Leki przeciwzapalne

Leki przeciwzapalne

• Niesteroidowe (NSAID – nonsteroidal anti-inflammatory drug) • Steroidowe

Kwas acetylosalicylowy (Aspirin™) rok odkrycia – 1897 (F. Hoffmann), rok wprowadzenia – 1899 (Bayer) NSAID, przeciwko zapaleniom oraz gorączce Leki pochodne: ibuprofen, naproxen, celecoxib

Struktura molekularna

też substancja aktywna (nie działa na COX)

Obecna roczna produkcja > 40.000 t

Pierwsze opisane użycie: Hipokrates 500 BC wyciąg z kory wierzby (łac. salix)

Nieodwracalna inhibicja cyklooksygenazy (COX) i odwracalna inhibicja PLA2 Działanie przeciwzakrzepowe: inhibicja COX w płytkach krwi (John Vane – nagroda Nobla 1982 za odkrycie działania aspiryny)

 aspiryna.sce

Dimer COX-1 w błonie z inhibitorem

źródło: wikipedia

 1PTH sce

Fosfolipaza A2

– dostarcza substratu dla COX

Wycinanie AA (substrat COX-1) z błony komórkowej przez fosfolipazę A2 (PLA2) PLA2 zanurzona w błonie komórkowej

 1OXR (PLA2 z aspiryną) sce

Naproksen rok odkrycia – lata ’70, rok wprowadzenia – 1976 (Syntex Co.) NSAID, przeciwko różnym rodzajom bólu, łagodnym zapaleniom oraz gorączce

 śr. p.bólowe (Tylenol)

Struktura molekularna

Poprzednie leki - dużo efektów ubocznych (w szczeg. podrażnienia gastryczne)

Strategie bezpośrednich modyfikacji

Wynikowe leki Naproxen: 2x silniejszy niż Ibuprofen i ma dłuższy 1/2 ~12h  IBP-COX1.sce

Synteza czynników prozapalnych

Synteza prostaglandyn (czynników prozapalnych) z kwasu arachidonowego

Miejsce aktywne COX-1: A. z substratem (AA) – 1DIY B. z Ibuprofenem – 1EQG

 AA…4x sce

Przebieg procesów zapalnych

Synteza czynników prozapalnych z kwasów -6

5-LOX – 5-lipoksygenaza Synteza czynników przeciwzapalnych z kwasów -3

Przebieg zapalenia ogólnie

+ czynniki transkrypcyjne wielu genów prozapalnych w tym COX

Celekoksyb rok odkrycia – lata 1993, rok wprowadzenia – 1999 (Pfizer) NSAID, przeciwko ostrym bólom, chorobie zwyrodnieniowej stawów, zapaleniu stawów

Struktura molekularna Konkurencyjny lek (Merck) Działa tylko na COX-2 (COX-2 nie występuje w komórkach żołądka) – działa tylko w miejscu zapalenia

- wycofany z rynku z powodu 1% zagrożenia atakiem serca

Pochodna celekoksybu

COX-2 ze związanym SC-558 PDB id: 1CX2 Większe miejsce aktywne niż w COX-1  inh_COX2.sce

Metotreksat rok odkrycia – lata 1948 (Lederle), rok wprowadzenia – 1953 przeciw-metaboliczny / przeciwzapalny / immonosupresant w szczególności: artretezm, choroba Crohna, łuszczyca (psoriasis)

Kwas foliowy reguluje wzrost, funkcjonowanie i podział komórek

Struktura molekularna MTX związany z DHFR (dihydrofolate reductase) Jest potrzebny także do budowy DNA: synteza tymidyny

Metotreksat, nawet w dawkach dużo mniejszych niż przeciwko nowotworom hamuje namnażanie limfocytów T i czynników zapalnych jak TNF-α i interleukiny-10

PDB id: 1RG7

 MTX.sce

Acetaminofen rok odkrycia – 1873, rok wprowadzenia – 1955 (McNeil Lab  Johnson&Johnson) Inne nazwy: Paracetamol, acetyl-para-aminophenol (APAP) Przeciwbólowy, stosowany sam lub z oksykodonem

