Integreret computerdesign og syntese
Angrebspunktet for mange lægemidler er store proteiner med en kompliceret tredimensionel struktur. Kendskabet til receptorernes rumlige opbygning vokser hastigt. Den opnåede viden anvendes til udvikling af lægemidler med computerbaserede metoder.
Af Ulf Madsen, Esben J. Bjerrum, Jeremy R. Greenwood og Tommy Liljefors.
Fra Lægemiddelforskning 2003
Tidligere blev mange lægemidler fundet mere eller mindre tilfældigt. Normalt var udgangspunktet iagttagelser fra dyreforsøg, som blev brugt til at udvikle ny medicin, men ofte skete det helt uden kendskab til, hvordan lægemidlet virkede i den menneskelige organisme. Man vidste ikke, hvilke molekyler i kroppen lægemidlet påvirkede, og virkningsmekanismen var ukendt.
Metoden har givet et væld af gode lægemidler, hvoraf mange stadig anvendes. Men opdagelsen af lægemidlerne var afhængig af tilfældigheder og ikke rationel og målrettet.
I nyere tid har udviklingen af lægemidler været mekanismebaseret. På grundlag af kendskabet til mekanismerne bag en sygdom kan nye lægemidler udvikles på et rationelt grundlag. Mange lægemidler påvirker bestemte receptorer i kroppen med funktioner, der er relateret til den sygdom, som ønskes behandlet. Ved målrettet udvikling af stoffer med virkning på en given receptor bliver chancen for at finde et godt lægemiddelstof meget større.
Inden for de senere år er kendskabet til mekanismerne bag mange sygdomme nået helt ned på det molekylære niveau, og det har gjort strukturbaseret lægemiddeludvikling mulig. Et detaljeret kendskab til den rumlige opbygning af en receptor og i særdeleshed den del af receptoren, som et lægemiddelstof bindes til, er nu et meget vigtigt redskab ved design af nye potentielle lægemiddelstoffer. Langt de fleste receptorer er store proteiner med en kompliceret tredimensionel struktur.
Glutaminsyre og neurologiske sygdomme
Signalstoffet glutaminsyre er det vigtigste stimulerende signalstof i centralnervesystemet, og stort set alle nerveceller i hjernen påvirkes af glutaminsyre. Derfor spiller nervecellernes receptorer for glutaminsyre en central rolle i hjernens normale funktion.
Men receptorerne er også involveret i en række meget alvorlige neurologiske sygdomme som Alzheimers syge, epilepsi og Parkinsons syge. Derfor er de vigtige mål for udvikling af nye lægemiddelstoffer.
Receptorer for glutaminsyre
Et af vore mål er at udvikle lægemiddelstoffer, som selektivt påvirker bestemte undertyper af hjernens receptorer for signalstoffet glutaminsyre. Receptorerne er opdelt i et meget stort antal undertyper med forskellige funktioner både i den normalt fungerende hjerne og i en række sygdomstilstande.
Det samlede billede af de enkelte undertypers funktion er langt fra klarlagt. Ved at udvikle stoffer, som selektivt påvirker enkelte undertyper, bliver det muligt at studere disse undertypers funktion, og den opnåede viden kan anvendes i bestræbelserne på at udvikle nye og bedre lægemidler.
Når glutaminsyre bindes til receptorerne, udløses et respons i nervecellerne. Glutaminsyre aktiverer alle receptorerne, men ved behandling af en sygdom er det ofte ønskeligt at stimulere eller blokere enkelte undertyper.
Der er kun små forskelle i opbygningen af receptorproteinet i mange af undertyperne, men de små forskelle kan alligevel udnyttes til at udvikle selektive stoffer. Nogle gange kan man opnå selektivitet selv ved meget små ændringer i lægemiddelstoffernes struktur.
- Hjernens glutaminsyre-receptorer inddeles i ionotrope og metabotrope receptorer, der hver især er opdelt i tre undergrupper, som yderligere er opdelt i et antal undertyper. Af de i alt 24 undertyper er der kun angivet navne på de fire AMPA undertyper, som er relevante for dette projekt. Øverst ses strukturen af glutaminsyre, som påvirker alle receptortyperne, og nederst de tre analoger HIBO, Br-HIBO og Cl-HIBO, hvoraf sidstnævnte udviser stor selektivitet på GluR1 og 2 i forhold til GluR3 og 4.
Selektive lægemiddelstoffer
En af undergrupperne af receptorerne for glutaminsyre hedder AMPA-receptorer, og de kan yderligere opdeles i fire undertyper, der kaldes GluR1-4.
Hidtil har det været meget vanskeligt at udvikle stoffer med selektiv virkning på disse undertyper. Detaljeret kendskab til den rumlige struktur af bindingslommen og anvendelse af computerbaserede metoder har nu skabt et gennembrud med hensyn til at opnå den ønskede selektivitet.
Når det gælder GluR2, har man opnået et helt nøjagtigt billede af den rumlige opbygning af bindingslommen ved hjælp af røntgenkrystallografi. Med genteknologiske metoder er det samtidig lykkedes at fremstille en version af GluR2 receptoren, som i sin aminosyresammensætning svarer til GluR3. Også denne GluR3-lignende receptor er det lykkedes at få et præcist tredimensionelt billede af. De to strukturer har dannet udgangspunkt for at designe stoffer, som selektivt kan påvirke GluR2 og GluR3 undertyperne.
Computeren viser vejen
På en computer kan man anbringe tredimensionelle modeller af de stoffer, man satser på at syntetisere, i bindingslommen på de ønskede receptorer. Metoden involverer beregninger og visuel inspektion, som kan afsløre, hvor godt forskellige stoffer passer ind i bindingslommen på de forskellige undertyper.
Tidligere forsøg har vist, at stoffet Br-HIBO påvirker GluR1 og 2 stærkere end GluR3 og 4. Computerberegninger af Br-HIBO's samspil med bindingslommen i GluR2 og i den GluR3-lignende struktur viste, at bromatomet er af afgørende betydning for selektiviteten. Men beregningerne pegede også på, at udskiftning af brom med klor sandsynligvis ville føre til langt højere selektivitet. Efter syntese af Cl-HIBO viste dette sig at holde stik. I samarbejde med Institut for Farmakologi gennemførte vi undersøgelser, som viste, at Cl-HIBO har en aktivitet, som er 275-1600 gange stærkere på GluR1 og 2 end på GluR3 og 4 , hvorimod Br-HIBO's aktivitet kun er 3-37 gange stærkere.
Kloratomet i Cl-HIBO er langt mindre end bromatomet i Br-HIBO, men størrelsen er ikke den afgørende faktor. Det kan vi se, fordi forbindelsen HIBO med et lille brintatom i samme position er endnu mindre selektivt end Br-HIBO. Den øgede selektivitet skyldes, at kloratomet påvirker molekylets elektroniske forhold på en optimal måde for GluR1 og 2 i forhold til GluR3 og 4.
- GluR2-receptoren består af fire enheder på hver ca. 900 aminosyrer. De fire enheder danner i midten en ionkanal, og i hvert hjørne kan glutaminsyre bindes og dermed åbne ionkanalen. Bindingslommen er forstørret i billedet til højre, og her sammenlignes binding af Cl-HIBO i GluR2 og GluR3. I bindingslommen er bl.a. vist de to aminosyrer (Tyr og Phe), som er forskellige i de to strukturer. Derudover er vist vandmolekyler (V), som specielt i GluR2 giver en bedre binding af Cl-HIBO og dermed kan forklare den selektive aktivitet på netop denne receptor undertype.
Sundhed og sygdom
Stoffet Cl-HIBO kan anvendes til undersøgelse af GluR1 og 2- undertypernes betydning i såvel den normalt fungerende hjerne som i sygdomsmodeller.
Stoffets aktivitet er blevet grundigt karakteriseret og netop publiceret, og stoffet vil være tilgængeligt gennem firmaet Tocris, som forhandler forbindelser til eksperimentel brug.
Cl-HIBO i sig selv forventes ikke at kunne anvendes som lægemiddel, fordi det stimulerer receptorerne for glutaminsyre, og det er primært blokerende stoffer, man ønsker at bruge i terapeutisk sammenhæng. Men forsøg med stoffet kan vise, om den ene eller anden gruppe af receptorer har betydning ved forskellige sygdomme, og dermed bane vejen for rationelt udviklede lægemidler.
Først model, så syntese
Ved hjælp af computerprogrammer kan man konstruere tredimensionelle modeller af de lægemiddelmolekyler, som man ønsker at syntetisere. Derefter kan man undersøge, om modellerne passer i bindingslommen på den ønskede receptor. På computeren kan man altså undersøge et stofs evne til at binde til en receptor, før det syntetiseres. Metoden kan endnu ikke med sikkerhed afsløre, hvor godt et stof vil virke på receptoren. Men beregningerne er et vigtigt redskab i udvælgelsen af, hvilke stoffer man skal syntetisere for at finde ud af, hvorfor nogle stoffer påvirker flere typer af receptorer, mens andre virker selektivt.
