Model kan hjælpe peptider ud i blodet
Peptider er små proteiner med et stort terapeutisk potentiale. Men desværre nedbrydes peptiderne ofte, inden de når frem til virkningsstedet. Ved at kombinere computerberegninger, statistik og eksperimenter, har vi opstillet en model, der kan forbedre mulighederne for at få peptiderne optaget i kroppen.
Af Lene Hjorth Alifrangis, Inge Thøger Christensen, Lars Hovgaard og Sven Frøkjær
Fra Lægemiddelforskning 1999
Peptider er en meget vigtig kategori af potentielle lægemiddelstoffer, men de lider af to alvorlige skavanker. For det første bliver peptiderne ofte nedbrudt i tarmsystemet, før de når ind i kroppen, og for det andet har de svært ved at passere tarmvæggen og komme ud i blodbanen. Kun hvis peptidet kommer over i blodet, kan det blive transporteret hen til det sted i kroppen, hvor det skal virke.
En væsentlig del af forskningen med at finde nye lægemidler baseret på peptider er fokuseret på at løse disse to problemer. De er nemlig årsag til, at man kun sjældent kan indtage et lægemiddel med et peptid i form af en tablet. I stedet må det gives som en indsprøjtning. Den hurtige nedbrydning og den dårlige optagelse betyder desuden, at lægemidlet skal indgives meget tit og i stor dosis, fordi der skal være en vis koncentration i blodet for, at peptidet har en virkning.
Typisk vil halvdelen af et peptid været uvirksomt efter fem minutter. Det er dels til stor ulempe for patienterne og dels meget dyrt på grund af det store peptidforbrug. Desuden er der større risiko for bivirkninger, fordi det er svært at styre doseringen, hvis optagelsesgraden er lav. Der vil ofte være en stor grad af variation, så man f.eks. optager en procent den ene gang og fem procent næste gang. Selvom kun en lille del bliver optaget, vil dosis alligevel være fem gange så høj anden gang. Dermed øges risikoen for bivirkninger.
Årsagen til problemerne skal findes i den molekylære struktur af peptiderne, så håbet er, at man i fremtiden kan ændre peptidernes struktur, så de bliver bedre optaget i kroppen fra tarmen. Vores bidrag til dette mål er at finde ud af, hvilke dele af strukturen, der virker henholdsvis blokerende og fremmende for optagelsen i kroppen.
Nedbrydning i tyndtarmen
Nedbrydningen i tarmen skyldes, at der i tyndtarmen findes en mængde fordøjelsesenzymer, som er indrettet til at nedbryde proteiner og peptider i føden, eksempelvis i kød. Såfremt peptidlægemidlet er opbygget på fuldstændig samme måde som naturligt forekommende peptider, kan tarmenzymerne ikke kende forskel på en bøf og et peptid, der var tænkt som et lægemiddel.
Derfor vil det normalt være nødvendigt at modificere den molekylære struktur, så peptidet både kan modstå fordøjelsesenzymerne og være fedtopløseligt nok til at komme over tarmslimhinden. Man har en del erfaring inden for feltet, men endnu ingen gode systematiske modeller, som beskriver sammenhængen mellem peptiders molekylære struktur og deres evne til at blive optaget.
Peptider og proteiner er opbygget af aminosyrer, som i kroppen sættes sammen i forlængelse af hinanden til kæder af varierende længde. De små kæder med 2-50 aminosyrer kaldes peptider, og de store, ofte foldede kæder kaldes proteiner og indeholder ofte mange hundrede aminosyrer.
Kroppen har naturligt tyve forskellige slags aminosyrer, og det er primært sammensætningen og rækkefølgen af aminosyrerne, der afgør, hvilken virkning peptidet har i kroppen. Et af de mest kendte peptider er insulin, som består af to peptidkæder på 21 og 30 aminosyrer.
Insulin er et forholdsvist stort peptid sammenlignet med de mange små peptider, som spiller væsentlige roller for f.eks. hormonbalancen. Som eksempler kan nævnes TRH med tre aminosyrer, som stimulerer udskillelsen af hormoner fra skjoldbruskkirtlen, vasopressin med ni aminosyrer, som styrer, hvor meget vand nyrerne udskiller, samt enkephalin med fem aminosyrer, som er kroppens egen smertestiller, fordi peptidet har samme virkning som morfin.
- Figuren viser peptidet met-enkephalin, som består af fem aminosyrer. Hver aminosyre er vist med forskellig skravering. Rækkefølgen og sammensætningen af aminosyrerne er afgørende for peptidets virkning og egenskaber, fordi hver aminosyre har forskellige egenskaber med hensyn til størrelse og placering af fedtopløselige og vandelskende dele.
Den svære vej gennem tarmen
Når man ønsker at indgive et peptid som lægemiddel, er det vigtigt at kende til de kræfter, der virker mellem peptidet og dets omgivelser i tarmen.
De fedtopløselige dele af peptidet vil trække ind imod tarmcellernes membran, som består af fedtmolekyler i to lag. Andre dele af peptidet kan bedst lide at være i nærheden af vandmolekyler. Dem er der flest af udenfor membranen, så de vandelskende dele af peptidet vil helst blive der.
Problemet med peptider er oftest, at de indeholder for mange vandelskende dele. Derfor kan de ikke passere tarmslimhinden og komme over i blodet. Vores opgave er at finde ud af, hvordan balancen skal være mellem de fedtopløselige og vandelskende dele af peptiderne for, at de kan passere barrieren.
For at komplicere sagen yderligere kan det også have betydning, hvordan delene sidder i forhold til hinanden rent rumligt. Altså er man nødt til at kigge på den tredimensionelle opbygning af peptiderne. Vi bruger hurtige computere med avanceret grafik til dels at beregne balancen mellem de forskellige dele, dels at studere den tredimensionelle struktur.
Peptiders evne til at komme ud i blodet
Målet er at kunne forudsige, hvordan et hvilket som helst peptid vil absorberes i kroppen bare ved at kigge på molekylstrukturen. Med den viden er det i teorien også muligt at forbedre strukturen, så peptiderne bliver bedre optaget.
Man hverken kan eller vil lave samtlige peptider, der findes, for at få svar på det spørgsmål. F.eks. udgør alle kombinationer af de tyve aminosyrer i et lille peptid med fire aminosyrer 160.000 kombinationer. I stedet for de 160.000 muligheder har vi udvalgt tyve strukturer, som skal repræsentere de resterende 159.980 peptider.
Det er særdeles vigtigt at udvælge de tyve repræsentanter omhyggeligt. Man skal være helt sikker på, at alle de egenskaber, der menes at have betydning for absorptionen, er repræsenteret i de udvalgte peptider. Man kan regne sig frem til i hvor høj grad, det er tilfældet, ved hjælp af statistisk design.
Til at illustrere princippet kan man forestille sig, at man ønsker at finde en model, der kan forudsige hvilken farve, der fremkommer ved blanding af forskellige forhold af de tre grundfarver rød, gul og blå, hvor blandingsfarven illustrerer absorptionen, og farverne illustrerer de molekylære egenskaber. I stedet for at blande alle mulige sammensætninger ønsker vi at udvælge nogle få, som kan repræsentere resten. Ved hjælp af statistisk design, finder vi de blandinger, som giver den bedste repræsentation, og som derfor kan give den bedste model. Uden statistisk design risikerer vi at udvælge for få eller for ens blandinger med f.eks. blå. Det vil efterfølgende gøre det vanskeligt at give en nøjagtig forudsigelse af, hvordan blandinger med blå vil opføre sig.
- Ved at kombinere statistisk design, eksperimenter og computerberegninger har vi opstillet en model for sammenhængen mellem peptidernes struktur og deres evne til at blive optaget i kroppen. Eksperimenterne blev udført med en kromatografisk kolonne, hvor modeller for en cellemembran, liposomer, er sat fast. Jo længere tid peptidet er om at komme igennem kolonnen, jo bedre vekselvirker det med membranen, og jo bedre bliver det sandsynligvis optaget i kroppen.
Fra statistik til forsøg
Ud fra det statistiske design har vi udvalgt de tyve peptider og dernæst syntetiseret dem, dvs. sat aminosyrerne sammen i en fastlagt rækkefølge. Derefter har vi undersøgt hvor godt de vekselvirker med en cellemembran, som er den del af cellerne, der bremser optagelsen af peptiderne mest.
Til at undersøge disse vekselvirkninger har vi anvendt liposomer, som er simple modeller for cellemembranen. De består af kugleformede dobbeltlag af fedtmolekyler med en kerne af vand i midten. Liposomerne er sat fast inden i et tyndt glasrør, som man pumper væske igennem sammen med det peptid, man ønsker at undersøge. Ved hjælp af en detektor kan man se, hvor lang tid peptidet er om at komme igennem glasrøret. Jo længere tid det tager, jo bedre vekselvirker peptidet med membranen. Ideen er, at dette også fortæller noget om, hvor godt peptidet vil være til at passere den membran, som omkranser tarmcellerne.
Repræsentativ computermodel
Resultaterne af forsøgene med liposomerne har vi søgt at forklare ud fra de computerberegninger, vi har lavet med de samme peptider.
På det grundlag har vi opstillet en model for sammenhængen mellem molekylstruktur af peptider og deres evne til at blive absorberet. Fordi vi har anvendt statistisk design til at finde de mest repræsentative peptider, kan vi nu med rimelig sikkerhed forudsige i hvor høj grad ukendte peptider, som ligner dem i designet, vil blive optaget i kroppen.
Den viden er et skridt på vejen i retning af at kunne ændre peptidernes struktur i en gunstig retning for absorbtion. Derfor vil udviklingen af modeller i sidste ende gavne patienterne, dels fordi det vil være hurtigere at udvikle lægemidler baseret på peptider, og dels fordi det vil mindske risikoen for bivirkninger.
