Structuur-activiteitsrelatiesEdit
De kernstructuur van SERM’s simuleert het 17β-estradiol-sjabloon. Zij hebben twee aromatische ringen, gescheiden door 1-3 atomen (vaak een stilbene-achtige opstelling). Tussen de twee fenylen van de kern hebben SERMs typisch een 4 gesubstitueerde fenylgroep die, wanneer gebonden aan ER, projecteert vanuit een positie van een estratriene kern, zodat helix 12 zich van de receptoropening verwijdert en de ruimte blokkeert waar coactivator-eiwitten normaal zouden binden en ER agonistische activiteit zouden veroorzaken. Er zijn veel variaties geweest in het kerngedeelte van SERM’s, terwijl er minder flexibiliteit is geweest met wat wordt getolereerd in de zijketen. SERM’s kunnen worden ingedeeld naar hun kernstructuur.
Eerste-generatie trifenylethyleenenEdit
De eerste belangrijke structuurklasse van SERM-type moleculen die is gerapporteerd, zijn de trifenylethyleenen. De stilbeenkern (vergelijkbaar met het niet-steroïdale oestrogeen diethylstilbestrol) bootst in wezen steroïdale oestrogenen zoals 17β-estradiol na, terwijl de zijketen de 11e positie van de steroïdenkern overlapt (zie figuur 5). Triphenylethyleenderivaten hebben een extra phenylgroep aan de ethyleenbruggroep vastzitten. Het vermogen van fenolen om op 3 posities een H-binding aan te gaan is een belangrijke voorwaarde voor binding aan de ER.
Het eerste geneesmiddel, clomifeen (2–N,N-diethylethanamine;2-hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylaat; zie figuur 6) heeft een chloorsubstituent aan de ethyleenzijketen die een vergelijkbare bindingsaffiniteit oplevert als het later ontdekte geneesmiddel tamoxifen. Clomifeen is een mengsel van oestrogene (cis-vorm) en antiestrogene isomeren (trans-vorm). Cis en trans worden gedefinieerd in termen van de geometrische verwantschap van de twee niet-gesubstitueerde fenylringen. De twee isomeren van clomifeen hebben verschillende profielen, waarbij de trans-vorm een activiteit heeft die meer lijkt op die van tamoxifen, terwijl de cis-vorm zich meer gedraagt als 17β-estradiol. Cis is ongeveer tien keer krachtiger dan trans. De trans-isomeer is echter de krachtigste stimulator van epitheliale celhypertrofie, aangezien clomifeen antagonistisch is bij lage doses en agonistisch bij hoge doses. De antagonistische isomeren kunnen remmende oestrogene effecten in de baarmoeder en borstkankers veroorzaken, maar het oestrogene isomeer zou zich met nieuwe receptoren kunnen verbinden om oestrogeenachtige effecten in het bot te produceren.
Tamoxifen ((Z)-2–N,N-dimethyl-ethanamine; zie figuur 7) is de behandeling bij uitstek geworden voor vrouwen bij wie alle stadia van hormoonresponsieve borstkanker worden vastgesteld, d.w.z. borstkanker die zowel ER- als progesteronpositief is. In de VS wordt het ook toegediend voor profylactische chemopreventie bij vrouwen bij wie het risico op borstkanker hoog is. Tamoxifen is een zuiver anti-oestrogeen trans-isomeer en heeft een gedifferentieerde werking op oestrogeendoelweefsels in het hele lichaam. Tamoxifen is selectief antiestrogenisch in de borst maar oestrogeenachtig in botten en endometriumkanker. Tamoxifen ondergaat fase I-metabolisme in de lever door microsomale cytochroom P450 (CYP)-enzymen. De belangrijkste metabolieten van tamoxifen zijn N-desmethyltamoxifen en 4-hydroxytamoxifen.
De kristallografische structuur van 4-hydroxytamoxifen interageert met de aminozuren van het ER binnen het ligand-bindende domein. Het contact tussen de fenolgroep, watermolecuul, en glutamaat en arginine in de receptor (ERα; Glu 353/Arg 394) resulteert in een hoge affiniteitsbinding, zodat 4-hydroxytamoxifen, met een fenolring die lijkt op de A-ring van 17β-estradiol, een meer dan 100 maal hogere relatieve bindingsaffiniteit heeft dan tamoxifen, dat geen fenol heeft. Als de OH groep wordt geëlimineerd of de positie ervan wordt veranderd, vermindert de bindingsaffiniteit.