Struktura molekularna

Wcześniejsze środki - efekt uboczny: zmniejszają stężenie tlenu we krwi

NAPQI – toksyczny produkt metabolizmu nadmiaru acetaminofenu przez cytochrom P450 – uszkadza wątrobę (nieodwracalnie wiąże glutation)

(anandamid)

(metabolizowane do acetaminofenu)

Propozycje działania: (1) blokuje COX-3 (AM404) (2) blokuje receptory kanabinoidowe (jako pochodna anandamidu: AM404)  blokuje COX-1 i COX-2

Oksykodon (agonista OR) mechanizm synergiczny Efekty uboczne podobne do morfiny ale mniej uzależnia

morfina (agonista OR)  morfina

Prednizon rok odkrycia – lata ’50, rok wprowadzenia – 1955 (Pharmacia and Upjohn) steroid, przeciwzapalny: astma, choroba Crohna, + zapobieganie odrzucaniu przeszczepów

Struktura molekularna m.in. hamuje fagocytozę prolek ( prednizolon)

Zatrzymuje NaCl w organizmie

Lek przeciw nadciśnieniu

Efekty uboczne działania steroidów : np. osteoporoza

Kortyzol – b. szeroki zakres działania (tzw. hormon stresu) Kortyzon  kortyzol w wątrobie Działanie: Nagroda Nobla 1950 za odkrycie przeciwzapalnego działania steroidów

Aktywniejszy analog Prednizonu i z dłuższym czasem życia

(1) wzrost ekspresji aneksyny-1 (inhibituje PLA2) (2) zmniejsza wytwarzanie cytokin  kortyzol i receptor kortyzolu.sce

Leki działające na receptory GPCR

Receptory GPCR (G-protein-coupled receptors) receptory sprzężone z białkiem G

Ligandy, m.in. :

Białko G (trimer)

Fotony (widzenie), jony, substancje smakowe i zapachowe (związki chem.), lipidy, neurotransmitery, hormony. Kontrola w procesach, m.in. : - przekaźnictwo neuronalne - naczyniowo-sercowe - system immunologiczny - procesy nowotworowe Ok. 30-50% leków jest skierowanych na receptory GPCR

Modele błony komórkowej

Singer–Nicholson „model mozaikowy” Science (1972)

Obecny model DM Engelman, Nature (2005)

Model molekularny pęcherzyka endoplazmatycznego

widok z zewnątrz

widok rozciętego pęcherzyka

Obrazy z mikroskopu elektronowego

S.Takimori at al. Cell 2006

Dwie znane klasy białek błonowych

Receptory GPCR Rodzina A: Rhodopsin-like (znane struktury krystaliczne ) Dopaminowe, histaminowe, serotoninowe, r.chemokin, r.interleukin, opioidowe, canabinoidowe, melatoninowe, r. węchowe, …

Rodzina B: Secretin-like (znana struktura kryst. r. glukagonu - 2013) Receptory hormonów: glukagonu, sekretyny, hormonu przytarczycy i in.

Rodzina C: glutaminianowe / feromonowe GABA-B (wiążące kwas -aminomasłowy), receptory smakowe

Nadrodzina receptorów GPCR ok. 800 typów receptorów

Nowy podział na rodziny • Receptory glutaminianu

• Glutamate

• Podobne do rodopsyny

• Rhodopsin like

• Adhezyjne

• Adhesion

• Frizzled / smakowe

• Frizzled / taste

• Receptory sekretyny

• Secretin

GRAFS – nazwa tego podziału

Rodzina (A) - Rhodopsin like (zawiera 90% receptorów GPCR)

• • • • • • • •

Amine Peptide Hormone protein (Rhod)opsin Olfactory Prostanoid Nucleotide-like Cannabinoid

• • • • • • • •

Platelet activating factor Gonadotropin-releasing hormone Thyrotropin-releasing hormone & Secretagogue Melatonin Viral Lysosphingolipid & LPA (EDG) Leukotriene B4 receptor Orphans (receptory sieroce – tzn. funkcja jeszcze nieznana )

GPCRs – Rhodopsin like – peptide

• • • • • • • • •

Angiotensin Bombesin Bradykinin C5a anaphylatoxin APJ like Fmet-leu-phe Interleukin Chemokine CCK (cholecystokinin)

• • • • • • • • •

Endothelin Melanocortin Neuropeptide Y Neurotensin Opioid Somatostatin Tachykinin Vasopressin-like Galanin like

• • • • • • •

Protease-activated Orexin & neuropeptide FF Urotensin II Adrenomedullin (G10D) GPR37 / endothelin B Neuromedin U Somatostatin- and angiogenin peptide • Allatostatin C / drostatin C

Dalszy podział na podtypy: () MOR, () DOR, () KOR

Drzewo filogenetyczne receptorów GPCR

http://gpcr.scripps.edu/

Leki działające na receptory GPCR (receptory związane z białkiem G)

Receptory GPCR - działanie

Budowa receptora GPCR (7TM)

Helisy receptora GPCR są prostopadłe do powierzchni błony lipidowej

Związanie liganda powoduje zmianę kształtu receptora

Receptory GPCR – wzmocnienie sygnału

Budowa białka G (G) Po związaniu białka G z receptorem następuje wymiana GDP na GTP

Podjednostka G aktywuje enzym cyklazę adenylanową (AC) która wytwarza c-AMP (przekaźnik II-rodzaju), który z kolei aktywuje kanały jonowe.

Rodopsyna i proces widzenia

Enzym fosfodiesteraza (PDE): zmniejsza stężenie przekaźników II-rodzaju (kanały jonowe zamykają się)

Struktura rodopsyny Grupy sacharydowe

TM4

TM5

Retinal

Łańcuchy palmitynowe

TM3 TM2 TM6 TM1 TM7 H8

Izomeryzacja cis-trans retinalu  GPCR.sce

Krystaliczne dimery rodopsyny H8

TM1 TM1 1HZX (2000 r.)

TM5 TM5 monomery antyrównoległe

1GZM (2003 r.)

Oligomer rodopsyny – struktura hierarchiczna

Obrazy z mikroskopu sił atomowych (AFM)

D. Fotiadis et al., Nature 2003

Model natywnego oligomeru rodopsyny

Protein Data Bank, id=1N3M (2003)

Rola dimeryzacji w cyklu życiowym receptorów GPCR

S.Terrillon at al. EMBO Rep. 2004

Struktury krystaliczne receptorów GPCR

Rodopsyna 2000 r.

Receptor 2AR 2007 r.

Receptor A2AR 2008 r.  GPCR.sce

Nagroda Nobla z Chemii 2012

Robert J. Lefkowitz

Brian K. Kobilka

Howard Hughes Medical Institute, Duke University Medical Center, Durham, NC, USA

Stanford University School of Medicine, Stanford, CA, USA

"for studies of G-protein-coupled receptors" Prace nad: receptory adrenergiczne α i β, kinaza GRK, sygnalizacja przez arestynę.

Obecne techniki krystalizacyjne dla GPCR • Mikrokrystalografia • Stabilizacja termiczna przez mutacje • Stabilizujące białka: lizozym, apocytochrom, przeciwciało

Neurotensin receptor 2-adrenergic receptor

Białka stabilizujące strukturę GPCR

Structure 2012

Sygnalizacja receptorów GPCR

Protease activated receptor

Kobilka lab, Nature 2012

Własności ligandów receptorów

Agonista

Antagonista

Inwersyjny agonista

Funkcjonalna selektywność ligandy „stronnicze”

Funkcjonalna selektywność przykłady

Zwiększone zniesienie bólu

Depresja oddechowa

Skurcz mięśni gładkich, zatrzymanie Na+ i płynów

 Kurczliwość serca,  Apoptoza komórek serca

Ligandy receptorów serotoninowych 5-HT

Ergotamina – wielkocząsteczkowy alkaloid otrzymywany ze sporyszu. Lek (powoduje skurcz mięśni gładkich) i używany m.in. do produkcji LSD.

