Et bud på fremtidens lægemidler mod epilepsi
I nogle former for epilepsi har patienterne mangel på det hæmmende signalstof, GABA, i hjernen. Derfor er det et problem, at hjernens hjælpeceller tilintetgør signalstoffet, så det ikke kan genbruges. Nu er der håb om at designe lægemiddelstoffer, som selektivt blokerer for gliacellernes optagelse af GABA.
Af Rasmus P. Clausen, Orla M. Larsson, Jeremy Greenwood og Povl Krogsgaard-Larsen
Fra Lægemiddelforskning 2001
Hjernen består af et kompliceret netværk af celler der kommunikerer med hinanden ved udsendelse og modtagelse af signalstoffer. De primære signalstoffer er glutaminsyre og gamma-amino-smørsyre (GABA).
Glutaminsyre overfører stimulerende signaler, som øger modtagercellernes aktivitet, mens GABA overfører hæmmende signaler, som dæmper modtagercellernes aktivitet. Hjernens normale funktion er bestemt af en hårfin balance mellem de stimulerende og hæmmende signaler.
Det er vigtigt for et velfungerende signalsystem, at signalerne hurtigt kan bringes til ophør igen. En konstant stimulering af hjernecellerne fører nemlig til celledød, som det ses i Parkinsons syge og Alzheimers syge. Derfor råder hjernen over mekanismer til at kontrollere signalerne mellem nervecellerne, så de ikke overstimuleres.
En nervecelle, der udsender et bestemt signalstof, er således i stand til at opsuge overskydende signalstof fra synapseområdet, hvor kommunikationen mellem to nerveceller finder sted. Samtidig findes der hjælpeceller i hjernen, kaldet gliaceller, som ligeledes kan fjerne signalstoffet fra synapsen. Det sker ved hjælp af transportører i cellemembranerne, som pumper signalstoffet ind i cellerne.
Forskellen er, at nervecellen genbruger signalstoffet, mens gliacellerne nedbryder det. Denne forskel kan vise sig at være væsentlig for udviklingen af nye lægemidler.
Mangel på GABA
I nogle typer af epilepsi er der mangel på det hæmmende signalstof GABA i patienternes hjerner. Når GABA's modpart glutaminsyre fortsætter med at stimulere nervecellerne, opstår der epileptiske krampeanfald, fordi der ikke er tilstrækkeligt med GABA til at dæmpe nervecellernes aktivitet og holde den nede på et passende niveau.
Der kan være flere forklaringer på den nedsatte virkning af GABA hos disse patienter. For det første kan nervecellernes lagre af GABA være udtømte, og for det andet kan de receptorer, der påvirkes af GABA, have nedsat følsomhed. En tredje årsag kan være nedsat aktivitet af det enzym, som producerer GABA i hjernen.
Problemet kan tænkes løst på flere måder. Man kan forsøge at stimulere selve produktionen af GABA, eller man kan gøre GABA-receptorerne mere følsomme overfor signalstoffet. Desuden findes der endnu en mulighed, som bruges i et af de nyere lægemidler mod epilepsi, Tiagabine.
Dette præparat, som markedsføres af Novo Nordisk, blokerer de transportører på nervecellerne og gliacellerne, som pumper GABA ind i cellerne. Resultatet er, at GABA bliver længere i synapseområdet, og de hæmmende signaler forlænges. Det skaber en bedre balance i signalsystemerne, og patienten undgår de epileptiske anfald.
Tiagabine er udviklet på grundlag af nipecotinsyre, som for flere år siden blev opdaget på DFH af den medicinalkemiske forskningsgruppe. Gruppen viste, at denne aminosyre meget effektivt blokerer transporten af GABA ind i nerveceller og gliaceller. Opdagelsen var et gennembrud i udforskningen af hjernens GABA-system.
Det er imidlertid muligt at forbedre denne type lægemidler, hvis det lykkes at udvikle lægemiddelstoffer, der selektivt hindrer transport af GABA ind i gliacellerne, hvor signalstoffet nedbrydes. Transporten ind i nervecellerne er mindre problematisk, fordi nervecellerne genbruger GABA og udsender stoffet igen. Lægemidler, som specifikt blokerer gliacellernes evne til at indtage GABA, vil derfor bevare endnu mere GABA i synapsen og på den måde opretholde balancen mellem hæmmende og stimulerende signalstoffer. Lægemiddelstoffer, der kun rammer gliacellernes transportører, findes endnu ikke, men nye forskningsresultater på DFH har skabt håb om, at det kan lykkes at designe sådanne stoffer.
Modifikation af strukturer
Neuromedicinalgruppen på DFH har gennem flere år beskæftiget sig med stoffer, der virker på transportørerne i nerveceller og gliaceller. Disse stoffer er udviklet ud fra GABA selv, samt ud fra muscimol, som er et af de psykoaktive stoffer i rød fluesvamp.
Ved at manipulere med molekylestrukturen er det muligt at forfine og målrette virkningen af de naturlige stoffer. GABA-molekylerne har dels en positivt ladet gruppe og dels en negativt ladet gruppe. De tiltrækkes af kemiske grupper med modsat ladning på transportører og receptorer. Det er på den måde, at signalstoffet kan binde sig til transportøren eller receptoren og derved blive genkendt. Muscimol har ladede grupper, der ligner GABA's, hvilket sætter stoffet i stand til at efterligne GABA og påvirke dele af hjernens signalsystem.
Denne mulighed har vi udnyttet ved modificering af muscimol til stofferne THIP og THPO. THIP virker selektivt på receptorerne, mens THPO selektivt rammer transportørerne. Man har på den måde opsplittet muscimols virkning og fået et redskab til at skelne disse to dele af GABA-systemet.
Virkningen af THPO førte til, at nipecotinsyre blev undersøgt, og det viste sig som nævnt, at stoffet havde en langt kraftigere hæmmende virkning end muscimol, fordi stoffet blokerer for optagelsen af GABA i nerveceller og gliaceller. Effekten er efterfølgende blevet yderligere optimeret på Novo Nordisk til lægemidlet Tiagabine, hvis centrale del er nipecotinsyre.
Ved at ændre naturens egne stoffer kan man altså udvikle stoffer, der selektivt rammer transportørerne. Nu forsøger vi ved tilsvarende strukturelle ændringer at designe stoffer, der kun blokerer gliacellernes transportører uden at påvirke transportørerne i nervecellerne.
- Computermodeller er vigtige i jagten på den rigtige struktur for udviklingen af en ny type lægemiddelstoffer mod epilepsi, der selektivt kan hindre gliaceller i at optage og nedbryde signalstoffet GABA. Øverst ses N-Me-exo-THPO, der er det stof til dato, som mest selektivt blokerer for gliacellernes optag af GABA. I midten ses strukturen af nipecotinsyre, der blev brugt som udgangspunkt for lægemidlet Tiagabine, der blokerer transporten af GABA ind i både nerveceller og gliaceller. Nederst ses strukturen af et nyt stof, som overraskende viste sig at være uden virkning på de transportører, som sender GABA ind i gliacellerne.
Gliaselektive stoffer
THPO viste sig at foretrække gliacellernes transportører frem for nervecellernes, om end denne selektivitet var svag. Årsagen til selektiviteten har vi siden forsøgt at indkredse ved at lave lignende stoffer.
På den måde er det lykkedes at designe stoffet N-Me-exo-THPO, der viste sig at være ikke blot et mere aktivt, men også langt mere selektivt overfor gliacellernes transportører. Denne vigtige opdagelse har vist, at det er muligt at differentiere effektivt mellem transportørerne i gliaceller og nerveceller, hvilket kan få stor betydning for udvikling af lægemidler, der virker på GABA-systemet.
N-Me-exo-THPO blokerer gliacellernes transportører mere effektivt end noget andet kendt stof, men stoffet er ikke egnet som lægemiddel, da det ikke er tilstrækkeligt virksomt. Derfor arbejder vi nu med at ændre N-Me-exo-THPO med henblik på at udvikle terapeutisk anvendelige stoffer. Indsatsen har ikke båret frugt endnu, men forsøgene har givet nogle interessante resultater.
Vi har blandt andet forsøgt at optimere N-Me-exo-THPO ved at udbygge molekylet med en sidekæde fra Tiagabine, hvilket øger aktiviteten betragteligt, men desværre på bekostning af selektiviteten. Desuden har vi ændret N-Me-exo-THPO på samme måde som THPO blev ændret til nipecotinsyre. Herved fås en gruppe stoffer, som vi havde forventet ville virke på transportørerne, men som højst overraskende var inaktive.
Forklaringen på stoffernes manglende aktivitet på GABAtransportørerne skal muligvis søges i stoffernes tredimensionelle struktur; det er som at stikke en forkert nøgle i en lås. Næste trin i forskningsprocessen vil blive sammenlignende analyser ved hjælp af computersimuleringer, som forhåbentlig kan afsløre, hvilke faktorer der er vigtige for at designe stoffer, som selektivt blokerer for gliacellernes transportører; svarende til den rigtige nøgle i låsen.
Vi opbygger nu en virtuel skabelon på baggrund af disse computersimuleringer, og modellen vil være et vigtigt redskab for design af nye stoffer. I dette puslespil er de uventet inaktive stoffer vigtige brikker, fordi de er med til at vise, i hvilken retning vi kan gå for at finde de rigtige stoffer.
I de seneste måneder har vi fundet en vej til omdannelse af de inaktive stoffer til farmakologisk aktive forbindelser med en meget spændende og enestående effekt på GABA-transportørerne. Vi forfølger nu aktivt denne ny linje med det mål at bidrage til udvikling af nye lægemidler til behandling af epilepsi.
En specifik virkning
Signaler overføres fra en nervecelle til en anden ved hjælp af signalstoffer. Det sker ved, at signalstoffet frigives fra nerveenden på én nervecelle (A), hvorpå signalstoffet genkendes af den anden nervecelle ved, at det binder sig til receptorer på modtagercellens overflade (B). Overskydende signalstoffer opsuges dels af afsendercellen, hvor stofferne genbruges, dels af gliaceller, som destruerer signalstofferne. I epilepsi opstår der mangel på hjernens vigtigste hæmmende signalstof, GABA, hvorved nervecellerne overaktiveres af det stimulerende signalstof glutaminsyre – resultatet er et epileptisk anfald. Manglen på GABA kan afhjælpes ved at hindre transport af signalstoffet ind i gliacellerne. På den måde undgår man, at GABA nedbrydes i gliacellerne.