Het trifenylethyleen gedeelte en de zijketen zijn vereist voor binding van tamoxifen aan de ER, terwijl voor 4-hydroxytamoxifen de zijketen en het fenyl-propeen niet als cruciale structurele elementen voor binding aan de ER blijken te gelden. De basiteit en de lengte van de zijketen lijken geen cruciale rol te spelen voor de bindingsaffiniteit van tamoxifen aan de ER, evenmin als de β-ring van tamoxifen, maar het stilbeengedeelte van tamoxifen is noodzakelijk voor binding aan de ER. De hydroxylgroep is van bijzonder belang voor de ER-binding van 4-hydroxytamoxifen, en de ethylzijketen van tamoxifen steekt uit het ligand-bindende domein van de ER.
Gebruiksters van tamoxifen hebben last van verhoogde percentages baarmoederkanker, opvliegers, en trombo-embolieën. Het middel kan ook hepatocarcinomen bij ratten veroorzaken. Dit is waarschijnlijk te wijten aan de ethylgroep van de tamoxifen-stilbeenkern die onderhevig is aan allylische oxidatieve activering waardoor DNA-alkylering en strengafsplitsing ontstaat. Dit probleem wordt later gecorrigeerd in toremifeen. Tamoxifen is promiscueer dan raloxifeen op de doelgebieden vanwege de relatie tussen het aminozuur van ER in Asp-351 en de antiestrogenische zijketen van het SERM. De zijketen van tamoxifen kan Asp-351 niet neutraliseren, zodat de plaats allosterisch AF-1 beïnvloedt aan het proximale uiteinde van het ER. Dit probleem wordt verholpen met het tweede-generatiemedicijn raloxifeen.
Toremifeen (toremifeencitraat; zie figuur 8), chemisch aangeduid als 2-(p-fenoxy)-N,N-dimethylethylaminecitraat, is een gechloreerd derivaat van het niet-steroïde trifenylethyleen antiestrogen tamoxifen met een chloorsubstituent aan de ethyleenzijketen dat vergelijkbare bindingsaffiniteiten oplevert als tamoxifen. De structuur en de activiteitsrelatie van toremifeen zijn vergelijkbaar met die van tamoxifen, maar het heeft een aanzienlijke verbetering ten opzichte van het oudere geneesmiddel wat betreft de DNA-alkylering. De aanwezigheid van het toegevoegde chlooratoom vermindert de stabiliteit van kationen gevormd uit geactiveerde allylmetabolieten en vermindert aldus het alkyleringspotentieel, en inderdaad vertoont toremifeen geen DNA-adductvorming in knaagdierhepatocyten. Toremifeen beschermt tegen botverlies in rattenmodellen met ovariectomie en beïnvloedt de botresorptie-markers klinisch op een vergelijkbare wijze als tamoxifen. Toremifeen wordt in fase I gemetaboliseerd door microsomale cytochroom P450-enzymen, net als tamoxifen, maar voornamelijk door de CYP3A4-isovorm. Toremifeen vormt zijn twee belangrijkste metabolieten N-desmethyltoremifeen en deaminohydroxy-toremifeen (ospemifeen) door N-demethylering en deaminatie-hydroxylering te ondergaan. N-desmethyltoremifeen heeft een vergelijkbare werkzaamheid als toremifeen, terwijl 4-hydroxytoremifeen een hogere bindingsaffiniteit met de ER heeft dan toremifeen. 4-hydroxytoremifeen heeft een rol die vergelijkbaar is met die van 4-hydroxytamoxifen.
Benzothiofenen van de tweede generatieEdit
Raloxifeen (-fenyl]-methanon; zie figuur 9) behoort tot de tweede-generatie benzothiofeen SERM-geneesmiddelen. Het heeft een hoge affiniteit voor het ER met een krachtige antiestrogenische activiteit en weefselspecifieke effecten die verschillen van die van estradiol. Raloxifeen is een ER-agonist in botten en het cardiovasculaire systeem, maar in borstweefsel en het endometrium werkt het als een ER-antagonist. Het wordt uitgebreid gemetaboliseerd door glucuronide conjugatie in de darm en heeft daardoor een lage biologische beschikbaarheid van slechts 2% terwijl die van tamoxifen en toremifeen ongeveer 100% is.
Het voordeel van raloxifeen boven het trifenyleentamoxifeen is het verminderde effect op de baarmoeder. De flexibele scharniergroep en de anti-oestrogene fenyl-4-piperidinoethoxyzijketen zijn belangrijk voor het minimaliseren van de effecten op de baarmoeder. Door zijn flexibiliteit kan de zijketen een orthogonale dispositie ten opzichte van de kern krijgen, zodat het amine van de zijketen van raloxifens 1 Å dichter dan tamoxifens bij het aminozuur Asp-351 in het ligand-bindende domein van ERα ligt.
De kritieke rol van de intieme relatie tussen de hydrofobe zijketen van raloxifeen en het hydrofobe residu van de receptor om zowel de vorm als de lading van het buitenoppervlak van een SERM-ER complex te veranderen, is bevestigd met raloxifeen derivaten. Wanneer de interactieve afstand tussen raloxifeen en Asp-351 wordt vergroot van 2,7 Å tot 3,5-5 Å veroorzaakt dit een verhoogde oestrogeenachtige werking van het raloxifeen-ERα complex. Wanneer de piperidinering van raloxifeen wordt vervangen door cyclohexaan, verliest het ligand zijn antiestrogene eigenschappen en wordt het een volwaardige agonist. De interactie tussen de antiestrogene zijketen van SERM en het aminozuur Asp-351 is de belangrijke eerste stap in het uitschakelen van AF-2. Het verplaatst helix 12 weg van de ligand-bindende pocket en voorkomt zo dat coactivatoren zich binden aan het SERM-ER-complex.
Derde-generatieEdit
De verbindingen van de derde generatie vertonen ofwel geen stimulatie van de baarmoeder, verbeterde potentie, geen significante toename van opvliegers of zelfs een combinatie van deze positieve eigenschappen.
Modificaties van het eerste dihydronaftaleen SERM, nafoxidine (zie figuur 10), dat een klinische kandidaat was voor de behandeling van borstkanker maar bijwerkingen had waaronder ernstige fototoxiciteit, resulteerden in lasofoxifeen ((5R,6S)-6-fenyl-5–5,6,7,8-tetrahydro-naftalen-2-ol; zie figuur 11). Nafoxidine heeft alle drie de fenylen in een coplanaire opstelling zoals tamoxifen. Maar door hydrogenering is de dubbele binding van nafoxidine gereduceerd, en zijn beide fenylen cis-georiënteerd. De amine-dragende zijketen kan dan een axiale conformatie aannemen en deze groep orthogonaal ten opzichte van het vlak van de kern plaatsen, zoals ralofoxifeen en andere minder uterotrope SERM’s.
Lasofoxifeen behoort tot de krachtigste SERM’s waarvan melding is gemaakt met betrekking tot bescherming tegen botverlies en cholesterolverlaging. De uitstekende orale werkzaamheid van lasofoxifeen wordt toegeschreven aan de verminderde intestinale glucuronidatie van het fenol. In tegenstelling tot raloxifeen voldoet lasofoxifeen aan de eis van een farmacofore model dat resistentie tegen darmwand glucuronidatie voorspelt. De structurele eis is een niet-vlakke topologie met de sterische bulk dicht bij het vlak van een gefuseerd bicyclisch aromatisch systeem. De interacties tussen de ER en lasofoxifeen zijn in overeenstemming met de algemene kenmerken van SERM-ER herkenning. Lasofoxifeen’s grote flexibele zijketen eindigt in een pyrrolidine hoofdgroep en baant zich een weg naar het oppervlak van het eiwit, waar het direct interfereert met de positionering van de AF-2 helix. Er vormt zich een zoutbrug tussen lasofoxifeen en Asp-351. De ladingsneutralisatie in deze regio ER kan een verklaring zijn voor sommige antiestrogenische effecten van lasofoxifeen.
