Ateneo - UPO

L'insegnamento affronta il farmaco come oggetto chimico: come la struttura molecolare ne determina le proprietà, il riconoscimento del bersaglio e il destino metabolico, e quali modifiche strutturali il chimico farmaceutico può introdurre per migliorarne il profilo. Il modulo comprende 40 ore di lezione e 24 ore di laboratorio di molecular modeling in aula informatica, nelle quali le studentesse e gli studenti applicano i concetti a una serie reale di composti, dalla ricerca nelle banche dati pubbliche all'interpretazione strutturale dei dati di attività.

Testi consigliati (uno a scelta come testo di base):
- Chimica farmaceutica (seconda edizione), A. Gasco, F. Gualtieri, C. Melchiorre, 2020. ISBN 978-8808420268
- Principi di chimica farmaceutica (settima edizione), W. O. Foye, T. L. Lemke, S. W. Zito, V. F. Roche et al., 2021. ISBN 978-8829931538
- An Introduction to Medicinal Chemistry (seventh edition), G. Patrick, 2023. ISBN 978-0198866664
- Chimica Farmaceutica (prima edizione), G. Costantino, G. Sbardella, 2024. ISBN 978-8836231522

Materiale didattico fornito dal docente e disponibile sulla piattaforma D.I.R. (http://www.dir.uniupo.it): diapositive delle lezioni, tracce degli esercizi con soluzioni commentate, guide operative e file di lavoro delle sessioni di laboratorio, articoli della letteratura primaria relativi ai casi di studio.

Indicazioni per la preparazione delle prove d'esame: per la prova scritta sono adeguati il testo di base scelto e le diapositive delle lezioni; per la relazione di laboratorio e la relativa discussione sono indispensabili le guide operative, i file di lavoro e gli articoli indicati per il caso assegnato.

L'insegnamento concorre agli obiettivi formativi del Corso di Laurea in Biotecnologie, percorso biotecnologico chimico-farmaceutico, fornendo le competenze chimico-farmaceutiche necessarie per comprendere il processo di ricerca e sviluppo di un farmaco e per contribuirvi all'interno di un gruppo multidisciplinare.

Articolazione dei CFU per tipologia di didattica (7 CFU, 175 ore complessive):
- didattica erogativa (DE): 32 ore di lezione frontale in presenza;
- didattica interattiva (DI): 32 ore, di cui 8 di esercitazione guidata e discussione in aula e 24 di laboratorio in aula informatica, con lavoro individuale e in piccoli gruppi;
- autoapprendimento: 111 ore, comprensive dello studio individuale, della consultazione dei materiali su D.I.R. e dell'elaborazione della relazione di laboratorio.

Obiettivi specifici. Al termine dell'insegnamento le studentesse e gli studenti sono in grado di:
1. ricondurre il comportamento di una molecola di interesse farmaceutico (stato di ionizzazione, lipofilia, riconoscimento del bersaglio, stabilità metabolica) alle sue caratteristiche strutturali;
2. proporre e motivare modifiche strutturali orientate a un obiettivo dichiarato — aumentare la potenza, la selettività, la stabilità metabolica o la solubilità — utilizzando il repertorio della bioisosteria e delle strategie di drug design;
3. costruire e interpretare una serie struttura-attività a partire da dati reperiti in banche dati pubbliche, valutandone la qualità e la confrontabilità;
4. utilizzare autonomamente gli strumenti computazionali di base della chimica farmaceutica (banche dati chimiche e strutturali, calcolo di descrittori e predizione ADMET, analisi conformazionale, analisi di un complesso ligando-proteina, docking guidato) e discuterne i limiti;
5. documentare e discutere in forma di relazione tecnica breve un'analisi condotta su un caso reale, in modo che altri possano riprodurla.

