AMPA-receptorer - et mål for lægemidler mod Alzheimers sygdom
En gruppe receptorer for hjernens vigtigste stimulerende signalstof, AMPA-receptorerne, spiller en fundamental rolle for evnen til indlæring og hukommelse samt for bl.a. Alzheimers sygdom. Derfor må man selektivt kunne regulere signalstoffets aktivering af disse receptorer.
Af Frank A. Sløk, Ulf Madsen og Povl Krogsgaard-Larsen
Fra Lægemiddelforskning 1999
Opfattelsen af hjernen som en sort kasse, hvor forskellige input kan bearbejdes på mere eller mindre forudsigelig vis, hører fortiden til. I dag har man en langt mere nuanceret opfattelse af det uhyre komplekse samspil mellem hjernens 100 milliarder nerveceller.
Denne indsigt er et resultat af halvtreds års forskning. Det er bl.a. blevet klart, at signaloverførslen mellem nerveceller sker via signalstoffer, der udløser en nerveimpuls ved at binde sig til receptorproteiner på celleoverfladen.
Det vigtigste stimulerende signalstof i hjernen er glutaminsyre. Hvis der opstår ubalance i glutaminsyresystemet, hvorved der frigives for store mængder af signalstoffet, sker der en overstimulering af nervecellerne, som fører til henfald og celledød. Denne fremadskridende proces har stor betydning for udviklingen af visse sygdomme i centralnervesystemet, fordi henfaldet af nerveceller kan føre til f.eks. Alzheimers sygdom eller Huntington's chorea.
Indlæring og hukommelse
Op gennem 1970'erne viste farmakologiske undersøgelser med en række naturstoffer, at der findes flere forskellige typer af receptorer, som aktiveres af glutaminsyre, som derigennem udøver sin stimulerende effekt.
Derfor inddeler man i dag glutaminsyre-receptorerne i undergrupper, hvor bl.a. AMPA-receptorerne spiller en helt central rolle, fordi disse receptorer synes at have en fundamental betydning for evnen til indlæring og hukommelse. Ønsker man at modvirke en fremadskridende senilitet, er det af stor betydning, at man selektivt kan regulere funktionen af AMPA-receptorerne.
Siden den neuromedicinalkemiske gruppe på Danmarks Farmaceutiske Højskole i begyndelsen af 1980'erne syntetiserede AMPA ved at modificere strukturen af stoffet ibotensyre fra rød fluesvamp og derigennem definerede eksistensen af AMPA-receptorerne, har der frem til i dag været en intensiv forskning i udvikling af nye stoffer, som ligner AMPA.
Udviklingsarbejdet har primært bestået i design og syntese af AMPA-analoger, der kan belyse sammenhængen mellem molekylernes struktur og deres biologiske aktivitet. Nogle af de principper, som anvendes, er f.eks. at syntetisere nye stoffer, hvor afstanden mellem de funktionelle grupper i molekylet varieres på systematisk vis, hvor der indføres nye kemiske grupper med andre egenskaber, eller hvor stoffets struktur fastlåses i en bestemt konformation. Her igennem opnår man indsigt i, hvilke kriterier, der stilles til stoffer, som henholdsvis kan aktivere eller blokere receptoren.
- Øverst til venstre ses strukturen af glutaminsyre, som er hjernens vigtigste stimulerende signalstof. Naturstofferne Quis, Ibotensyre og Kainsyre blev oprindeligt anvendt som modelstoffer for design og syntese af nye forbindelser. Gennem 80´erne har det primært været AMPA, som har fungeret som modelstof, mens det i dag hovedsagelig er ACPA og AMOA, der danner grundlaget for design af nye stoffer.
Aktivering og blokering
Gennem 1980'erne og 1990'erne har vi fremstillet en række modificerede analoger af AMPA, og her indtager ACPA, AMOA og ATOA særstillinger ud fra sammenhængen mellem deres struktur og deres biologiske aktivitet.
Strukturændringen i ACPA er baseret på udskiftning af en kemisk gruppe med en anden, hvorved man opnår at forlænge afstanden mellem de funktionelle grupper. Afstandsforøgelsen har vist sig at føre til et mere potent stof med hensyn til aktivering af AMPA-receptoren.
Imodsætning til ACPA blokerer AMOA- og ATOA-receptorerne. Her er der i realiteten tale om en yderligere forlængelse af afstanden mellem de funktionelle grupper. Forbindelsen ATOA er yderligere modificeret ved udskiftning af en funktionel gruppe i molekylets centrale ringstruktur. Denne ændring fører til, at ATOA virker kraftigere end AMOA med hensyn til at blokere AMPA-receptorerne.
Med udgangspunkt i henholdsvis ACPA- og AMOA-strukturerne, har vi gennem syntese af en række nye analoger forsøgt at belyse, hvilke strukturelle forhold, der er afgørende for at opnå henholdsvis en aktiverende og en blokerende effekt. Der er primært anvendt to modifikationsformer, den ene er en ændring af afstanden mellem de funktionelle grupper, mens den anden går ud på at ændre orienteringen af den centrale ringstruktur i molekylet.
Af de nye stoffer blokerer forbindelsen ACMP AMPAreceptorerne, og stoffet er 4-5 gange mere potent end AMOA, mens ACTP har en lavere aktivitet end både ACMP og ATOA. Resten af de nye forbindelser var inaktive overfor AMPA-receptorerne.
- Skemaet viser syntesen af henholdsvis ACMP og ACTP. Molekylet opbygges gradvist gennem en række transformationer, hvor delfragmenter sammensættes til det endelige stof. Den rumlige struktur af ACMP og ACTP illustrerer størrelsesforskellen mellem en methylgruppe og en tertiær butylgruppe i isoxazolens 5-position.
Strukturelle krav til stofferne
De designede stoffer har vist, at orienteringen af den centrale ringstruktur har en central betydning for stoffets aktivitet. Afstanden mellem især to grupper, α-aminosyrefunktionen og carboxylsyren, er afgørende for, om stofferne er aktiverende, blokerende eller inaktive.
Forsøgene har vist, at der ikke findes en simpel sammenhæng mellem struktur og aktivitet. Derfor kan man ikke på enkel vis forudsige aktiviteten af et stof, hvor man har indbygget strukturelementer fra flere forskellige stoffer, selv om hvert enkelt strukturelement i princippet burde føre til stigende aktivitet.
Vi forsøger nu at finde en sammenhæng mellem de enkelte strukturelementers betydning for aktiviteten, ved at designe nye stoffer, hvor carboxylsyresidekæden i ACMP og ACTP er tvunget ind i en bestemt konformation.
- Figuren viser seks nye stoffer, der er designet med udgangspunkt i strukturerne af ACPA og AMOA. Forbindelserne 1-3 er alle uden effekt på AMPA-receptorerne. 1 er en modificeret form af ACPA, hvor orienteringen af isoxazolringen er ændret. 2 og 3 har fået modificeret afstanden mellem -aminosyrefunktionen og den terminale carboxylsyregruppe. I forbindelsen 4 er afstanden mellem carboxylsyregruppen og isoxazolringen ændret ved at indføre en methylengruppe i ACPA-strukturen. Carboxylsyregruppen befinder sig i en mellemafstand mellem den aktiverende struktur (ACPA) og den blokerende struktur (AMOA). Denne forbindelse er også inaktiv overfor AMPAreceptorerne. Inaktiviteten indebærer, at der er et dødt afstandsområde mellem de to grupper, hvor forbindelserne ikke kan binde sig til receptorerne. 5 (ACMP) minder strukturelt om AMOA, men har fået udskiftet iltatomet i isoxazolringens 3. position med en methylengruppe. ACPM er 4-5 gange mere potent end AMOA med hensyn til at blokere AMPA-receptorerne. I 6 (ACTP) er både iltatomet og methylgruppen udskiftet med henholdsvis en methylen-gruppe og en tertiær butylgruppe. ATCP stimulerer AMPA-receptorerne, men ikke nær så kraftigt som ACMP og ATOA.
