Struktur-aktivitetsforholdRediger
Kernestrukturen af SERM’er simulerer 17β-estradiol-skabelonen. De har to aromatiske ringe adskilt af 1-3 atomer (ofte en stilben-type arrangement). Mellem de to phenyler i kernen har SERM’er typisk en 4-substitueret phenylgruppe, der, når den er bundet til ER, rager ud fra en position af en estratrienkerne, således at helix 12 bevæger sig fra receptoråbningen og blokerer det rum, hvor coactivatorproteiner normalt ville binde og forårsage ER-agonistaktivitet. Der har været mange variationer i SERM’ernes kernedele, mens der har været mindre fleksibilitet med hensyn til, hvad der tolereres i sidekæden. SERM’er kan klassificeres efter deres kernestruktur.
Første generation af triphenylethylenerRediger
Den første hovedstrukturelle klasse af SERM-type molekyler, der er rapporteret, er triphenylethylenerne. Stilbenkernen (svarende til det ikke-steroide østrogen, diethylstilbestrol) efterligner i det væsentlige steroide østrogener såsom 17β-estradiol, mens sidekæden overlapper med steroidkernens 11. position (se figur 5). Triphenylethylenderivater har en ekstra phenylgruppe knyttet til ethylenbrogruppen. Phenolernes H-bindingsevne i 3 position er en væsentlig forudsætning for ER-binding.
Det første lægemiddel, clomifen (2–N,N-diethylethanamin;2-hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylat; se figur 6) har en chlorsubstituent på ethylensidekæden, som giver lignende bindingsaffiniteter som det senere opdagede lægemiddel tamoxifen. Clomifen er en blanding af østrogene (cis-form) og antiøstrogene isomerer (trans-form). Cis og trans er defineret ud fra de geometriske forhold mellem de to usubstituerede phenylringe. De to isomerer af clomifen har forskellige profiler, hvor trans-formen har en aktivitet, der minder mere om tamoxifen, mens cis-formen opfører sig mere som 17β-estradiol. Cis er ca. ti gange mere potent end trans. Trans-isomeren er dog den mest potente stimulator af epitelcellehypertrofi, da clomifen er antagonistisk ved lave doser og agonistisk ved høje doser. De antagonistiske isomerer kan forårsage hæmmende østrogene virkninger i uterus og brystkræft, men den østrogene isomer kan kombinere sig med nye receptorer for at producere østrogene lignende virkninger i knogler.
Tamoxifen ((Z)-2–N,N-dimethyl-ethanamin; se figur 7) er blevet den foretrukne behandling til kvinder, der er diagnosticeret med alle stadier af hormonresponsiv brystkræft, dvs. brystkræft, der både er ER- og/eller progesteron-positiv. I USA gives det også til profylaktisk kemoprævention til kvinder, der er identificeret som kvinder med høj risiko for brystkræft. Tamoxifen er en ren antiøstrogen trans-isomer og har differentieret virkning på østrogenmålvæv i hele kroppen. Tamoxifen er selektivt antiøstrogen i brystet, men er østrogenlignende i knogler og ved endometriecancer. Tamoxifen undergår fase I-metabolisme i leveren ved hjælp af mikrosomale cytokrom P450 (CYP)-enzymer. De vigtigste metabolitter af tamoxifen er N-desmethyltamoxifen og 4-hydroxytamoxifen.
Den krystallografiske struktur af 4-hydroxytamoxifen interagerer med aminosyrerne af ER inden for det ligandbindende domæne. Kontakten mellem den phenoliske gruppe, vandmolekylet og glutamat og arginin i receptoren (ERα; Glu 353/Arg 394) opløser sig i høj affinitetsbinding, således at 4-hydroxytamoxifen, med en phenolisk ring, der ligner A-ringen af 17β-estradiol, har mere end 100 gange højere relativ bindingsaffinitet end tamoxifen, der ikke har nogen phenol. Hvis dens OH-gruppe elimineres eller dens position ændres, reduceres bindingsaffiniteten.
Triphenylethylen-delen og sidekæden er nødvendige for tamoxifenbinding til ER, hvorimod for 4-hydroxytamoxifen synes sidekæden og phenyl-propenen ikke at være afgørende strukturelle elementer for binding til ER. Sidekædens basiskhed og længde synes ikke at spille en afgørende rolle for tamoxiffens bindingsaffinitet til ER og heller ikke for tamoxiffens β-ring, men stilbendelen af tamoxifen er nødvendig for at binde til ER. Hydroxylgruppen er af særlig betydning for ER-binding af 4-hydroxytamoxifen, og ethylsidekæden af tamoxifen stikker ud af det ligandbindende domæne i ER.
Få tamoxifen-brugere har lidt af øget hyppighed af uteruscancer, hedeture og tromboembolier. Lægemidlet kan også forårsage hepatocarcinomer hos rotter. Dette skyldes sandsynligvis ethylgruppen i tamoxifen-stilbenets kerne, som er genstand for allylisk oxidativ aktivering, der forårsager DNA-alkylering og strengsplitning. Dette problem er senere korrigeret i toremifen. Tamoxifen er mere promiskuøs end raloxifen på målestederne på grund af forholdet mellem ER’s aminosyre i Asp-351 og den antiøstrogene sidekæde i SERM’en. Sidekæden til tamoxifen kan ikke neutralisere Asp-351, så stedet påvirker allosterisk AF-1 ved den proximale ende af ER. Dette problem er afhjulpet med andengenerationslægemidlet raloxifen.
Toremifen (toremifencitrat; se figur 8), kemisk betegnet 2-(p-phenoxy)-N,N-dimethylethylethylamincitrat, er et kloreret derivat af det ikke-steroide triphenylethylen-antiøstrogen tamoxifen med en chlorsubstituent ved ethylensidekæden, der giver en lignende bindingsaffinitet som tamoxifen. Toremifen har samme struktur og aktivitetsforhold som tamoxifen, men det har en væsentlig forbedring i forhold til det ældre lægemiddel med hensyn til DNA-alkylering. Tilstedeværelsen af det tilsatte kloratom reducerer stabiliteten af de kationer, der dannes af aktiverede allyliske metabolitter, og mindsker således alkyleringspotentialet, og toremifen viser faktisk ikke DNA-adduktdannelse i gnaverhepatocytter. Toremifen beskytter mod knogletab i ovariektomerede rottemodeller og påvirker knogleresorptionsmarkører klinisk på samme måde som tamoxifen. Toremifen undergår fase I-metabolisme af mikrosomale cytokrom P450-enzymer ligesom tamoxifen, men primært af CYP3A4-isoformen. Toremifen danner sine to vigtigste metabolitter N-desmethyltoremifen og deaminohydroxy-toremifen (ospemifen) ved at undergå N-demethylering og deamineringshydroxylering. N-desmethyltoremifen har samme virkning som toremifen, mens 4-hydroxytoremifen har en højere bindingsaffinitet til ER end toremifen. 4-hydroxytoremifen har en rolle svarende til 4-hydroxytamoxifen.
Andengenerations benzothiophenerRediger
Raloxifen (-phenyl]-methanon; se figur 9) hører til anden generation af benzothiophen SERM-lægemidler. Det har en høj affinitet for ER med potent antiøstrogen aktivitet og vævsspecifikke virkninger, der adskiller sig fra østradiol. Raloxifen er en ER-agonist i knogler og det kardiovaskulære system, men i brystvæv og endometrium virker det som en ER-antagonist. Det metaboliseres i vid udstrækning ved glucuronidkonjugering i tarmen og har derfor en lav biotilgængelighed på kun 2 %, mens den for tamoxifen og toremifen er ca. 100 %.
Fordelen ved raloxifen i forhold til triphenylethylen tamoxifen er en reduceret virkning på uterus. Den fleksible hængselsgruppe samt den antiøstrogene phenyl-4-piperidinoethoxy-sidekæde er vigtige for at minimere uterusvirkningerne. På grund af sin fleksibilitet kan sidekæden opnå en ortogonal disposition i forhold til kernen, således at aminen i raloxifens sidekæde er 1 Å tættere end tamoxifen på aminosyren Asp-351 i ERα’s ligandbindingsdomæne end tamoxifen.
Den kritiske rolle, som det intime forhold mellem raloxifenets hydrofobiske sidekæde og receptorens hydrofobiske rest spiller for at ændre både formen og ladningen af den eksterne overflade af et SERM-ER-kompleks er blevet bekræftet med raloxifenderivater. Når den interaktive afstand mellem raloxifen og Asp-351 øges fra 2,7 Å til 3,5-5 Å, medfører det en øget østrogenlignende virkning af raloxifen-ERα-komplekset. Når raloxifenets piperidinring erstattes af cyclohexan, mister liganden sine antiøstrogeniske egenskaber og bliver en fuld agonist. Interaktionen mellem SERM’s antiøstrogene sidekæde og aminosyren Asp-351 er det vigtige første skridt til at dæmpe AF-2. Det flytter helix 12 væk fra den ligandbindende lomme og forhindrer derved coaktivatorer i at binde sig til SERM-ER-komplekset.
Tredje generationRediger
Den tredje generation af forbindelser viser enten ingen uterusstimulering, forbedret potens, ingen signifikant stigning i hedeture eller endog en kombination af disse positive egenskaber.
