Effekt og bivirkninger: GABA fra A til C
Lægemidler, som påvirker hjernens GABA-receptorer, kan behandle angst, søvnløshed og epilepsi, men ikke uden bivirkninger. stoffer, som selektivt påvirker forskellige undertyper af GABAa- og GABAC-receptorer, kan afklare mekanismerne bag effekten og bivirkningerne.
Af Bente Frølund , Christian Madsen, Anders A. Jensen, Uffe Kristiansen og Tommy Liljefors
Fra Lægemiddelforskning 2006
Angrebspunktet for mange lægemidler er proteiner, som ofte inddeles i grupper på grund af fællestræk i deres sammensætning og opbygning. Grupperne kan igen være opdelt i flere undergrupper med forskellige funktioner. Ved behandling af sygdom er det ofte ønskeligt at stimulere eller blokere en enkelt af disse undergrupper, fordi lægemidlets effekt skyldes påvirkningen af netop denne undergruppe, mens påvirkning af andre undergrupper kan medføre bivirkninger. For at udvikle selektive lægemidler er det nødvendigt at opnå et detaljeret kendskab til den rumlige opbygning af receptorerne og kortlægge samspillet mellem de forskellige receptortyper og lægemidlet. Ofte drejer det sig om at udnytte små forskelle mellem de relevante receptorgruppers struktur og funktion. Denne indsigt gør det muligt – med meget små ændringer i de kemiske forbindelser – at målrette udviklingen af potentielle lægemidler, der kan aktivere én udvalgt receptortype uden at berøre andre receptorer inden for samme gruppe eller undergruppe.
- Hjernens ionkanalkoblede GABA-receptorer er opbygget af fem subenheder, der til sammen danner en ionkanal i cellemembranen, hvorigennem chloridioner kan passere. Mindst 16 forskellige subenheder (α1–6, β1–3, γ1–3, δ, ε, π, θ) kan være byggeklodser i GABAA-receptorerne, som inddeles i undergrupper ud fra sammensætningen af de fem subenheder, som danner ionkanalen. GABAC-receptorerne består overvejende af fem ens subenheder (ρ1).
GABA-receptorerne
GABA er hjernens overordnede hæmmende signalstof, som dæmper aktiviteten af nervecellerne, og fejlfunktioner i GABA-signalsystemet er involveret i neurologiske og psykiatriske sygdomme som Huntingtons syge, epilepsi, Parkinsons syge, skizofreni og søvnforstyrrelser.
Størstedelen af hjernens nerveceller indeholder receptorer for GABA, og derfor er der mange muligheder for at udbedre defekte signalprocesser med medicin, som påvirker GABA-systemet. Lægemidler med angrebspunkt i GABAAreceptorerne har da også i mange år været anvendt til at behandle angst, søvnløshed og epilepsi. Men desværre er brugen af mange af lægemidlerne forbundet med uønskede bivirkninger som sløvhed, afhængighed og tolerance. GABA udøver sin effekt via to hovedgrupper af GABA-receptorer: De ionkanalkoblede GABAA- og GABAC-receptorer og de G-proteinkoblede GABAB-receptorer. De enkelte receptorgrupper er placeret forskellige steder i hjernen og er derfor også involveret i forskellige processer. Hvis man selektivt kan ramme en enkelt gruppe eller undergruppe af GABA-receptorer, kan en del bivirkninger sandsynligvis forhindres med en mere målrettet behandling som resultat.
Selektive modelstoffer
De ionkanalkoblede GABA-receptorer er alle opbygget af fem enheder, der til sammen danner en membranbundet kanal, som er gennemtrængelig for chloridioner. Der findes mindst 16 forskellige enheder inden for GABAA-receptorerne, og det store antal byggesten giver mulighed for mange forskellige undergrupper. Man har dog kun identificeret et begrænset antal forskellige undertyper af GABAA-receptorer, og en enkelt af undergrupperne dominerer. Til forskel fra GABAA-receptorer består GABAC-receptorerne overvejende af fem ens enheder.
Forskellen mellem de ionkanalkoblede GABAA- og C-receptorer og de G-proteinkoblede GABAB-receptorer er stor, og derfor har det været muligt at udvikle kemiske forbindelser, som kan skelne mellem disse to receptorgrupper. Derimod er der kun små forskelle i opbygningen af GABAA- og GABAC-receptorer, hvilket indebærer, at en stor gruppe af stoffer påvirker begge receptorgrupper, hvilket medfører en blandet fysiologisk effekt.
Udover GABA selv er en af disse forbindelser imidazol-4-eddikesyre (IAA). IAA forekommer naturligt i centralnervesystemet, og stoffet er i stand til at trænge gennem blod-hjerne-barrieren, hvilket er et godt udgangspunkt for udvikling af lægemidler til behandling af sygdomme i hjernen.
Med udgangspunkt i den kemiske struktur af IAA undersøger vi, hvilke faktorer der har betydning for aktivering af henholdsvis GABAA- og GABAC -receptorerne. Målet er at blive i stand til at udvikle forbindelser, som kan skelne mellem de to receptorgrupper. Nye kemiske stoffer med små og større ændringer i strukturen sammenlignet med IAA blev derfor fremstillet.
Det viste sig, at de strukturelle ændringer resulterede i, at effekten på GABAA-receptorerne forsvandt fuldstændigt. For enkelte af stofferne var der dog stadig en effekt på GABAC-receptorerne, som var sammenlignelig med effekten af IAA, og det var hermed lykkedes at fremstille forbindelser med effekt udelukkende på GABAC-receptorerne.
- Øverst ses strukturerne af GABA og IAA, som påvirker både GABAA og GABAC-receptorerne. I midten ses de 5-substituerede analoger af IAA, som selektivt påvirker GABAC-receptorerne. Nederst er vist de 2-substituerede IAA-analoger, som er inaktive på både GABAA- og GABAC-receptorerne.
Receptormodellen
For at forstå hvorfor netop disse kemiske ændringer resulterer i en GABAC-selektivitet, og i hvilken retning man skal gå i den videre udvikling af selektive stoffer, er det nødvendigt at danne sig et billede af, hvordan forbindelserne binder sig til og vekselvirker med receptoren.
Da vi i dag ikke kender den tredimensionelle struktur af de ionkanalkoblede GABA-receptorer, anvendes en model af en nært beslægtet receptorgruppe. Ud fra denne model og med kendskab til aminosyresammensætningen af GABAAreceptoren er der ved hjælp af computerbaserede metoder blevet bygget en model af GABAA-receptorerne.
I modellen kan IAA placeres i receptorlommen i den position, hvor man formoder, at forbindelsen vil binde. Ifølge computerberegningerne slutter receptorproteinet sig tæt sammen omkring IAA og levner ikke plads til substituenter i molekylets ringsystem.
Den tætte placering af 5-positionen i ringen til aminosyren threonin i position 129 i GABAA-receptorproteinet kunne være årsagen til manglende aktivitet af de 5-substituerende IAA-forbindelser på GABAA-receptorer. Da vi formoder, at de kemiske forbindelser binder på samme måde i de to nært beslægtede receptorgrupper, vil den mindre aminosyre serin i GABAC-receptoren give mere plads for substituenter i 5-positionen af IAA.
Hvis disse forskelle i strukturen af GABAA- og GABAC-receptorerne er af betydning for bindingen af IAA og lignende stoffer, kan det udnyttes i udviklingen af lægemidler med selektiv virkning på GABAC-receptorerne.
- Et udsnit af modellen for GABAA-receptoren med 5-methyl-IAA placeret i bindingslommen. De aminosyrer i receptoren, som er involveret i bindingen, er vist. Pilen viser aminosyren threonin placeret i position 129 i GABAA-receptorproteinet, og denne aminosyre kan være årsag til, at de 5-substituerende IAA-analoger ikke aktiverer receptoren. I den tilsvarende position i GABAC-receptoren er den sterisk mindre aminosyre serin (S168).
Mutationsstudier
Da vi er nødt til at arbejde med en model i stedet for med den nøjagtige tredimensionelle struktur af IAA bundet til receptoren, kan vi ikke være helt sikre i denne formodning. For at efterprøve ideen blev den aktuelle serin i GABAC-receptoren skiftet ud til en threonin som i GABAA-receptoren. Det viste sig, at de 5-substituerede forbindelsers aktivitet på den nye receptor forsvandt. Det vil sige, at receptoren nu udviste GABAA-lignende egenskaber over for IAA og beslægtede stoffer.
Da den aktuelle aminosyre også kan have betydning for selve receptorens funktion, blev en tilsvarende muteret GABAA-receptor, hvor threonin i position 129 er udskiftet med serin, ligeledes fremstillet. Præliminære studier af denne receptor viser, at udskiftningen giver receptoren GABAC-lignende egenskaber, bl.a. ved dens følsomhed over for IAA og lignende stoffer.
Der er stadig langt fra de nye modelstoffer til anvendelige lægemidler, men vore resultater indikerer i hvilken retning, man kan gå for at udvikle nye lægemiddelstoffer, der selektivt kan påvirke de ønskede typer af de ionkanalkoblede GABA-receptorer.
