Balle, Thomas

Harpsøe, Kasper

Kaae, Birgitte Høiriis

Kastrup, Jette Sandholm Jensen

Pickering, Darryl S

Danish

Copenhagen University Research Information System

u n i ve r s i t y  o f  co pe n h ag e n  Københavns UniversitetComputeren viser vejen til et nyt potentielt lægemiddelHarpsøe, Kasper; Kaae, Birgitte Høiriis; Balle, Thomas; Pickering, Darryl S; Kastrup, JetteSandholm JensenPublished in:LægemiddelforskningPublication date:2008Document versionOgså kaldet Forlagets PDFCitation for published version (APA):Harpsøe, K., Kaae, B. H., Balle, T., Pickering, D. S., & Kastrup, J. S. J. (2008). Computeren viser vejen til et nytpotentielt lægemiddel. Lægemiddelforskning, 28-30.Download date: 02. Feb. 20202 8 l æ g e m i d d e l f o r s k n i n g  –  2 0 0 8Mange receptorer i kroppen indeholder flere identiske bindingssteder for lægemiddelstoffer. Ved at sammen-koble to molekyler af et lægemiddelstof kan to bin-dingssteder påvirkes i ét hug. Det styrker bindingen til receptoren, og virkningen forøges. Af Kasper Harpsøe, Birgitte H. Kaae, Thomas Balle,  Darryl S. Pickering og Jette S. KastrupNår et lægemiddelstof binder til en receptor, frigives der en mængde energi, som kaldes bindingsaffinitet. Da bindingen til receptoren er en forudsætning for stoffets virkning, bety-der en højere bindingsaffinitet normalt et mere effektivt læ-gemiddel. Mange receptorer i kroppen er sammensat af flere ens enhe-der, som samtidig skal binde et lægemiddelmolekyle for at opnå optimal effekt. Det kræver altså, at fx to lægemiddel-molekyler uafhængigt af hinanden skal finde frem til to for-skellige bindingssteder. I nogle tilfælde kan to ens lægemid-delmolekyler forbindes til ét molekyle, en dimer, der samtidig kan binde til de to bindingssteder. Det er lettere for et mole-kyle at finde frem til det rette bindingssted, end det er for to molekyler at finde frem til to bindingssteder på samme tid. Derfor kan man forøge bindingsaffiniteten af en dimer op til tusind gange i forhold til monomeren. En sådan forøgelse af bindingsaffiniteten kan give mere po-tente lægemidler, og fremstilling af dimerer benyttes der-for i forsøget på at udvikle bedre medicin. På trods af flere eksempler på denne strategi er det dog først nu lykkedes at føre et strukturelt bevis for, at den øgede bindingsaffi-nitet og forbedrede virkning rent faktisk skyldes binding til to identiske bindingssteder. Vi genererede en hypotese ved hjælp af computersimuleringer og har siden bevist hypotesen via en røntgenstruktur og forsøg med cellekulturer. AMPA-receptorerAMPA-receptorerne er en familie af receptorer, som er mål for lægemidler. Receptorerne er bl.a. involveret i hukommel-se og indlæring, og ved sygdomme som Alzheimers sygdom ses et nedsat antal AMPA-receptorer i hjernen. Hvis impulser-ne fra de tilbageværende receptorer kan forøges, kan symp-tomerne måske afhjælpes. AMPA-receptorer er ionkanaler og består af fire næsten identiske enheder, som hver indeholder et bindingssted for glutamat, som er et af hjernens vigtigste aktiverende signal-stoffer. Receptorerne sidder i nervecellernes membraner og er ansvarlige for en stor del af impulsoverførslen mellem de enkelte celler i nervesystemet.Glutamat frigives som følge af en nerveimpuls fra den præ-synaptiske nervecelle, og AMPA-receptorerne på den postsy-naptiske nervecelle sørger for, at impulsen sendes videre. Når glutamat binder sig en AMPA-receptor, åbnes ionkanalen, og en elektrisk impuls startes via de ioner, som strømmer gen-nem kanalen. En gruppe stoffer kaldet positive allosteriske modulatorer forstærker den normale strøm af ioner gennem receptoren og er derfor i fokus som potentielle lægemiddel-stoffer. En god ideIdeen med at konstruere en dimer af modulatorerne opstod under et ph.d.