Het indoolsysteem heeft gefungeerd als kerneenheid in SERM’s, en wanneer een amine met een benzyloxyethyl aan de indool wordt verbonden, is aangetoond dat de resulterende verbindingen geen preklinische baarmoederactiviteit hebben, terwijl zij botten van ratten sparen met volledige werkzaamheid bij lage doses. Bazedoxifeen (1H-indo-5-ol,1-methyl]2-(-4-hydroxyfenlyl)-3-methyl; zie figuur 10] azijnzuur) is één van die verbindingen. Het kernbindingsdomein bestaat uit een 2-fenyl-3-methyl-indool en een hexamethyleenamine-ring aan de zijketen affector-regio. Het wordt gemetaboliseerd door glucuronidatie, met een absolute biologische beschikbaarheid van 6,2%, 3 maal hoger dan die van raloxifeen. Het heeft agonistische effecten op het botmetabolisme en het lipidenmetabolisme, maar niet op het endometrium van de borst en de baarmoeder. Het wordt goed verdragen en vertoont geen toename van het aantal gevallen van opvliegers, baarmoederhypertrofie of borstgevoeligheid.
Ospemifeen (Z-2-(4-(4-chloor-1,2-difenyl-but-1-enyl)fenoxy)ethanol; zie figuur 13) is een trifenylethyleen en een bekende metaboliet van toremifeen. Het lijkt structureel sterk op tamoxifen en toremifeen. Ospemifeen heeft niet de 2-(dimethylamino)ethoxygroep zoals tamoxifen. Onderzoeken naar de structuur-activiteitsrelatie toonden aan dat door het verwijderen van die groep van tamoxifen de agonistische activiteit in de baarmoeder aanzienlijk werd verminderd, maar niet in de botten en het cardiovasculaire systeem. Uit preklinische en klinische gegevens blijkt dat ospemifeen goed wordt verdragen en geen belangrijke bijwerkingen heeft. Voordelen die ospemifeen ten opzichte van andere SERM’s kan hebben, zijn het neutrale effect op opvliegers en het ER-agonistische effect op de vagina, waardoor de symptomen van vaginale droogheid verbeteren.
BindingswijzenEdit
Van de SERM’s is bekend dat zij op vier verschillende wijzen aan ER binden. Een van die kenmerken is de sterke waterstofbrug tussen het ligand en Arg-394 en Glu-353 van ERα, die de “A-ring pocket” omsluiten en het ligand helpen in de bindingspocket van ER te blijven. Dit in tegenstelling tot 17β-estradiol dat waterstofbindingen heeft met His-524 in de “D-ring pocket”. Andere kenmerkende bindingen aan de ligand-bindingszak zijn met een bijna vlakke “kern”-structuur die typisch bestaat uit een biaryl heterocyclus, equivalent aan de A-ring en de B-ring van 17β-estradiol (zie figuur 14), aan de overeenkomstige bindingsplaats; een volumineuze zijketen van de biarylstructuur, analoog aan de B-ring van 17β-estradiol en tenslotte een tweede zijgroep die het C- en D-ring equivalent is en gewoonlijk aromatisch, vult het resterende volume van de ligand-bindingszak.
De kleine verschillen tussen de twee subtypes van ER zijn gebruikt om subtype-selectieve ER modulatoren te ontwikkelen, maar de grote overeenkomst tussen de twee receptoren maakt de ontwikkeling zeer uitdagend. Aminozuren in de ligand-bindende domeinen verschillen op twee posities, Leu-384 en Met-421 in ERα en Met-336 en Ile-373 in ERβ, maar ze hebben een vergelijkbare hydrofobiciteit en bezettingsvolumes. De vormen en de rotatiebarrière van de aminozuurresiduen zijn echter niet gelijk, waardoor de α- en β-face van de bindingsholte tussen ERα en ERβ te onderscheiden zijn. Dit veroorzaakt ERα-preferentiële binding van ligand-substituenten die naar beneden gericht zijn op Met-336, terwijl ligand-substituenten die naar boven gericht zijn op Met-336, meer kans hebben om aan ERβ te binden. Een ander verschil zit in Val-392 in ERα, dat in ERβ vervangen is door Met-344. Het volume van de bindingszak van ERβ is iets kleiner en de vorm is iets anders dan die van ERα. Veel ERβ-selectieve liganden hebben een grotendeels vlakke rangschikking omdat de bindingsholte van ERβ iets nauwer is dan die van ERα, maar dit leidt op zichzelf tot een bescheiden selectiviteit. Om een sterke selectiviteit te bereiken moet het ligand substituenten zeer dicht bij één of meer van de aminozuurverschillen tussen ERα en ERβ plaatsen, zodat een sterke afstotende kracht naar het andere subtype receptor ontstaat. Bovendien moet de structuur van het ligand stijf zijn. Repulsieve interacties kunnen anders leiden tot conformationele verandering van het ligand, waardoor alternatieve bindingswijzen ontstaan.
Triphenylethyleen van de eerste generatieEdit
Tamoxifen wordt door het cytochroom P450 in de lever omgezet in 4-hydroxytamoxifen en is een selectievere antagonist van het ERα-subtype dan van ERβ. 4-hydroxytamoxifen bindt aan ER’s binnen dezelfde bindingszak die 17β-estradiol herkent. De receptorherkenning van 4-hydroxytamoxifen lijkt te worden bepaald door twee structurele kenmerken van 4-hydroxytamoxifen, de fenol A ring, en de volumineuze zijketen. De fenolische A-ring vormt waterstofbruggen met de zijgroepen van ER’s Arg-394, Glu-354 en met structureel geconserveerd water. De volumineuze zijketen, die uit de bindingsholte steekt, verplaatst helix 12 van de ligand-bindingszak om een deel van de coactivator-bindingszak te bedekken. De ER-4-hydroxytamoxifen complexvorming rekruteert corepressoreiwitten. Dit leidt tot verminderde DNA-synthese en remming van de oestrogeenactiviteit. Clomifeen en torimefeen hebben een bindingsaffiniteit die vergelijkbaar is met die van tamoxifen. Deze twee geneesmiddelen zijn dus selectievere antagonisten van het ERα-subtype dan van het ERβ.
Benzothiofenen van de tweede generatieEdit
Raloxifeen bindt zich, evenals 4-hydroxytamoxifen, aan ERα met de hydroxylgroep van zijn fenolische “A-ring” (zie figuur 15) door middel van waterstofbruggen met Arg-394 en Glu-353. Naast deze bindingen vormt raloxifeen een tweede waterstofbrug aan ER via de zijgroep van His-524 door de aanwezigheid van een tweede hydroxylgroep in de “D-ring” (zie figuur 15). Ook deze waterstofbrug is anders dan die tussen 17β-estradiol en His-524, omdat de imidazoolring van His-524 gedraaid is om het verschil van de zuurstofpositie in raloxifeen en in 17β-estradiol tegen te gaan. Net als in 4-hydroxytamoxifen verplaatst de volumineuze zijketen van raloxifeen helix 12.
Derde-generatieEdit
De interactie van lasofoxifeen met ERα is typerend voor die tussen SERM-ERα, zoals een bijna planaire topologie (de tetrahydronaftaleencarbocyclus), waterstofbinding met Arg-394 en Glu-353 en de fenylzijketens van lasofoxifeen die het C-ring- en D-ringvolume van de ligandbindingszak vullen. Lasofoxifeen leidt helix 12 om en verhindert de binding van coactivatoreiwitten met LXXLL-motieven. Dit wordt bereikt doordat lasofoxifeen de ruimte inneemt die normaal door de zijgroep van Leu-540 wordt opgevuld en de conformatie van residuen van helix 11 (His-524, Leu-525) wijzigt. Bovendien interfereert lasofoxifeen ook rechtstreeks met de positionering van helix 12 door de ethylpyrrolidinegroep van het geneesmiddel. In vitro studies wijzen uit dat bazedoxifeen 17β-estradiol competitief blokkeert door een hoge en vergelijkbare binding aan zowel ERα als ERβ. Bazedoxifenes belangrijkste bindingsdomein bestaat uit het 2-phenyl-3-methylindool en een hexamethyleenamine ring aan de zijketen beïnvloede regio.
Ospemifeen is een oxidatief gedemineerde metaboliet van toremifeen en heeft een vergelijkbare binding aan ER als toremifeen en tamoxifen. De competitieve binding aan ERα en ERβ van de drie metabolieten 4-hydroxy Ospemifeen, 4′-hydroxy Ospemifeen en het 4-hydroxy-, zijketencarboxylzuur Ospemifeen is ten minste even hoog als de moederverbinding.