Selektive lægemiddelstoffer designet ud fra krystalstrukturer

Mange lægemidler virker ved at påvirke bestemte recepto­rer. Oftest findes der ikke blot én type af en human receptor, men derimod flere genetisk forskellige varianter, som kan have forskellige funktioner og være udtrykt i forskellige orga­ner. Forsøg med modelstoffer, som kun påvirker én bestemt receptorvariant, er vigtige for at afdække de forskellige un­dertypers funktioner under normale og sygdomsrelaterede til­stande, og den opnåede viden kan udnyttes til at designe se­lektive lægemiddelstoffer med et minimum af bivirkninger.

β-receptorer er et velkendt eksempel på en receptortype med to varianter, som har vidt forskellige funktioner. β1- receptorerne findes især i hjertet og kontrollerer hjertesla­get, mens β2-receptorerne primært er udtrykt i lungerne og styrer passagen gennem luftvejene. Modelstoffer, som se­lektivt påvirker enten β1- eller β2-receptorerne, har været uhyre nyttige ved udviklingen af mange vigtige læge­midler. Et eksempel er β-blokkere, som selektivt bloke­rer β1-receptorer og bruges til behandling af forhøjet blodtryk og forstyrrelser i hjerterytmen, og et andet eksempel er lægemidler til behandling af astma, som selektivt stimulerer β2-receptorerne.

På Institut for Medicinalkemi arbejder vi ikke med β-receptorer, men med glutamatreceptorer, som findes i centralnervesystemet, hvor de spiller en vigtig rolle for bl.a. indlæring og hukommelse.

Signalstoffet glutamat er en agonist, som har en stimule­rende effekt på receptorerne, og det menes, at overaktivitet i glutamatsystemet har stor betydning i neurologiske syg­domme som Alzheimers syge og epilepsi. I hjernen findes der flere varianter af glutamatreceptorer. På Institut for Me­dicinalkemi har vi været pionerer i forhold til at designe og syntetisere forbindelser, som kun stimulerer nogle af disse receptorer.

Således stimulerer modelstoffet AMPA selektivt én gruppe af glutamatreceptorer, som derfor kaldes AMPA-receptorer. Receptorerne er ionkanaler, og de er opbygget af fire un­derenheder, GluR1 – GluR4, som er sammensat på forskellig vis i de forskellige varianter. AMPA bindes lige godt til un­derenhederne GluR1 – GluR4 og skelner således ikke mel­lem dem. Men det er der andre modelstoffer, som gør.

Med udgangspunkt i AMPA har den neuromedicinalkemi­ske gruppe udviklet en beslægtet forbindelse, Br-HIBO, som bindes stærkt til GluR1 og GluR2 og mere end hundrede gange svagere til GluR3 og GluR4. En del af forklaringen på denne markante selektivitet kan hentes i strukturkemi­ske analyser, som viser, at Br-HIBO er i stand til at danne et stærkere brintbindingsnetværk, når forbindelsen bindes til GluR1 eller GluR2 sammenlignet med binding til GluR3 eller GluR4. Særlig vigtig i denne sammenhæng er vekselvirknin­gen med aminosyreresten Tyrosin-702, som er placeret dybt nede i bindingslommen. Der eksisterer således en del viden om, hvilke strukturelle forhold, der har betydning for stimulerende forbindelsers skelnen mellem forskellige underenhe­der. Vi er nu ved at undersøge, om denne viden kan over­føres til modelstoffer, der blokerer receptorerne; såkaldte antagonister.

Forbindelser, der blokerer AMPA-receptorer, er potentielle lægemiddelstoffer, fx til behandling af epilepsi. Blandt de mange udviklede AMPA-receptorantagonister findes der imidlertid ingen stoffer, som udviser selektivitet mellem de fire underenheder i AMPA-receptorerne.

Strukturkemiske analyser viser, at de kendte antagonister placerer sig på en måde i bindingslommen, der bevirker, at de ikke kommer i tæt kontakt med Tyrosin-702, når de bin­des til AMPA-receptorerne. Spørgsmålet er derfor, om det er muligt at designe antagonister, som gennem vekselvirknin­ger med Tyrosin-702 vil foretrække én variant af receptorer­ne frem for en anden.

Grundlaget for dette design hentes fra en krystalstruk­tur, som giver et billede bindingen af antagonisten ATPO til GluR2. ATPO blokerer alle fire underenheder i AMPA-re­ceptorerne uden at skelne mellem dem. Målet var derfor at ændre strukturen af ATPO, så der placeres en passende sub­stituent i nærheden af Tyrosin-702.

For at komme tæt på Tyrosin-702 valgte vi at erstatte den 5-leddede isoxazolring i ATPO med en lidt større 6-leddet phenylring, hvor der er flere muligheder for at indføre sub­stituenter. Hvis man placerer en nitrogruppe i en passen­de position, så gruppen kan modtage brintbindinger fra Tyrosin-702, tyder computerkemiske beregninger på, at der både kan forventes en god binding til receptoren og dan­nelse af en bro til den vigtige aminosyrerest enten direkte eller gennem et vandmolekyle, som det er set med den sti­mulerende forbindelse Br-HIBO.

Forbindelsen I blev fremstillet med udgangspunkt i model­beregningerne, og farmakologiske studier har nu bekræftet, at forbindelsen er en antagonist, der binder sig væsentligt bedre til AMPA-receptorerne end ATPO; men desværre uden at vise tegn på selektivitet i forhold til de fire underenheder i receptorerne. Imidlertid bekræfter de strukturkemiske un­dersøgelser, at den introducerede nitrogruppe rent faktisk vekselvirker som ønsket med Tyrosin-702 i GluR2 gennem et vandmolekyle.

Yderligere studier er nu nødvendige for at undersøge, om en sådan vekselvirkning med Tyrosin-702 alene kan udnyt­tes ved design af agonister, som er selektive over for under­enhederne i AMPA-receptorerne, men ikke ved design af antagonister med tilsvarende selektivitet. Alternativt kan det tænkes, at der er andre parametre end vekselvirkning med Tyrosin-702, som har større betydning for antagonisters se­lektivitet. En ting er givet: Virkningsmekanismen er mere kompleks end først antaget.