Modifikationer af det første dihydronapthalen-SERM, nafoxidin (se figur 10), som var en klinisk kandidat til behandling af brystkræft, men som havde bivirkninger, herunder alvorlig fototoksicitet, resulterede i lasofoxifen ((5R,6S)-6-phenyl-5–5,6,7,8-tetrahydro-naphthalen-2-ol; se figur 11). Nafoxidin har alle tre phenyler fastlåst i en koplanær anordning ligesom tamoxifen. Men ved hydrogenering blev dobbeltbindingen i nafoxiden reduceret, og begge phenyler er cis-orienterede. Den aminbærende sidekæde kan derefter antage en aksial konformation og placere denne gruppe ortogonalt til kerneplanet, ligesom ralofoxifen og andre mindre uterotropiske SERM’er.
Lasofoxifen er blandt de mest potente SERM’er, der er rapporteret med hensyn til beskyttelse mod knogletab og kolesterolsænkning. Den fremragende orale potens af lasofoxifen er blevet tilskrevet reduceret intestinal glucuronidering af phenol. I modsætning til raloxifen opfylder lasofoxifen kravet om en farmakoformodel, der forudsiger resistens over for glucuronidering af tarmvæggen. Det strukturelle krav er en ikke-planar topologi med den steriske bulk tæt på planen af et kondenseret bicyklisk aromatisk system. Interaktionerne mellem ER og lasofoxifen er i overensstemmelse med de generelle træk ved SERM-ER-genkendelse. Lasofoxifenes store fleksible sidekæde ender i en pyrrolidinhovedgruppe og snor sig ud mod proteinets overflade, hvor den interfererer direkte med placeringen af AF-2-helixen. Der dannes en saltbro mellem lasofoxifen og Asp-351. Ladningsneutraliseringen i denne region ER kan forklare nogle antiøstrogene virkninger udøvet af lasofoxifen.
Indolsystemet har fungeret som en kerneenhed i SERM’er, og når en amin er knyttet til indolen med en benzyloxyethyl, blev det vist, at de resulterende forbindelser ikke har nogen præklinisk uterinaktivitet, mens de skåner rotteknogler med fuld effektivitet ved lave doser. Bazedoxifen (1H-indo-5-ol,1-methyl]2-(-4-hydroxyphenlyl)-3-methyl; se figur 10] eddikesyre) er en af disse forbindelser. Det centrale bindingsdomæne består af et 2-phenyl-3-methylindol og en hexamethylenaminring ved sidekædens affektområde. Det metaboliseres ved glucuronidering med en absolut biotilgængelighed på 6,2 %, hvilket er 3 gange højere end raloxifen. Det har agonistiske virkninger på knogle- og lipidmetabolisme, men ikke på bryst- og uterusendometrium. Det tolereres godt og viser ingen forøgelse af hedeture, uterinhypertrofi eller brystspænding.
Ospemifen (Z-2-(4-(4-(4-chlor-1,2-diphenyl-but-1-enyl)phenoxy)ethanol; se figur 13) er et trifenylethylen og en kendt metabolit af toremifen. Det er strukturelt meget lig tamoxifen og toremifen. Ospemifen har ikke 2-(dimethylamino)ethoxygruppe som tamoxifen. Undersøgelser af struktur-aktivitetsforholdet viste, at ved at fjerne denne gruppe af tamoxifen blev agonistisk aktivitet i livmoderen reduceret betydeligt, men ikke i knogler og kardiovaskulært system. Prækliniske og kliniske data viser, at ospemifen tolereres godt uden større bivirkninger. Fordele, som ospemifen kan have i forhold til andre SERM’er, er dets neutrale virkning på hedeture og ER-agonistiske virkning på vagina, hvilket forbedrer symptomerne på vaginal tørhed.
BindingsmåderRediger
Der er kendt, at SERM’erne har fire forskellige bindingsmåder til ER. En af disse egenskaber er stærke hydrogenbindinger mellem liganden og ERα’s Arg-394 og Glu-353, der beklæder “A-ringlommen” og hjælper liganden til at blive i ER’s bindingslomme. Dette er i modsætning til 17β-estradiol, som er hydrogenbundet til His-524 i “D-ringlommen”. Andre karakteristiske bindinger til den ligandbindende lomme er med en næsten plan “kerne”-struktur, der typisk består af en biarylheterocykel, der svarer til 17β-estradiols A-ring og B-ring (se figur 14), til det tilsvarende bindingssted; en voluminøs sidekæde fra biarylstrukturen, der svarer til 17β-estradiols B-ring, og endelig en anden sidegruppe, der svarer til C- og D-ringen og normalt er aromatisk, fylder det resterende volumen af den ligandbindende lomme.