 GPCR.sce

Sygnalizacja stronnicza przez arestynę hipoteza kodów kreskowych

Różne typy ligandów receptora 2AR

J.J. Liu et al, Science 2012

Salmeterol Agonista receptora β2AR, lek przeciwastmatyczny

Struktura molekularna Długodziałający lek rozszerzający oskrzela, Efekty uboczne: zaburzenia rytmu serca

Lek krótko- ale szybko-działający. Stosowane są też kombinacje tych leków.

 2AR, 1AR,

Loratadyna (Klarytyna™) Przeciwalergiczny (II generacja), lek pochodny: Cetrizine (Zyrtec)

1 - alergeny 2 - immunoglobuliny E (IgE) – istotne w obronie przeciw patogenom, 3 – receptor wiążący IgE 4,7 – wydzielanie histaminy, prostaglandyn i leukotrienów (czynników prozapalnych)

Struktura molekularna loratadyny

Wytwarzanie histaminy w organiźmie

Pierwszy lek antyhistaminowy

Izomery cetryzyny

(efekt uboczny: senność)

Blokują receptor histaminowy H1, (blokery receptora H2 zmniejszają wydzielanie kwasu w żołądku)

Przewodnictwo neuronalne

W mózgu jest ok. 1011 neuronów i 1015 synaps (połączeń między neuronami) Każdy neuron tworzy ok 25 tys. połączeń

Model działania synapsy

Rodzaje neurotransmiterów

Acetylocholina Najpowszechniejszy neurotransmiter (brak w ch. Alzheimera)

(brak w ch. Parkinsona)

Muskaryna Rec. muskarynowe (acetylocholinowe mAChR)

Zasady purynowe (ATP, GTP)

Monoaminy

Aminokwasy

Peptydy (+endorfiny, enkefaliny, itp.)

Około 50 różnych reurotransmiterów

Wpływ związania liganda na zmiany struktury receptorów GPCR Niezerowa aktywność podstawowa

Bokoch et al. (B. Kobilka lab) Nature 2010

B. Kobilka, Cell 2013

Lokalizacja głównych mikroprzełączników w receptorach GPCR

X

Nygaard et al. TiPS 2009

Ligandy receptorów opioidowych Fentanyl (lata ’50 XX w.) – lek syntetyczny -

Morfina wyizolowana w 1805 r. z wyciągu z opium - własności narkotyczne

przeciwbólowy, nienarkotyczny 100x silniejszy od morfiny Agonista MOR

Silniejsze i krócej działające analogi fentanylu

i przeciwbólowe, zaburzenia oddychania. agonista MOR

antagonista MOR agonista KOR

10.000x - do usypiania dużych zwierząt

antagonista MOR

Jedyne dwie substancje z wyciągu z opium nie powodujące uzależnienia

1.000x – w chirurgii  morph_fentanyl.sce

Miejsce wiązania liganda w receptorach opioidowych

Naltrekson (antagonista) - OR

Butorfanol (agonista) - OR

Przejście z pozycji antagonisty do agonisty

TM3

TM3 Y3.33

D3.32 Y7.43

D3.32

Y7.43 H6.52 W6.48

H6.52 TM6

TM7

Dwie pozycje naltreksonu antagonisty (zielony) i agonisty (pom.)

TM6

TM7

Morfina – oba przełączniki ON

Schemat aktywacji receptorów opioidowych

Schemat pierwszego etapu aktywacji receptora

Morfina - OR

Efekty allosteryczne jonów sodowych

Yuan et al. Angew. Chem. 2013

Podobieństwo agonistów i antagonistów receptorów GPCR

Struktura krystaliczna receptora opioidowego kappa

SASA (Solvent Accessible Surface Area) dla agonistów i antagonistów receptora κOR

Parametr SASA był liczony dla ortosterycznego miejsca wiązania liganda. Obliczenia oparte na końcowych 5 ns z 20 ns pełnoatomowej symulacji MD

Schemat działania lewalorfanu w receptorach opioidowych κOR i μOR

Lewalorfan działa jako antagonista w μOR, zmniejsza SASA, blokując napływ wody do receptora.

W2466.48 otwiera bramę do utworzenia ciągłej ścieżki wodnej w A2AR

Antagonista ZMA

Agonista NECA Postęp symulacji MD

Na ruch cząsteczek wody wpływa obecność jonu Na+ co indukuje zmianę konformacyjną reszty Y2887.53 i utworzenie ciągłej ścieżki wodnej przez receptor. Yuan et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2015

Centralny mikroprzełącznik w receptorach kanabinoidowych

Agonista (THC) zadokowany do miejsca wiążącego w receptorze CB1

Zmiana rotamerów w aminokwasach mikroprzełącznika

Latek et al. JMM 2011

Ortosteryczne i allosteryczne miejsca wiązania ligandów

Lokalizacja cholesterolu w kompleksach receptorów 2AR

http://gpcr.scripps.edu/

Równoczesne wiązanie dwu ligandów w receptorze sfingozyny S1P2R (model) Satsu et al. BMC 2013

Ligandy allosteryczne - pepducyny

Sekwencja peptydu pepducyny jest identyczna z sekwencją jednej z pętli IC receptora GPCR

Działają jako agoniści lub antagoniści

Działanie jako agonista. Model struktury z białkiem G

Porównanie ze strukturą dimeru receptora GPCR

Strategie działania leków na synapsy

1. Dostarczanie neuroprzekaźnika

2. Aktywacja lub blokowanie receptora 3. Blokowanie wychwytu neuroprzekaźnika (transportera lub enzymu)

Ad. 1. Levodopa (Larodopa™) Dostarczanie neuroprzekaźnika Stosowana przy niedoborze dopaminy w chorobie Parkinsona. Przekracza barierę krew-mózg jako aminokwas (podobieństwo do Tyr)

Lek wspomagający:

Wytwarzanie w organiźmie Inhibitor dekarboksylazy L-aminokwasowej Sama dopamina nie przekracza bariery krewmózg (BBB – blood-brain barier)

(ale nie w mózgu bo carbidopa nie przekracza BBB dzięki czemu dużo więcej Levodopy przechodzi do mózgu i tworzy dopaminę)

Ad. 2. Leki przeciwlękowe Agoniści receptorów serotoninowych

(5-HT – 5-hydroksytryptofan (prekursor serotoniny))

Benzodiazepiny wcześniejsze leki (ryzyko uzależnienia) działają na receptor GABAA

GABAA – receptor - kanał chlorkowy GABAB – receptor GPCR

(powiązany z kanałami K+ i Ca2+ poprzez białko G)

Buspiron agonista receptora serotoninowego 5-HT1A + antagonista receptora dopaminowego D2 + zmniejsza stężenie acetylocholiny

Ad. 3. Leki przeciwdepresyjne Inhibitory wychwytu zwrotnego neuroprzekaźników: serotoniny, norepinefryny i dopaminy

Działanie antyschizofreniczne

Działanie przeciwdepresyjne (ale dużo efektów ubocznych) TCA – tricyclic antidepressant

Lek drugiej generacji inhibituje wychwyt tylko norepinefryny (z powodu blokowania także kanałów jon. zastąpiony przez SSRI)

SSRI – selective serotonin reuptake inhibitor (inhibitor wychwytu zwrotnego serotoniny)

Trucizny a leki +

Kurara Nikotyna Tubokuraryna

agonista

Antagonista receptora nikotynowego (lek zwiotczający mięśnie)

Nicotiana tabacum

acetylocholina

Czarna mamba Dendrotoksyny Blokują kanały jonowe i receptory muskarynowe (m-acetyloholinowe)

Muskaryna agonista

Amanita muscaria

Dwa rodzaje receptorów acetylocholinowych Receptor muskarynowy (GPCR)

Receptor nikotynowy (kanał jonowy)

m-acetylocholinowy

i-acetylocholinowy

Dimeryzacja receptorów GPCR znaczne rozszerzenie funkcjonalności tych receptorów Odpowiedź receptorów opioidowych delta i kappa na związanie agonisty 6’-GNTI

Dimer receptora opioidowego kappa: