Leki przeciwzapalne

Leki przeciwzapalne

• Niesteroidowe (NSAID – non-

steroidal 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

Obecna roczna produkcja > 40.000 t

Nieodwracalna inhibicja cyklooksygenazy (COX) i odwracalna inhibicja PLA2

Działanie przeciwzakrzepowe: inhibicja COX w płytkach krwi

(John Vane – nagroda Nobla 1982 za odkrycie działania aspiryny)

też substancja aktywna

(nie działa na COX)

aspiryna.sce

Pierwsze opisane użycie: Hipokrates 500 BC

wyciąg z kory wierzby (łac. salix)

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

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

śr. p.bólowe

(Tylenol)

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 + glutation (GluCysGly)

Synteza czynników

przeciwzapalnych

z kwasów -3

5-LOX – 5-lipoksygenaza

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) - wycofany z rynku z powodu 1%

zagrożenia atakiem serca

Pochodna

celekoksybu Działa tylko na COX-2

(COX-2 nie występuje w

komórkach żołądka) –

działa tylko w miejscu

zapalenia

COX-2 ze

związanym SC-558

PDB id: 1CX2

Większe miejsce

aktywne niż w COX-1

inh_COX2.sce, align3

Metotreksat

rok odkrycia – lata 1948 (Lederle), rok wprowadzenia – 1953

przeciw-metaboliczny / przeciwzapalny / immonosupresant

w szczególności: artretezm, choroba Crohna, łuszczyca (psoriasis)

Struktura molekularna

MTX związany z DHFR

(dihydrofolate reductase)

PDB id: 1RG7

Metotreksat, nawet w dawkach dużo mniejszych niż przeciwko

nowotworom hamuje namnażanie limfocytów T i czynników

zapalnych jak TNF-α i interleukiny-10 MTX.sce

Kwas foliowy reguluje wzrost, funkcjonowanie i podział

komórek

Jest potrzebny także do budowy DNA: synteza tymidyny

Acetaminofen

rok odkrycia – 1873, rok wprowadzenia – 1955 (McNeil Lab Johnson&Johnson)

Inne nazwy: Paracetamol, acetyl-para-aminophenol (APAP) Przeciwbólowy, stosowany sam lub z oksykodonem

morfina

Struktura molekularna

Wcześniejsze środki - efekt uboczny:

zmniejszają stężenie tlenu we krwi (metabolizowane do acetaminofenu)

NAPQI – toksyczny produkt metabolizmu nadmiaru

acetaminofenu przez cytochrom P450

– uszkadza wątrobę (nieodwracalnie wiąże glutation)

Propozycje działania:

(1) blokuje COX-3

(2) blokuje receptory kanabinoidowe

(jako pochodna anandamidu: AM404) blokuje COX-1 i COX-2

morfina

(agonista OR)

Oksykodon

(agonista OR)

mechanizm synergiczny

Efekty uboczne podobne do morfiny ale mniej uzależnia

(anandamid)

(AM404)

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)

Kortyzol – b. szeroki zakres działania (tzw. hormon stresu)

Kortyzon kortyzol w wątrobie

Nagroda Nobla 1950 za odkrycie

przeciwzapalnego działania steroidów

Zatrzymuje NaCl

w organizmie

Lek przeciw

nadciśnieniu

Efekty uboczne działania

steroidów : np. osteoporoza

Aktywniejszy analog Prednizonu

i z dłuższym czasem życia

kortyzol i receptor kortyzolu.sce

Działanie:

(1) wzrost ekspresji aneksyny-1 (inhibituje PLA2)

(2) zmniejsza wytwarzanie cytokin

Leki działające na receptory

GPCR

Receptory GPCR (G-protein-coupled receptors)

receptory sprzężone z białkiem G

Kontrola w procesach, m.in. :

- przekaźnictwo neuronalne

- naczyniowo-sercowe

- system immunologiczny

- procesy nowotworowe

Ligandy, m.in. :

Fotony (widzenie), jony,

substancje smakowe i zapachowe (związki chem.),

lipidy, neurotransmitery, hormony.