Non sono previste propedeuticità formali. Per seguire proficuamente l'insegnamento è necessario possedere le seguenti conoscenze, acquisite negli insegnamenti dei primi due anni del Corso di Laurea:
- chimica organica: riconoscimento e reattività dei principali gruppi funzionali; stereochimica (configurazione assoluta, chiralità, isomeria conformazionale); acidità e basicità dei composti organici; meccanismi di reazione elementari (sostituzione nucleofila, addizione, idrolisi, ossidoriduzione);
- chimica generale: equilibri acido-base, pH e pKa, interazioni intermolecolari, nozioni elementari di termodinamica (energia libera, entalpia, entropia);
- biochimica e biologia molecolare: struttura di amminoacidi, proteine e acidi nucleici; principi generali della catalisi enzimatica; organizzazione della membrana cellulare.

Non è richiesta alcuna competenza informatica pregressa oltre all'uso corrente di un personal computer: i programmi impiegati nel laboratorio sono introdotti a partire dalle operazioni elementari.

L'insegnamento si articola in 40 ore di lezione e 24 ore di laboratorio in aula informatica, con postazione individuale.

Le lezioni si svolgono in blocchi di quattro ore, costituiti da due moduli di due ore separati da una pausa. Il primo modulo introduce il quadro concettuale con il supporto di diapositive, rese disponibili su D.I.R. prima della lezione; il secondo lo applica a molecole reali mediante esercizi guidati svolti in aula e discussi collettivamente, così da esercitare l'analisi strutturale e la formulazione di ipotesi di modifica. Questa alternanza è la modalità con cui si perseguono i risultati di apprendimento relativi alla capacità di applicare le conoscenze e all'autonomia di giudizio.

Il laboratorio segue un unico caso di studio, che ciascuno sviluppa individualmente a partire da una serie di composti assegnata: ogni sessione produce un elaborato parziale che confluisce nella relazione finale. Le sessioni sono condotte con una breve dimostrazione iniziale seguita da lavoro autonomo assistito, e si concludono con il confronto dei risultati ottenuti dai diversi gruppi. Il laboratorio è lo strumento con cui si perseguono i risultati di apprendimento relativi all'uso degli strumenti computazionali, all'autonomia di giudizio e alle abilità comunicative.

Sulla piattaforma D.I.R. (http://www.dir.uniupo.it) sono disponibili le diapositive, le guide operative e i file di lavoro del laboratorio, le tracce degli esercizi con soluzioni commentate e un forum di discussione moderato dal docente.

Le studentesse e gli studenti che non possono frequentare trovano su D.I.R. tutto il materiale necessario, comprese le istruzioni per riprodurre autonomamente le sessioni di laboratorio su postazione personale, e possono concordare con il docente momenti di ricevimento dedicati alla verifica dell'avanzamento del proprio elaborato.

Per ulteriori informazioni si prega di consultare la pagina dell'insegnamento su D.I.R. all'indirizzo http://www.dir.uniupo.it

Il presente modulo fa parte dell'attività formativa integrata MS1851 - Progettazione del farmaco. La valutazione è unica e collegiale; si rimanda alla scheda dell'insegnamento integrato per le modalità complessive.

I programmi dei laboratori si svolgono su postazioni dell'aula informatica con software liberamente accessibile anche da postazione personale, in modo che ogni attività sia ripetibile al di fuori dell'orario di lezione.

Le studentesse e gli studenti con disabilità o con Disturbi Specifici dell'Apprendimento (DSA) o con Bisogni Educativi Speciali (BES) possono richiedere servizi e strumenti specifici a loro dedicati rivolgendosi allo Staff Sviluppo e Coordinamento Carriere e Servizi alle Studentesse e agli Studenti e consultando la pagina dedicata del sito di Ateneo: https://uniupo.it/it/servizi/servizi-studentesse-e-studenti-condizione-di-disabilit%C3%A0-e-dsa
Le studentesse e gli studenti con disabilità, DSA, BES, una volta preso contatto con lo Staff di Ateneo, possono contattare la/il docente titolare dell'insegnamento in relazione alla declinazione delle modalità di esame e in merito agli aspetti didattici.

Il modulo appartiene all'attività formativa integrata MS1851: la votazione finale è unica ed è attribuita collegialmente dalla commissione nella stessa seduta, considerando congiuntamente gli elementi di valutazione di tutti i moduli, senza media di voti attribuiti separatamente. Per la parte di competenza di questo modulo la verifica si compone di due prove, entrambe obbligatorie e non selettive l'una rispetto all'altra.

Prova 1 - test al computer (45 minuti, 30 quesiti a risposta multipla con quattro alternative). Verifica la conoscenza dei contenuti e la capacità di applicarli a molecole non discusse a lezione: riconoscimento di gruppi funzionali, centri acidi, basici e stereogenici, previsione dello stato di ionizzazione, individuazione di soft spot metabolici e di interazioni intermolecolari plausibili, scelta di una modifica bioisosterica motivata. Ogni risposta corretta vale 1 punto; le risposte errate e quelle omesse valgono 0 punti e non comportano penalizzazione.

Prova 2 - relazione di laboratorio e discussione. Relazione individuale di 3-5 pagine sul caso assegnato, consegnata il giorno dell'appello, seguita da una discussione di circa 10 minuti. Verifica la capacità di applicare gli strumenti computazionali, l'autonomia di giudizio nella valutazione della qualità dei dati e dei limiti dei metodi, e l'abilità comunicativa.

Corrispondenza fra livello raggiunto e fasce di voto:
- 18-20: riconosce correttamente le caratteristiche strutturali di una molecola ed esegue le procedure di laboratorio seguendo le istruzioni; espone in modo essenziale ma corretto.
- 21-23: collega struttura e proprietà con proprietà di linguaggio; interpreta i risultati ottenuti riconoscendone i limiti principali.
- 24-26: propone modifiche strutturali motivate e coerenti con un obiettivo dichiarato; valuta criticamente la qualità dei dati raccolti.
- 27-29: integra autonomamente concetti trattati in sezioni diverse del programma e discute i limiti dei metodi computazionali impiegati con argomentazioni proprie.
- 30 e 30 e lode: affronta in modo autonomo un problema non discusso a lezione, formula un'ipotesi progettuale originale e ne argomenta i punti deboli, esponendo in modo rigoroso e sintetico.

Il livello minimo di sufficienza richiede il superamento di entrambe le prove.

PARTE A - LEZIONI (40 ore)

Sezione 1 - Il farmaco come oggetto chimico (4 ore). Identità e metodo della chimica farmaceutica; il percorso hit-lead-candidato e il ruolo del chimico al suo interno. Anatomia chimica di una molecola di farmaco: scaffold, decorazione, linker; riconoscimento dei gruppi funzionali; centri acidi e basici; centri stereogenici.

Sezione 2 - Proprietà chimico-fisiche e drug-likeness (4 ore). pKa e stato di ionizzazione ai pH fisiologici; lipofilia (logP, logD) e coefficiente di ripartizione; solubilità come proprietà molecolare; superficie polare topologica, donatori e accettori di legame idrogeno, frazione sp3, legami rotabili. Regole empiriche di drug-likeness (Lipinski, Veber) e loro limiti; progettazione guidata dalle proprietà; efficienza di legame ed efficienza lipofilica.

Sezione 3 - Il riconoscimento molecolare (4 ore). Legame idrogeno, legame alogeno, interazioni ioniche e ione-dipolo, catione-pi greco e pi greco-pi greco, forze di van der Waals, effetto idrofobico; ruolo dell'acqua e costo di desolvatazione. Contributi entalpici ed entropici all'energia libera di legame; preorganizzazione e costo conformazionale. Stereochimica del riconoscimento: modello del contatto a tre punti, eutomero e distomero, rapporto eudismico, chiral switch.