-projekt i gruppen for Biostrukturel Forskning på Institut for Medicinalkemi. Baggrunden herfor var den første tilgængelige røntgenstruktur af en AMPA-receptor i kompleks med en modulator, kaldet Cyclothiazide (CTZ). Den tredimensionelle struktur viser, at AMPA-receptoren in-deholder to ens bindingssteder for CTZ relativt tæt på hinan-den i den symmetriske grænseflade mellem to receptoren-heder. Vi beregnede en overflade af området i receptoren og fandt, at en smal kanal forbinder de to bindingssteder, så de AMPA-receptorer er et mål for lægemid-ler til behandling af fx Alzheimers syg-dom. Receptorerne er ionkanaler, og de består af fire næsten identiske enheder, som hver indeholder et bindingssted for signalstoffet glutamat. Glutamat frigives som følge af en nerveimpuls fra den præsynaptiske nervecelle. Når signalstof-fet binder til AMPA-receptorerne på den postsynaptiske celle, åbnes ionkanalen, og en elektrisk impuls startes ved, at ioner strømmer gennem kanalen.       potentielt lægemiddel    Computeren viser vejentil et nyt2 9d e t  f a r m a c e u t i s k e  f a k u l t e t ,  k ø b e n h a v n s  u n i v e r s i t e t Røntgenstrukturen af den glutamat-bindende del af en AMPA-receptor i kompleks med modulatoren CTZ (hvide kulstofatomer).  Computermodellen viser, hvordan BPS-modulatorerne (cyane kulstofatomer) binder i forhold til CTZ i den beregnede overflade af receptorhulrummet.  Den eksperimentelt bestemte røntgenstruktur af en AMPA-receptor i kompleks med dimer 1 (brune kul-stofatomer) sammenlignet med CTZ. Strukturen er i god overensstemmelse med den forudsagte bindingsmåde.3 0 l æ g e m i d d e l f o r s k n i n g  –  2 0 0 8Ph.d. Kasper Harpsøe er postdoc på Institut for Medicinalkemi.Cand.scient. Birgitte H. Kaae er ph.d.-studerende på Institut for Medicinalkemi.Ph.d. Thomas Balle er lektor på Institut for Medicinalkemi.Ph.d. Darryl S. Pickering er lektor på Institut for Farmakologi og Farmakoterapi.Ph.d. Jette S. Kastrup er lektor på Institut for Medicinalkemi. tilsammen danner et symmetrisk hulrum. Dermed åbnes mu-ligheden for at designe et symmetrisk molekyle, der på sam-me tid kan binde til begge CTZ-bindingssteder. CTZ var dog ikke oplagt som udgangspunkt for at designe en dimer. Det var derfor nødvendigt at identificere andre modulatorer, som binder i samme område af receptoren.Computergenereret bindingsmodelEn serie af modulatorer, biarylpropylsulfonamider (BPS), blev fundet i litteraturen med tilhørende aktivitetsdata, og de vi-ste sig at indeholde lige det strukturelement, vi havde brug for. En af modulatorerne var tidligere publiceret i forbindelse med en mutation i receptoren, der havde en tydelig effekt på stoffets virkning. At denne mutation samtidig havde vist sig at påvirke effekten af CTZ, var en klar indikation på, at der var tale om samme bindingssted. Vi benyttede et computerprogram til at generere forslag til, hvordan BPS-modulatorerne kunne passe ind i en røntgen-struktur af AMPA-receptoren. Ved at beregne og vurdere for-skellige faktorer, som influerer på stoffernes bindingsaffini-tet, udvalgte vi den mest sandsynlige bindingsmåde for hver BPS-modulator. På baggrund af modulatorernes interaktio-ner med receptoren, fx via hydrogenbindinger, kunne vi for-klare, hvorfor nogle af stofferne er mere effektive end andre. For at evaluere den forudsagte binding til AMPA-receptoren, delte vi serien af modulatorer i to grupper; et træningssæt og et testsæt. Træningssættet blev brugt til at konstruere en computermodel, der identificerede en mulig sammenhæng mellem modulatorernes tredimensionelle struktur og deres virkning på receptoren. Det faktum, at computermodellen kunne forudsige aktiviteten af BPS-modulatorerne i testsæt-tet, bekræftede, at vores forslag til, hvordan de binder, var korrekt. Bindingsmodellen kunne derefter bruges som ud-gangspunkt for videre studier.Design af en dimerDe fleste af BPS-modulatorerne indeholder et biphenyl-struk-turelement, der udover selv at være symmetrisk viste sig at binde midt i det symmetriske hulrum. Propylsulfonamid-de-len af disse modulatorer binder til samme sted, som et af de to CTZ molekyler. Derfra var der ikke langt til ideen med en dimer, der indeholder to propylsulfonamid-enheder med en biphenyl-enhed i midten. Vi designede et par forslag til di-merer og undersøgte, om de passede ind i bindingsmodellen for BPS-modulatorerne.Kun dimer 1 blev forudsagt til at have en fuldstændig sym-metrisk binding til de to CTZ-bindingssteder. Samtidig forud-sagde computerberegningerne en høj bindingsaffinitet for dimer 1 og dermed sandsynligvis også en god virkning på receptoren. Bevis for binding og effektAlt arbejdet var indtil nu foretaget på computer. Bindingen af dimer 1 til to identiske bindingssteder var derfor kun teori uden konkrete beviser. Desuden var det ikke belyst, hvilken effekt, der kunne opnås fra dimeren i forhold til monomeren af samme stof. Derfor etablerede vi et samarbejde med Chem-MedChem forskningsgruppen på Institut for Medicinalkemi med henblik på fremstilling af modulatorerne og med Sektionen for Cel-lulær Neurofarmakologi på Institut for Farmakologi og Far-makoterapi med henblik på test af modulatorernes virkning på AMPA-receptorerne. Dimer 1 og monomer 1 blev derpå fremstillet og testet på rekombinante AMPA-receptorer, som var udtrykt i cellemembranerne på levende frøæg. Desuden startede gruppen for Biostrukturel Forskning et eksperiment med at løse røntgenstrukturen af en AMPA-recetor i kom-pleks med dimer 1. De farmakologiske tests viste, at både dimer 1 og monomer 1 forøgede strømmen af ioner gennem AMPA-receptorerne med mellem 700 og 1000 procent i forhold til kontrolmålin-ger uden en modulator. Desuden viste resultaterne, at dimer 1 er over 1000 gange mere potent end monomer 1. Rønt-genstrukturen viser, at dimer 1 binder i grænsefladen mellem to receptorenheder. Biphenyl-elementet placerer sig i midten af hulrummet, mens propylsulfonamid-enhederne anbringer sig i de to identiske CTZ-bindingsteder. Resultaterne bekræfter helt tydeligt, at fremstilling af dime-rer, som binder til to identiske bindingssteder, kan føre til ud-vikling af langt mere potente lægemidler. I den forbindelse bliver dimer 1 i øjeblikket undersøgt for en potentielt frem-mende effekt på kognitive egenskaber hos forsøgsdyr. Sam-tidig stemmer røntgenstrukturen godt overens med compu-termodellen, hvilket viser, at computerværktøjer kan være en yderst effektiv hjælp ved design af nye potentielle lægemid-delstoffer. Strukturformler for CTZ, den mest potente af BPS-modulatorerne, samt dimer 1 og monomer 1.HNSO ONHSO ODimer 1Monomer 1BiphenylPropyl-sulfonamidHNSO OH2NMest potente BPSNHNHSOOClSOOH2NCTZ

Computeren viser vejen til et nyt potentielt lægemiddel

https://curis.ku.dk/portal/files/10095772/Computeren.pdf

Computeren viser vejen til et nyt potentielt lægemiddel

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Copenhagen University Research Information System