Ok. 30-50% leków jest skierowanych na

receptory GPCR

Białko G

(trimer)

Modele błony komórkowej

Singer–Nicholson „model mozaikowy”

Science (1972) Obecny model

DM Engelman, Nature (2005)

Model molekularny pęcherzyka endoplazmatycznego

Obrazy z mikroskopu

elektronowego

widok z zewnątrz

widok rozciętego

pęcherzyka

S.Takimori at al. Cell 2006

Dwie znane klasy białek błonowych

Receptory GPCR

Rodzina A: Rhodopsin-like (znane

struktury krystaliczne )

Rodzina B: Secretin-like (znana

struktura kryst. r. glukagonu - 2013)

Rodzina C: glutaminianowe / feromonowe

Receptory hormonów: glukagonu, sekretyny, hormonu

przytarczycy i in.

Dopaminowe, histaminowe, serotoninowe, r.chemokin,

r.interleukin, opioidowe, canabinoidowe, melatoninowe,

r. węchowe, …

GABA-B (wiążące kwas -aminomasłowy),

receptory smakowe

Nadrodzina receptorów GPCR ok. 800 typów receptorów

• Receptory glutaminianu

• Podobne do rodopsyny

• Adhezyjne

• Frizzled / smakowe

• Receptory sekretyny

Nowy podział na rodziny

• Glutamate

• Rhodopsin like

• Adhesion

• Frizzled / taste

• 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 filo-

genetyczne

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)

TM1

TM2 TM3

TM4 TM5

TM6

TM7

H8

Struktura rodopsyny

Grupy sacharydowe

Retinal Łańcuchy

palmitynowe

Izomeryzacja cis-trans retinalu

GPCR.sce

Krystaliczne dimery rodopsyny

TM1 TM1

H8

1HZX (2000 r.)

TM5

1GZM (2003 r.) monomery

antyrównoległe

TM5

Oligomer rodopsyny – struktura hierarchiczna

D. Fotiadis et al., Nature 2003 Obrazy z mikroskopu sił atomowych (AFM)

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

"for studies of G-protein-coupled receptors"

Howard Hughes Medical Institute, Duke

University Medical Center, Durham, NC, USA

Stanford University School of Medicine,

Stanford, CA, USA

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

2-adrenergic receptor

Neurotensin receptor

Białka stabilizujące strukturę GPCR

Structure 2012

Sygnalizacja receptorów GPCR

Kobilka lab, Nature 2012

Protease activated receptor

Własności ligandów receptorów

Antagonista

Agonista

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,

adrenalina

Loratadyna (Klarytyna™)

Przeciwalergiczny (II generacja), lek pochodny: Cetrizine (Zyrtec)

Izomery cetryzyny

Struktura molekularna

loratadyny

1 - alergeny

2 - immunoglobuliny E (IgE) – istotne

w obronie przeciw patogenom,

3 – receptor wiążący IgE

4,7 – wydzielanie histaminy,

prostaglandyn i leukotrienów

(czynników prozapalnych)

Wytwarzanie histaminy

w organiźmie Pierwszy lek

antyhistaminowy (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)

Model działania synapsy Każdy neuron tworzy ok 25 tys. połączeń

Rodzaje neurotransmiterów

Około 50 różnych reurotransmiterów

Najpowszechniejszy

neurotransmiter

(brak w ch. Alzheimera)

Monoaminy

Aminokwasy Peptydy

(+endorfiny, enkefaliny, itp.)

Zasady purynowe (ATP, GTP)

(brak w ch.

