Computeren kan forudsige lægemidlers omdannelse
Mange lægemidler omdannes og nedbrydes i bl.a. leveren af cytochrome P450-enzymer. Computerbaserede studier af enzymernes tredimensionelle strukturer kan lede til en bedre forståelse af lægemidlers skæbne i organismen.
Af Lars Olsen, Rikke Bergmann og Flemming Steen Jørgensen.
Fra Lægemiddelforskning 2004
Mange lægemidler nedbrydes - metaboliseres - i leveren af en familie af enzymer, der kaldes cytochrome P450 (CYP). Omdannelsen er en del af en proces, der har til formål at uskadeliggøre fremmede stoffer i kroppen ved at gøre dem mere vandopløselige, så de bedre kan udskilles med urinen.
Processen kan være problematisk for lægemiddelstoffer, fordi de risikerer at blive omdannet, inden de når frem til virkningsstedet i kroppen. I enkelte tilfælde er omdannelsesproduktet farmakologisk virksomt, men i mange tilfælde er det inaktivt, og i værste fald er omdannelsesproduktet giftigt. F.eks. er et af CYP-enzymerne ansvarlig for, at det smertestillende lægemiddelstof paracetamol omdannes til en giftig forbindelse i leveren. Omvendt sørger et andet CYP-enzym for, at lægemidlet codein delvist omdannes til morphin, som er det egentlig virksomme stof. Derfor er det utrolig vigtigt at vide, hvordan CYP-enzymerne omdanner lægemiddelstoffer.
3D-strukturer
Kendskab til 3D-strukturen af CYP-enzymerne er et vigtigt skridt på vejen mod at kunne forudsige, om en mulig lægemiddelkandidat vil blive omdannet af enzymerne. Ud fra form og aminosyreopbygning af den reaktive del af enzymerne vil det i bedste fald være muligt at forudsige, hvilken type stoffer der vil kunne binde hertil. Dermed vil udviklingen af lægemiddelstoffer kunne optimeres, så de opnår de ønskede metaboliske egenskaber.
Hidtil er kun få 3D-strukturer af de humane CYP-enzymer blevet bestemt eksperimentelt. Blandt de strukturer, der er publiceret til dato, er der en klar strukturel lighed på trods af, at aminosyresekvensen i mange tilfælde er ret forskellig. Vi har derfor ved hjælp af computerbaserede metoder kunnet konstruere 3D-modeller af ukendte CYP-strukturer på baggrund af de kendte strukturer. Disse homologimodeller kan undersøges på samme måde som eksperimentelt bestemte enzymstrukturer.
En af de store fordele ved at bruge 3D-strukturer af CYP-enzymerne er, at det er muligt at teste hypoteser om omdannelsen af lægemiddelstoffer på computeren, før tidskrævende og kostbare eksperimentelle forsøg sættes i gang.
- Kortlægning af favorable og ufavorable områder inde i CYP-enzymets bindingslomme. Øverst til venstre ses hele CYP-enzymet. Til højre ses et forstørret udsnit af bindingslommen, der er vist som grå overflade. Det røde område i bindingslommen viser et positivt ladet område, hvor negativt ladede grupper i et lægemiddel kan binde. I bindingslommen er også vist en analog af det smertestillende lægemiddel ibuprofen, som nedbrydes ved binding til dette enzym. Lægemiddelstoffet indeholder en negativt ladet carboxylatgruppe, der binder i det positive område af bindingslommen. Fenylringen i lægemiddelstoffet binder til et iltatom i bindingslommen (markeret med en stiplet linie), hvilket viser, at CYP-enzymet kan hydroxylere fenylgruppen i denne position.
I bindingslommen
Lægemiddelstoffet skal genkendes af CYP-enzymet for at kunne blive bundet og omdannet. Faconen og andre egenskaber inde i bindingslommen er bestemmende for, hvilke lægemiddelstoffer, der kan binde, samt hvordan og hvor godt de binder. F.eks. vil det kræve en stor bindingslomme at binde et stort lægemiddelstof, og indeholder stoffet en negativt ladet gruppe, vil det som regel kræve, at en del af lommen er en positivt ladet. Man kan tale om komplementaritet mellem lægemiddelstoffet og bindingslommen.
Ved hjælp af computerbaserede metoder har vi kortlagt områder inde i enzymlommen, der er favorable eller ufavorable for forskellige kemiske grupper i et lægemiddelstof. Informationen om disse områder har vi behandlet statistisk og bestemt, hvilke vekselvirkninger mellem lægemiddelstof og enzym, der er unikke for hver enkelt af de undersøgte CYP-enzymer. På den måde kan man undersøge, hvilke typer af stoffer, der binder til og eventuelt nedbrydes af det enkelte CYP-enzym.
Selve bindingen af lægemidlet i enzymlommen kan også testes på computeren, hvor metoderne i de seneste år har gennemgået en rivende udvikling. Man kan ikke blot undersøge, hvor godt lægemiddelstoffet binder, men også hvad enzymet vil kunne omdanne det til.
- Molekylærdynamiske metoder kan følge lægemiddelstoffet på vej ind og ud af enzymlommen, hvor omdannelsen sker. Man fremstiller en energiprofi l langs med lægemiddelstoffets rute og ser, hvor energikrævende transporten er. Indtil nu har vi undersøgt halvdelen af vejen ind til reaktionscenteret ved C, og analyserne giver en energiprofi l langs med lægemiddelstoffets vej. Dette vil vise, hvor meget energitransporten kræver. Selve omdannelsesprocessen ved C studeres med kvantemekaniske metoder. Arbejdet udføres i samarbejde med Patrik Rydberg, Thomas H. Rod og Ulf Ryde på Lunds Universitet, hvor alle beregninger er udført. Beregningerne er meget tidskrævende og har hidtil taget, hvad der svarer til to års nonstop arbejde for en enkelt moderne PC, men udføres i praksis på et cluster af mange PC'er
Ind og ud af enzymet
- Eksempler på CYP-enzymernes omdannelse af lægemiddelstoffer: For paracetamols vedkommende er omdannelsesproduktet giftigt, mens codein omdannes til det aktive stof morphin.
Én ting er komplementariteten mellem lægemidlet og bindingslommen, men lægemiddelstoffet skal også kunne transporteres ind i lommen og det omdannede produkt ud igen. Hvis lægemiddelstoffet ikke kan komme ind til det reaktive center i enzymet, omdannes det ikke. Ligeledes vil stoffet optage plads inde i enzymlommen og dermed hæmme CYP-enzymets evne til at omdanne andre lægemidler, hvis ikke det kan transporteres ud igen.
Vi anvender molekylærdynamiske metoder til at undersøge, hvor energikrævende transporten ind og ud af bindingslommen er. Selv med nutidens hurtige computere er sådanne undersøgelser meget tidskrævende.
Større fokus i fremtiden
I de senere år er der kommet meget fokus på kroppens evne til at omdanne lægemidler. Det skyldes blandt andet, at de fleste af de nye lægemidler, som er blevet trukket tilbage fra markedet umiddelbart efter deres lancering, netop er trukket tilbage på grund af uacceptable metaboliske egenskaber. Der er altså penge at spare for lægemiddelindustrien og i yderste konsekvens kan en uhensigtsmæssig omdannelse af et lægemiddel koste menneskeliv.
Et andet aspekt er, at mennesker danner forskellige mængder af de forskellige metaboliserende enzymer. Som nævnt tidligere er det et bestemt enzym i CYP-familien, som står for omdannelsen af codein til morphin, men nogle mennesker har ikke dette enzym, og de personer vil derfor ikke opleve den ønskede virkning af codein. Derfor vil der formodentlig blive tale om mere individuel medicinering i fremtiden, bl.a. med udgangspunkt i individuelle forskelle i mængden af de forskellige CYP-enzymer.
