd (red.), Lipophilicity in Drug Action and Toxicology, VCH Inc., Weinheim 1996.

[9] R Kaliszan, Quantitative Structure - Chromatographic Retention Relationships, Wiley Inter­ science, New York 1987.

[10] R. Kaliszan, Structure and Retention in Chromatography: A Chemometric Approach, Har­ wood Academic Publishers, Amsterdam 1997.

[11] C.G. Wermuth, [w:] C.G. Wermuth (red.), The Practice o f Medicinal Chemistry, Academic Press, London 1996.

[12] G.M. Meisenberg, W.H. Simmons, Principles o f Medical Biochemistiy, Mosby Inc., 1998. [13] T. Braumann, J. Chromatogr., 1986, 373, 191.

[14] R.A. Conradi, P.S. Burton, R.T. Borhardt, [w:] V. Pliśka. B. Testa, H. van de Waterbeemd (red.), Lipophilicity in Drug Action and Toxicology, VCH Inc., Weinheim 1996.

[15] M.-M. Hsieh, J.G. Dorsey, Anal. Chem., 1995, 67, 48.

[16] H. Kubinyi, QSAR: Hansch Analysis and Related Approaches, VCH Inc., Weinheim 1993. [17] C. Hansch, A.J. Leo, D. Hoekman, Exploring QSAR, ACS Professional Reference Book,

Washington, DC, 1995.

[18] C. Hansch, Acc. Chem. Res., 1993, 26, 147.

[19] A. Leo, C. Hansch, D. Elkins, Chem. Revs., 1971, 71, 525.

[20] D.E. Leahy, P.J. Taylor, A.R. Wait, Quant. Struct.-Act. Relat., 1989, 8, 17. [21] C.B.C. Boyce, B.V. Milborrow, Nature, 1965, 208, 537.

[22] E. Soczewiński, C.A. Wachtmeister, J. Chromatogr., 1962, 7, 311. [23] W. Kemula, H. Buchowski, Roczn. Chem., 1955, 29, 718.

[24] G.L. Biagi, A.M. Barbaro, A. Sapone, M. Recanatini, J. Chromatogr. A, 1994, 662, 341. [25] G.L. Biagi, A.M. Barbaro, A. Sapone, M. Recanatini, ibid., 1994, 669, 246.

[26] G.L. Biagi, A.M. Barbaro, M. Recanatini, ibid., 1994, 678, 127.

[27] G.L. Biagi, A.M. Barbaro, A. Sapone, P.A. Borea, K. Variani, M. Recanatini, ibid., 1996, 723, 135.

[28] M.S. Mirrless, S.J. Moulton, C.T. Murphy, P.J. Taylor, J. Med. Chem., 1976,19, 615. [29] R. Kaliszan, J. Chromatogr., 1981, 220, 71.

[30] H. van de Waterbeemd, M. Kansy, B. Wagner, H. Fisher, [w:] V. Pliśka. B. Testa. H. van de Waterbeemd (red.), Lipophilicity in Drug Action and Toxicology, VCH Inc., Weinheim 1996. [31] E. Soczewiński, M. Bieganowska, J. Chromatogr., 1969, 40, 431.

[32] C. Horvath, W. Melander. I. Molnar, ibid., 1976,125, 129.

[33] K. Jóźwiak, H. Szumilo, B. Senczyna. A. Niewiadomy, SAR QSAR Environ. Res., 1999.10. 509.

[34] D. Rhee, R Markovich, W.G. Chae, X. Qiu, C. Pidgeon. Anal. Chim. Acta. 1994. 297, 377. [35] S. Ong, H. Liu, X. Qiu, G. Bhat, C. Pidgeon, Anal. Chem., 1995, 67. 755.

[36] H. Liu, S. Ong, L. Glunz, C. Pidgeon, ibid., 1995, 67, 3550. [37] S. Ong, H. Liu, C. Pidgeon, J. Chromatogr. A, 1996, 728, 113.

[38] F. Barbato, M.I. La Rotonda, F. Quaglia, Eur. J. Med. Chem., 1996, 31,311. [39] F. Barbato, M.I. La Rotonda, F. Quaglia, J. Pharm. Sei., 1997, 8 6, 225. [40] R. Kaliszan, A. Nasal, A. Buciński, Eur. J. Med. Chem., 1994, 29, 163.

[41] A. Nasal, M. Sznitowska, A. Buciński, R. Kaliszan, J. Chromatogr. A. 1995. 692. 83. [42] E. Kępczyńska, J. Bojarski, P. Haber, R. Kaliszan, Biomed Chromatogr. 2000,14, 256. [43] K. Jóźwiak, H. Szumilo, B. Senczyna, Eur. J. Pharm. Sei., praca wysłana do druku. [44] J. Yin, H. Liu, C. Pidgeon, Bioorg. Med. Chem. Lett., 1998, 8, 179.

[45] M. Turowski, R. Kaliszan, J. Pharm. Biomed. Anal., 1997,15, 1325.

[46] M.A. Al-Haj. P. Haber, R. Kaliszan. B. Buszewski, M. Jezierska, Z. Chilmończvk, J. Pharm. Biomed. Anal., 1998, 18, 721.

[47] B. Buszewski, M. Jezierska, M. Welniak, R. Kaliszan. J. Chromatogr. A, 1999, 845. 433. [48] F. Beigi, P. Lundahl, J. Chromatogr. A, 1999, 852, 313.

[49] C. Altomare, R.-S. Tsai, N. el Tayar, B. Testa, A. Carotti, J. Pharm. Pharmacol., 1991,43, 191. [50] A. Berthod, C. Garcia-Alvarez-Coque, Micellar Liquid Chromatography, Marcel Dekker, Nev

York-Basel 2000.

[51] M. Molero-Monfort, Y. Martin-Biosca. S. Sagrado, R.M. Villanueva-Camanas, M.J. Medina- -Hemändez, J. Chromatogr. A, 2000, 870, 1.

[52] J. Kai, K. Nakamura, T. Masuda, I. Ueda, H. Fujiwara, J. Med. Chem., 1996. 39, 2621. [53] W. Szczepaniak, A. Szymański, J. Liq. Chrom. Rel. Technol., 2000, 23, 1217. [54] Y. Ishihama, Y. Oda, N. Asakawa, Anal. Chem., 1996, 6 8, 1028.

[55] P. Pollien, D. Roberts, J. Chromatogr. A, 1999, 864, 183.

[56] H. Fischer, R. Gottschlich, A. Seelig, J. Membrane Biol., 1998,165, 201. [57] L.R. Snyder, J.W. Dolan, J.R. Gant. J. Chromatogr. 1979,165, 3. [58] M.-M. Hsieh, J.G. Dorsey, J. Chromatogr. A, 1993, 631, 63. [59] T.C. Schunk, M.F. Burke, ibid., 1993, 656, 289.

[60] E. Soczewiński, Anal. Chem., 1969, 41, 179.

[61] M. Kuchar, E. Kraus, M. Jelinkovä, J. Chromatogr. A, 1991, 557, 399.

[62] K. Jóźwiak, H. Szumilo, B. Senczyna, A. Niewiadomy, Chromatographia, 2000, 52, 159. [63] K. Valko, P. Siegel, J. Chromatogr. A, 1993, 631, 46.

[64] K. Jóźwiak, praca doktorska, Akademia Medyczna w Lublinie, 2000. [65] P. Csókan. F. Darvas. F. Csizmadia, K. Valko, LC-GC Int., 1993, 6, 361.

[6 6] C.M. Du, K. Valko, C. Bevan, D. Reynolds, M.H. Abraham, Anal. Chem., 1998, 70,4228. [67] M.A. Quarry, R.L. Grob, L.R. Snyder, ibid., 1986, 58, 907.

[6 8] J.D. Krass, B. Jastorff, H.G. Genieser, ibid., 1997, 69, 2575. [69] P. Haber, praca doktorska. Akademia Medyczna w Gdańsku, 2000.

[70] K. Valko, C.M. Du, C.D. Bevan, D.P. Reynolds, M.H. Abraham, J. Pharm. Sei., 2000,89.1085. [71] J. Iwasa, T. Fujita, C. Hansch, J. Med. Chem., 1965, 8, 150.

[72] E. Soczewiński, [w:] Podstawy podziałowej i adsorpcyjnej chromatografii cieczowej, Wyd. PAN, Warszawa 1973.

[73] A.J. Leo, [w:] V. Pliska, B. Testa, H. van de Waterbeemd (red.), Lipophilicity in Drug Action and Toxicology, VCH Inc., Weinheim 1996.

1074 K. JÓŻWIAK, H. SZUMIŁO. E. SOCZEWIŃSK.I

[74] C. Hansch, A.J. Léo, Substituent Constants fo r Correlation Analysis in Chemistry• and Bio­ logy, Wiley Interscience, New York 1979.

[75] R.F. Rekker, R. Mannhold, Calculation o f Drag Lipophilicity. The Hydrophobie Fragmentai Constant Approach. VCH Inc., Weinheim 1992.

[76] A.K. Ghose, A. Pritchett, G.M. Crippen, J. Comptât. Chem., 1988, 9, 80.

[77] A.K. Ghose, G.N. Revankar, R.K. Robins, J. Chem. Inf. Comput. Sri., 1989, 29, 163. [78] H.-D. Hôltje, G. Folkers, Molecular Modeling: Basic Principles and Applications, VCH Inc.,

Weinheim 1996.

[79] G.E. Kellogg, D.J. Abraham, Eur. J. Med. Chem., 2000, 35, 651.

[80] M.H. Abraham, H.S. Chadra, A.J. Leo, J. Chromatogr. A, 1994, 685, 203.

[81] M.H. Abraham, H.S. Chadra, [w:] V. Pliska, B. Testa, H. van de Waterbeemd (red.), Lipophi­ licity in Drug Action and Toxicology, VCH Inc., Weinheim 1996.

[82] Expert Protein Analysis System, Modul ProtScale, www.expasy.ch/tool/. [83] D. Matosiuk, K. Jôzwiak, J. Planar Chromatogr., 2000, 13, 52.

chemiczne pl issn 0043-5104

WYKORZYSTANIE HPLC