De små forskelle mellem de to ER-subtyper er blevet brugt til at udvikle subtypeselektive ER-modulatorer, men den store lighed mellem de to receptorer gør udviklingen meget udfordrende. Aminosyrerne i de ligandbindende domæner adskiller sig ved to positioner, Leu-384 og Met-421 i ERα og Met-336 og Ile-373 i ERβ, men de har samme hydrofobicitet og besætningsvolumener. Aminosyreresternes former og rotationsbarriere er imidlertid ikke de samme, hvilket fører til, at der skelnes mellem α- og β-face af bindingskaviteten mellem ERα og ERβ. Dette medfører ERα-præferentiel binding af ligand-substituenter, der er rettet nedad mod Met-336, mens ligand-substituenter, der er rettet opad mod Met-336, er mere tilbøjelige til at binde til ERβ. En anden forskel findes i Val-392 i ERα, som er erstattet af Met-344 i ERβ. ERβ’s bindingslommevolumen er lidt mindre og formen en smule anderledes end ERα’s. Mange ERβ-selektive ligander har et stort set plant arrangement, da ERβ’s bindingshulrum er en smule smallere end ERα’s, men dette fører i sig selv til en beskeden selektivitet. For at opnå en stærk selektivitet skal liganden placere substituenter meget tæt på en eller flere af aminosyreforskellene mellem ERα og ERβ for at skabe en stærk frastødende kraft over for den anden receptorsubtype. Desuden skal ligandens struktur være stiv. Repulsive interaktioner kan ellers føre til konformationsændring af liganden og dermed skabe alternative bindingsmåder.
Første generation af triphenylethylenerRediger
Tamoxifen omdannes af levercytochrom P450 til 4-hydroxytamoxifen og er en mere selektiv antagonist af ERα-subtypen end ERβ. 4-hydroxytamoxifen binder sig til ER’er inden for den samme bindingslomme, der genkender 17β-estradiol. Receptorgenkendelse af 4-hydroxytamoxifen synes at blive styret af to strukturelle træk ved 4-hydroxytamoxifen, nemlig den phenoliske A-ring og den voluminøse sidekæde. Den phenoliske A-ring danner hydrogenbindinger til sidegrupperne af ER’s Arg-394, Glu-354 og til strukturelt bevaret vand. Den voluminøse sidekæde, der rager ud fra bindingshulen, forskyder helix 12 fra den ligandbindende lomme for at dække en del af coactivatorbindingslommen. ER-4-hydroxytamoxifen-kompleksdannelsen rekrutterer corepressor-proteiner. Dette fører til nedsat DNA-syntese og hæmning af østrogenaktivitet. Clomifen og torimefen giver bindingsaffiniteter, der svarer til tamoxifen. Disse to lægemidler er således mere selektive antagonister af ERα-subtypen end ERβ.
Andengenerations benzothiophenerRediger
Raloxifen binder ligesom 4-hydroxytamoxifen til ERα med hydroxylgruppen i dets phenoliske “A-ring” (se figur 15) gennem hydrogenbindinger med Arg-394 og Glu-353. Ud over disse bindinger danner raloxifen en anden hydrogenbinding til ER gennem sidegruppen His-524 på grund af tilstedeværelsen af en anden hydroxylgruppe i “D-ringen” (se figur 15). Denne hydrogenbinding er også i modsætning til den mellem 17β-estradiol og His-524, da imidazolringen i His-524 er roteret for at modvirke forskellen i oxygenpositionen i raloxifen og i 17β-estradiol. Ligesom i 4-hydroxytamoxifen fortrænger den voluminøse sidekæde i raloxifen helix 12.
Tredje generationRediger
Lasofoxifen interaktion med ERα er typisk for dem mellem SERM-ERα såsom en næsten planar topologi (tetrahydronapthalen carbocyklen), hydrogenbinding med Arg-394 og Glu-353 og phenylsidekæderne af lasofoxifen fylder C-ringens og D-ringens volumen i den ligandbindende lomme. Lasofoxifen omdirigerer helix 12 og forhindrer bindingen af coactivatorproteiner med LXXLL-motiver. Dette opnås ved at lasofoxifen besætter det rum, der normalt udfyldes af Leu-540’s sidegruppe, og modulerer konformationen af rester af helix 11 (His-524, Leu-525). Desuden interfererer lasofoxifen også direkte med helix 12-positionering ved hjælp af lægemidlets ethylpyrrolidin-gruppe. In vitro-undersøgelser viser, at bazedoxifen kompetitivt blokerer 17β-estradiol ved høj og lignende binding til både ERα og ERβ. Bazedoxifenes hovedbindingsdomæne består af 2-phenyl-3-methylindol og en hexamethylenaminring ved den sidekædepåvirkede region.
Ospemifen er en oxidativt deamineret metabolit af toremifen som har en lignende binding til ER som toremifen og tamoxifen. Den konkurrerende binding til ERα og ERβ af de tre metabolitter 4-hydroxy Ospemifen, 4′-hydroxy Ospemifen og 4-hydroxy-, sidekædet carboxylsyre Ospemifen er mindst lige så høj som moderforbindelsen.