Sezione 4 - Il bersaglio in chiave chimica (4 ore). Tipologie di sito di legame: ortosterico, allosterico, interfacce proteina-proteina, siti covalenti, tasche criptiche. Chimica del sito: residui disponibili, metalli, acque strutturate; druggability. Conseguenze progettuali: inibitori competitivi, covalenti reversibili e irreversibili (chimica delle warhead), analoghi dello stato di transizione, chelanti; basi chimiche della selettività fra bersagli omologhi.

Sezione 5 - Relazioni struttura-attività e strategie di modifica (4 ore). Costruzione e lettura di una serie; matched molecular pairs; activity cliff; confrontabilità dei dati di potenza. Identificazione e uso del farmacoforo. Isosteria e bioisosteria classica e non classica. Repertorio delle modifiche strutturali: estensione, omologia, vinilogia, benzologia, espansione e contrazione d'anello, variazione e fusione di anelli, semplificazione, irrigidimento, bloccanti conformazionali, twin drug e ibridi.

Sezione 6 - Il destino metabolico come reattività chimica (4 ore). Trasformazioni di fase I e di fase II lette come chimica dei gruppi funzionali; individuazione dei soft spot metabolici a partire dalla struttura. Strategie chimiche per modularli: fluorurazione, effetto isotopico del deuterio, irrigidimento, rimozione o mascheramento di gruppi labili. Metaboliti reattivi e structural alert; composti interferenti nei saggi. Prodrug e mutue prodrug come chimica del linker e della riattivazione.

Sezione 7 - Individuazione del punto di partenza (4 ore). Spazio chimico e librerie di composti; screening ad alto rendimento e suoi artefatti chimici; librerie codificate da DNA. Approccio per frammenti: efficienza di legame, growing, linking, merging. Altri punti di partenza: ligando endogeno, me-too, approccio SOSA, riposizionamento, prodotto naturale come scaffold di partenza.

Sezione 8 - Da hit a candidato (4 ore). Ottimizzazione multiparametrica e compromesso fra potenza, selettività, proprietà e sintetizzabilità. Progettazione dell'analogo in funzione della via sintetica. Cenni di brevettabilità di una serie e conseguenze sul disegno.

Sezione 9 - Casi di studio integrati (4 ore). Ricostruzione di tre storie reali scelte per rileggere parti diverse del programma: un caso structure-based classico, un caso di selettività, un caso non convenzionale. Lettura critica della letteratura primaria.

Sezione 10 - Oltre la piccola molecola (4 ore). Chimica delle nuove modalità terapeutiche: peptidi e peptidomimetici (N-metilazione, stapling, macrociclizzazione, amminoacidi non naturali); coniugati anticorpo-farmaco (chimica del linker, siti di coniugazione, payload); degradatori e molecular glue; oligonucleotidi terapeutici (modifiche del backbone e dello zucchero, coniugazione).

PARTE B - LABORATORIO DI MOLECULAR MODELING (24 ore, aula informatica)
Le sei sessioni seguono un unico caso di studio, dalla serie di composti assegnata fino all'interpretazione strutturale.

L1 - La struttura chimica come dato (4 ore). Disegno ed editing di strutture; SMILES, SMARTS, InChI; formati di file e perdite di informazione nelle conversioni; generazione delle coordinate tridimensionali; stereochimica, tautomeri e stati di protonazione.

L2 - Banche dati e costruzione di una serie (4 ore). Ricerca in PubChem, ChEMBL, DrugBank, BindingDB; ricerca per sottostruttura e per similarità, fingerprint e coefficiente di Tanimoto; estrazione e curazione di una serie struttura-attività: unità di misura, confrontabilità dei saggi, duplicati, dati anomali.

L3 - Proprietà e drug-likeness in silico (4 ore). Calcolo di descrittori e profilazione della serie; predizione ADMET con strumenti liberamente accessibili; efficienza di legame e lipofilica calcolate sulla serie; dominio di applicabilità e limiti dei predittori.

L4 - Il tridimensionale del ligando (4 ore). Minimizzazione e analisi conformazionale con campo di forza; conformero bioattivo e penalità conformazionale; allineamento e sovrapposizione di analoghi; costruzione e uso di un farmacoforo tridimensionale.

L5 - La struttura del bersaglio e le sue interazioni (4 ore). Protein Data Bank: ricerca, anatomia del file, qualità del modello (risoluzione, fattore B, occupanze, porzioni non modellate); preparazione della struttura; analisi delle interazioni in un complesso cristallografico e confronto con la serie struttura-attività.

L6 - Docking guidato e chiusura del progetto (4 ore). Redocking del ligando cristallografico e valutazione mediante RMSD; docking della serie; confronto fra punteggio e attività sperimentale e discussione critica dei limiti; stesura della relazione.

INTEGRAZIONE DELLA DIMENSIONE DI GENERE
Nelle Sezioni 2, 6 e 9 sono dedicate complessivamente circa due ore ai determinanti chimici delle differenze di risposta ai farmaci fra i sessi: effetto della composizione corporea sulla distribuzione dei composti lipofili, differenze di espressione degli enzimi metabolizzanti e loro conseguenze sulla progettazione di analoghi, rischio di prolungamento dell'intervallo QT e affinità per il canale hERG, teratogenicità e ruolo della stereochimica. Si discute inoltre la sotto-rappresentazione dei soggetti e dei modelli animali di sesso femminile negli studi preclinici e clinici e le sue conseguenze sulla qualità dei dati di attività e sicurezza reperibili nelle banche dati utilizzate in laboratorio. Nella Sezione 9 un caso di studio è dedicato al contributo di Gertrude Elion alla nascita del drug design razionale.

Conoscenza e comprensione. Le studentesse e gli studenti conoscono: le proprietà chimico-fisiche che determinano il comportamento di una molecola di farmaco e i descrittori che le quantificano; la natura e la geometria delle interazioni ligando-bersaglio; la chimica dei siti di legame e le corrispondenti strategie di inibizione; il repertorio della bioisosteria e delle modifiche strutturali; le trasformazioni metaboliche lette come reattività di gruppi funzionali; i criteri di scelta di un punto di partenza e la logica dell'ottimizzazione multiparametrica; i principi di funzionamento degli strumenti computazionali impiegati in laboratorio.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione. Sanno: prevedere stato di ionizzazione, lipofilia e soft spot metabolici a partire da una struttura non discussa a lezione; proporre modifiche strutturali motivate rispetto a un obiettivo dichiarato; estrarre e curare una serie struttura-attività da banche dati pubbliche; calcolare e interpretare descrittori e previsioni ADMET; analizzare un complesso ligando-proteina e le sue interazioni; eseguire un docking guidato e valutarne l'esito.

Autonomia di giudizio. Sanno valutare la qualità e la confrontabilità di dati di attività reperiti in banche dati, la qualità di una struttura sperimentale e l'attendibilità di una previsione computazionale, riconoscendo quando un risultato non è utilizzabile; sanno individuare i limiti delle proprie conclusioni.

Abilità comunicative. Sanno redigere una relazione tecnica breve, con terminologia appropriata anche in lingua inglese, e discuterne oralmente contenuti e limiti; sanno rappresentare una struttura e le sue interazioni in modo leggibile.

Capacità di apprendimento. Sanno leggere un articolo di chimica farmaceutica individuandone la logica progettuale, e imparare autonomamente l'uso di uno strumento computazionale a partire dalla documentazione disponibile.

Livello minimo di sufficienza: riconoscere le caratteristiche strutturali di una molecola e le principali interazioni con il bersaglio, eseguire le procedure di laboratorio seguendo le istruzioni fornite, esporre i risultati in modo essenziale ma corretto. Livello avanzato: impostare autonomamente l'analisi di un caso non trattato a lezione, proporre e argomentare un'ipotesi di modifica strutturale, discuterne criticamente i limiti e collegare fra loro contenuti di sezioni diverse del programma.