Parkinsona)

Muskaryna

Rec. muskarynowe

(acetylocholinowe

mAChR)

Acetylocholina

Wpływ związania

liganda na zmiany

struktury

receptorów

GPCR

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

Niezerowa aktywność

podstawowa

B. Kobilka, Cell 2013

Nygaard et al. TiPS 2009

X

Lokalizacja głównych

mikroprzełączników

w receptorach GPCR

Ligandy receptorów opioidowych

Morfina

wyizolowana w 1805 r. z wyciągu

z opium - własności narkotyczne

i przeciwbólowe, zaburzenia oddychania.

Jedyne dwie substancje z wyciągu z

opium nie powodujące uzależnienia

antagonista MOR

agonista MOR

Fentanyl (lata ’50 XX w.) – lek syntetyczny - przeciwbólowy, nienarkotyczny

- 100x silniejszy od morfiny

- Agonista MOR

Silniejsze i krócej działające

analogi fentanylu

10.000x - do usypiania

dużych zwierząt antagonista MOR

agonista KOR

morph_fentanyl.sce

1.000x – w chirurgii

Miejsce wiązania liganda w receptorach opioidowych

Naltrekson (antagonista) - OR Butorfanol (agonista) - OR

Przejście z pozycji antagonisty do agonisty

Y3.33 D3.32

Y7.43

H6.52

TM6 TM7

TM3

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

D3.32

Y7.43

H6.52

TM6 TM7

TM3

W6.48

Morfina – oba przełączniki wł.

Schemat pierwszego

etapu aktywacji receptora

Schemat aktywacji receptorów opioidowych

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. GPCR_opioid.rec.sce

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

Postęp symulacji MD

Yuan et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2015

Na ruch cząsteczek wody wpływa obecność jonu Na+ co indukuje zmianę konformacyjną

reszty Y2887.53 i utworzenie ciągłej ścieżki wodnej przez receptor.

Antagonista ZMA

Agonista NECA

Centralny mikroprzełącznik w receptorach

kanabinoidowych

Zmiana rotamerów w aminokwasach mikroprzełącznika

Latek et al. JMM 2011

Agonista (THC) zadokowany do miejsca wiążącego w receptorze CB1

Ortosteryczne i allosteryczne

miejsca wiązania ligandów

Lokalizacja cholesterolu w

kompleksach receptorów 2AR

Ortosteryczne miejsce wiążące cholesterol

Receptor SMO (V329F – mutacja inaktywująca

receptor)

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™)

Inhibitor dekarboksylazy

L-aminokwasowej

(ale nie w mózgu bo carbidopa nie

przekracza BBB dzięki czemu dużo

więcej Levodopy przechodzi do mózgu

i tworzy dopaminę)

Stosowana przy niedoborze dopaminy

w chorobie Parkinsona.

Przekracza barierę krew-mózg jako

aminokwas (podobieństwo do Tyr)

Sama dopamina nie przekracza bariery krew-

mózg (BBB – blood-brain barier)

Wytwarzanie

w organiźmie

Dostarczanie neuroprzekaźnika

Lek wspomagający:

Ad. 2. Leki przeciwlękowe

Agoniści receptorów serotoninowych

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

Buspiron

agonista receptora serotoninowego 5-HT1A

+ antagonista receptora dopaminowego D2

+ zmniejsza stężenie acetylocholiny

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)

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

Tubokuraryna Antagonista receptora nikotynowego

(lek zwiotczający mięśnie)

Czarna

mamba

Dendrotoksyny Blokują kanały jonowe i receptory

muskarynowe (m-acetyloholinowe)

Muskaryna agonista

Nicotiana

tabacum

Amanita muscaria

Nikotyna agonista

+

acetylocholina

Dwa rodzaje receptorów acetylocholinowych

Receptor nikotynowy (kanał jonowy)

i-acetylocholinowy

Receptor muskarynowy (GPCR)

m-acetylocholinowy

Dimeryzacja receptorów GPCR znaczne rozszerzenie funkcjonalności tych receptorów

Odpowiedź receptorów opioidowych delta i kappa na związanie agonisty 6’-GNTI

Dimer receptora

opioidowego kappa: