Struktur-Wirkungs-BeziehungenBearbeiten
Die Kernstruktur der SERMs simuliert die 17β-Östradiol-Vorlage. Sie haben zwei aromatische Ringe, die durch 1-3 Atome getrennt sind (oft eine stilbenartige Anordnung). Zwischen den beiden Phenylen des Kerns haben SERMs typischerweise eine 4-substituierte Phenylgruppe, die, wenn sie an den ER gebunden sind, aus der Position eines Estratrien-Kerns herausragt, so dass sich Helix 12 von der Rezeptoröffnung wegbewegt und den Raum blockiert, in dem sich normalerweise Coaktivatorproteine binden und eine ER-Agonistenaktivität verursachen würden. Der Kernteil der SERMs ist stark variiert worden, während die Seitenkette weniger flexibel ist. SERMs können nach ihrer Kernstruktur klassifiziert werden.
Triphenylethylene der ersten GenerationBearbeiten
Die erste Hauptstrukturklasse der SERM-artigen Moleküle, über die berichtet wurde, sind die Triphenylethylene. Der Stilbenkern (ähnlich dem nichtsteroidalen Östrogen Diethylstilbestrol) ahmt im Wesentlichen steroidale Östrogene wie 17β-Östradiol nach, während sich die Seitenkette mit der 11. Position des Steroidkerns überlagert (siehe Abbildung 5). Triphenylethylen-Derivate haben eine zusätzliche Phenylgruppe, die an die Ethylen-Brückengruppe gebunden ist. Die H-Bindungsfähigkeit der Phenole in 3-Position ist eine wichtige Voraussetzung für die ER-Bindung.
Das erste Medikament, Clomifen (2–N,N-Diethylethanamin; 2-Hydroxy-1,2,3-propantricarboxylat; siehe Abbildung 6), hat einen Chlor-Substituenten an der Ethylen-Seitenkette, der ähnliche Bindungsaffinitäten wie das später entdeckte Medikament Tamoxifen bewirkt. Clomifen ist ein Gemisch aus östrogenen (cis-Form) und antiöstrogenen Isomeren (trans-Form). Cis und trans werden anhand der geometrischen Verhältnisse der beiden unsubstituierten Phenylringe definiert. Die beiden Isomere von Clomifen haben unterschiedliche Profile, wobei die trans-Form eine Aktivität aufweist, die eher dem Tamoxifen ähnelt, während die cis-Form sich eher wie 17β-Östradiol verhält. Die cis-Form ist etwa zehnmal stärker als die trans-Form. Das trans-Isomer ist jedoch der stärkste Stimulator der Epithelzellhypertrophie, da Clomifen bei niedrigen Dosen antagonistisch und bei hohen Dosen agonistisch wirkt. Die antagonistischen Isomere können hemmende östrogene Wirkungen in der Gebärmutter und bei Mammakarzinomen verursachen, aber das östrogene Isomer könnte sich mit neuartigen Rezeptoren verbinden, um östrogenähnliche Wirkungen im Knochen zu erzeugen.
Tamoxifen ((Z)-2–N,N-Dimethyl-Ethanamin; siehe Abbildung 7) ist zur Behandlung der Wahl für Frauen geworden, bei denen ein hormonempfindlicher Brustkrebs in allen Stadien diagnostiziert wurde, d. h. Brustkrebs, der sowohl ER- als auch Progesteron positiv ist. In den USA wird es auch zur prophylaktischen Chemoprävention bei Frauen mit hohem Brustkrebsrisiko verabreicht. Tamoxifen ist ein reines antiöstrogenes trans-Isomer und hat unterschiedliche Wirkungen in den Östrogen-Zielgeweben im ganzen Körper. Tamoxifen wirkt selektiv antiöstrogen in der Brust, aber östrogenähnlich in den Knochen und bei Endometriumkrebs. Tamoxifen wird in der Leber durch mikrosomale Cytochrom P450 (CYP)-Enzyme in der Phase I metabolisiert. Die wichtigsten Metaboliten von Tamoxifen sind N-Desmethyltamoxifen und 4-Hydroxytamoxifen.
Die kristallographische Struktur von 4-Hydroxytamoxifen interagiert mit den Aminosäuren des ER innerhalb der ligandenbindenden Domäne. Der Kontakt zwischen der phenolischen Gruppe, dem Wassermolekül und dem Glutamat und Arginin im Rezeptor (ERα; Glu 353/Arg 394) löst sich in einer hohen Bindungsaffinität auf, so dass 4-Hydroxytamoxifen mit einem phenolischen Ring, der dem A-Ring von 17β-Estradiol ähnelt, eine mehr als 100-mal höhere relative Bindungsaffinität aufweist als Tamoxifen, das kein Phenol besitzt. Wird seine OH-Gruppe eliminiert oder ihre Position verändert, verringert sich die Bindungsaffinität.
Die Triphenylethyleneinheit und die Seitenkette sind für die Bindung von Tamoxifen an das ER erforderlich, während für 4-Hydroxytamoxifen die Seitenkette und das Phenylpropen nicht als entscheidende Strukturelemente für die Bindung an das ER erscheinen. Die Basizität und die Länge der Seitenkette scheinen keine entscheidende Rolle für die Bindungsaffinität von Tamoxifen an das ER zu spielen, ebenso wenig wie der β-Ring von Tamoxifen, aber der Stilbenanteil von Tamoxifen ist für die Bindung an das ER notwendig. Die Hydroxylgruppe ist von besonderer Bedeutung für die ER-Bindung von 4-Hydroxytamoxifen, und die Ethyl-Seitenkette von Tamoxifen ragt aus der Ligandenbindungsdomäne des ER heraus.
Einige Tamoxifen-Anwenderinnen haben unter erhöhten Raten von Gebärmutterkrebs, Hitzewallungen und Thromboembolien gelitten. Das Medikament kann bei Ratten auch Hepatokarzinome verursachen. Dies ist wahrscheinlich auf die Ethylgruppe des Tamoxifen-Stilbenkerns zurückzuführen, die einer allylischen oxidativen Aktivierung unterliegt, die zu einer DNA-Alkylierung und Strangspaltung führt. Dieses Problem wird später in Toremifen behoben. Aufgrund der Beziehung zwischen der Aminosäure Asp-351 des ER und der antiöstrogenen Seitenkette des SERM ist Tamoxifen an den Zielstellen vielseitiger als Raloxifen. Die Seitenkette von Tamoxifen kann Asp-351 nicht neutralisieren, so dass die Stelle allosterisch AF-1 am proximalen Ende des ER beeinflusst. Dieses Problem wird mit dem Medikament der zweiten Generation, Raloxifen, behoben.
Toremifen (Toremifencitrat; siehe Abbildung 8), chemisch als 2-(p-Phenoxy)-N,N-dimethylethylamincitrat bezeichnet, ist ein chloriertes Derivat des nichtsteroidalen Triphenylethylen-Antiöstrogens Tamoxifen mit einem Chlorsubstituenten an der Ethylenseitenkette, der eine ähnliche Bindungsaffinität wie Tamoxifen bewirkt. Die Struktur- und Aktivitätsbeziehung von Toremifen ähnelt der von Tamoxifen, aber es weist gegenüber dem älteren Medikament eine wesentliche Verbesserung in Bezug auf die DNA-Alkylierung auf. Das hinzugefügte Chloratom verringert die Stabilität von Kationen, die aus aktivierten allylischen Metaboliten gebildet werden, und verringert somit das Alkylierungspotenzial, und tatsächlich zeigt Toremifen keine Bildung von DNA-Addukten in Nagetierhepatozyten. Toremifen schützt vor Knochenschwund in ovarektomierten Rattenmodellen und beeinflusst die Knochenresorptionsmarker klinisch ähnlich wie Tamoxifen. Toremifen wird wie Tamoxifen durch mikrosomale Cytochrom-P450-Enzyme in der Phase I metabolisiert, jedoch hauptsächlich durch die CYP3A4-Isoform. Toremifen bildet seine beiden Hauptmetaboliten N-Desmethyltoremifen und Deaminohydroxy-Toremifen (Ospemifen) durch N-Demethylierung und Desaminierung-Hydroxylierung. N-Desmethyltoremifen hat eine ähnliche Wirksamkeit wie Toremifen, während 4-Hydroxytoremifen eine höhere Bindungsaffinität zum ER hat als Toremifen. 4-Hydroxytoremifen spielt eine ähnliche Rolle wie 4-Hydroxytamoxifen.
Benzothiophene der zweiten GenerationBearbeiten
Raloxifen (-phenyl]-methanon; siehe Abbildung 9) gehört zu den Benzothiophen-SERMs der zweiten Generation. Es hat eine hohe Affinität zum ER mit starker antiöstrogener Aktivität und gewebespezifischen Wirkungen, die sich von Estradiol unterscheiden. Raloxifen ist ein ER-Agonist in den Knochen und im kardiovaskulären System, aber im Brustgewebe und im Endometrium wirkt es als ER-Antagonist. Es wird durch Glucuronidkonjugation im Darm weitgehend verstoffwechselt und hat daher eine geringe Bioverfügbarkeit von nur 2 %, während die von Tamoxifen und Toremifen etwa 100 % beträgt.
Der Vorteil von Raloxifen gegenüber dem Triphenylethylen-Tamoxifen ist die geringere Wirkung auf die Gebärmutter. Die flexible Scharniergruppe sowie die antiöstrogene Phenyl-4-piperidinoethoxy-Seitenkette sind wichtig für die Minimierung der uterinen Wirkungen. Aufgrund ihrer Flexibilität kann die Seitenkette eine orthogonale Anordnung relativ zum Kern erhalten, so dass das Amin der Raloxifens-Seitenkette 1 Å näher als Tamoxifens an der Aminosäure Asp-351 in der Ligandenbindungsdomäne von ERα liegt.
Die kritische Rolle der engen Beziehung zwischen der hydrophoben Seitenkette von Raloxifen und dem hydrophoben Rest des Rezeptors, um sowohl die Form als auch die Ladung der äußeren Oberfläche eines SERM-ER-Komplexes zu verändern, wurde mit Raloxifen-Derivaten bestätigt. Wenn der interaktive Abstand zwischen Raloxifen und Asp-351 von 2,7 Å auf 3,5-5 Å vergrößert wird, führt dies zu einer verstärkten östrogenartigen Wirkung des Raloxifen-ERα-Komplexes. Wenn der Piperidinring von Raloxifen durch Cyclohexan ersetzt wird, verliert der Ligand seine antiöstrogenen Eigenschaften und wird zu einem vollständigen Agonisten. Die Wechselwirkung zwischen der antiöstrogenen Seitenkette des SERM und der Aminosäure Asp-351 ist der erste wichtige Schritt zum Silencing von AF-2. Sie verlagert Helix 12 weg von der Ligandenbindungstasche und verhindert so die Bindung von Koaktivatoren an den SERM-ER-Komplex.
Dritte GenerationBearbeiten
Verbindungen der dritten Generation zeigen entweder keine Gebärmutterstimulation, verbesserte Potenz, keine signifikante Zunahme von Hitzewallungen oder sogar eine Kombination dieser positiven Eigenschaften.
Modifikationen des ersten Dihydronapthalin-SERM, Nafoxidin (siehe Abbildung 10), das ein klinischer Kandidat für die Behandlung von Brustkrebs war, aber Nebenwirkungen wie schwere Phototoxizität aufwies, führten zu Lasofoxifen ((5R,6S)-6-Phenyl-5–5,6,7,8-tetrahydro-naphthalen-2-ol; siehe Abbildung 11). Bei Nafoxidin sind alle drei Phenyle wie bei Tamoxifen in einer koplanaren Anordnung gebunden. Bei der Hydrierung wurde jedoch die Doppelbindung von Nafoxidin reduziert, und beide Phenyle sind cis-orientiert. Die Amin-tragende Seitenkette kann dann eine axiale Konformation annehmen und diese Gruppe orthogonal zur Ebene des Kerns anordnen, wie Ralofoxifen und andere weniger uterotrope SERMs.
Lasofoxifen gehört zu den wirksamsten SERMs, über die hinsichtlich des Schutzes vor Knochenschwund und der Cholesterinsenkung berichtet wurde. Die ausgezeichnete orale Wirksamkeit von Lasofoxifen wird auf eine reduzierte intestinale Glucuronidierung des Phenols zurückgeführt. Im Gegensatz zu Raloxifen erfüllt Lasofoxifen die Anforderungen eines Pharmakophormodells, das eine Resistenz gegenüber der Glucuronidierung durch die Darmwand vorhersagt. Die strukturelle Voraussetzung ist eine nicht-planare Topologie mit dem sterischen Hauptteil in der Nähe der Ebene eines kondensierten bicyclischen aromatischen Systems. Die Wechselwirkungen zwischen dem ER und Lasofoxifen stimmen mit den allgemeinen Merkmalen der SERM-ER-Erkennung überein. Lasofoxifens große flexible Seitenkette endet in einer Pyrrolidin-Kopfgruppe und fädelt sich zur Oberfläche des Proteins hin aus, wo sie direkt mit der Positionierung der AF-2-Helix interferiert. Zwischen Lasofoxifen und Asp-351 bildet sich eine Salzbrücke. Die Ladungsneutralisierung in dieser Region ER könnte einige antiöstrogene Wirkungen von Lasofoxifen erklären.
Das Indolsystem diente als Kernelement in SERMs, und wenn ein Amin über eine Benzyloxyethylkette an das Indol gebunden wird, wurde gezeigt, dass die resultierenden Verbindungen keine präklinische Uterusaktivität haben, während sie die Knochen von Ratten schonen und in niedrigen Dosen voll wirksam sind. Bazedoxifen (1H-Indo-5-ol,1-methyl]2-(-4-hydroxyphenlyl)-3-methyl; siehe Abbildung 10] Essigsäure) ist eine dieser Verbindungen. Die Kernbindungsdomäne besteht aus einem 2-Phenyl-3-Methyl-Indol und einem Hexamethylenaminring in der Seitenketten-Affektorregion. Es wird durch Glucuronidierung metabolisiert, wobei die absolute Bioverfügbarkeit mit 6,2 % dreimal höher ist als die von Raloxifen. Es hat agonistische Wirkungen auf den Knochen- und Fettstoffwechsel, nicht aber auf die Brust- und Gebärmutterschleimhaut. Es ist gut verträglich und zeigt keine Zunahme von Hitzewallungen, Gebärmutterhypertrophie oder Brustempfindlichkeit.
Ospemifen (Z-2-(4-(4-Chlor-1,2-diphenyl-but-1-enyl)phenoxy)ethanol; siehe Abbildung 13) ist ein Triphenylethylen und ein bekannter Metabolit von Toremifen. Es ist strukturell sehr ähnlich zu Tamoxifen und Toremifen. Ospemifen hat keine 2-(Dimethylamino)ethoxy-Gruppe wie Tamoxifen. Studien zur Struktur-Wirkungs-Beziehung haben gezeigt, dass durch die Entfernung dieser Gruppe die agonistische Aktivität von Tamoxifen in der Gebärmutter deutlich reduziert wurde, nicht jedoch in den Knochen und im Herz-Kreislauf-System. Präklinische und klinische Daten zeigen, dass Ospemifen gut verträglich ist und keine größeren Nebenwirkungen hat. Die Vorteile, die Ospemifen gegenüber anderen SERMs haben könnte, sind seine neutrale Wirkung auf Hitzewallungen und seine ER-agonistische Wirkung auf die Vagina, wodurch die Symptome der vaginalen Trockenheit verbessert werden.
BindungsmodiBearbeiten
Die SERMs zeichnen sich durch vier unterschiedliche Bindungsmodi an den ER aus. Eines dieser Merkmale sind starke Wasserstoffbrücken zwischen dem Liganden und den Arg-394 und Glu-353 des ERα, die die „A-Ring-Tasche“ auskleiden und dem Liganden helfen, in der Bindungstasche des ER zu bleiben. Dies ist anders als bei 17β-Estradiol, das an His-524 in der „D-Ring-Tasche“ wasserstoffgebunden ist. Andere charakteristische Bindungen an die Ligandenbindungstasche sind mit einer nahezu planaren „Kern“-Struktur, die typischerweise aus einem Biaryl-Heterozyklus besteht, der dem A- und B-Ring von 17β-Estradiol entspricht (siehe Abbildung 14), an die entsprechende Bindungsstelle; eine sperrige Seitenkette aus der Biarylstruktur, die dem B-Ring von 17β-Estradiol entspricht, und schließlich eine zweite Seitengruppe, die dem C- und D-Ring entspricht und in der Regel aromatisch ist, füllt das restliche Volumen der Ligandenbindungstasche aus.
Die geringen Unterschiede zwischen den beiden Subtypen des ER wurden genutzt, um subtypselektive ER-Modulatoren zu entwickeln, aber die große Ähnlichkeit zwischen den beiden Rezeptoren macht die Entwicklung sehr schwierig. Die Aminosäuren in den ligandenbindenden Domänen unterscheiden sich an zwei Positionen, Leu-384 und Met-421 im ERα und Met-336 und Ile-373 im ERβ, aber sie haben eine ähnliche Hydrophobizität und ein ähnliches Besetzungsvolumen. Die Formen und die Rotationsbarriere der Aminosäurereste sind jedoch nicht gleich, was dazu führt, dass sich die α- und β-Seite des Bindungshohlraums zwischen ERα und ERβ unterscheiden. Dies führt dazu, dass ERα bevorzugt Ligandensubstituenten bindet, die nach unten zu Met-336 ausgerichtet sind, während Ligandensubstituenten, die nach oben zu Met-336 ausgerichtet sind, eher an ERβ binden. Ein weiterer Unterschied besteht in Val-392 in ERα, das in ERβ durch Met-344 ersetzt wird. Das Volumen der ERβ-Bindungstasche ist etwas kleiner und die Form etwas anders als die von ERα. Viele ERβ-selektive Liganden haben eine weitgehend planare Anordnung, da der Bindungshohlraum von ERβ etwas schmaler ist als der von ERα, was jedoch allein schon zu einer bescheidenen Selektivität führt. Um eine starke Selektivität zu erreichen, muss der Ligand Substituenten sehr nahe an einer oder mehreren der Aminosäureunterschiede zwischen ERα und ERβ platzieren, um eine starke Abstoßungskraft gegenüber dem Rezeptor des anderen Subtyps zu erzeugen. Darüber hinaus muss die Struktur des Liganden starr sein. Abstoßende Wechselwirkungen können andernfalls zu einer Konformationsänderung des Liganden und damit zu alternativen Bindungsmodi führen.
Triphenylethylene der ersten GenerationEdit
Tamoxifen wird durch das Leber-Cytochrom P450 in 4-Hydroxytamoxifen umgewandelt und ist ein selektiverer Antagonist des ERα-Subtyps als des ERβ. 4-Hydroxytamoxifen bindet an ERs innerhalb der gleichen Bindungstasche, die 17β-Östradiol erkennt. Die Rezeptorerkennung von 4-Hydroxytamoxifen scheint durch zwei strukturelle Merkmale von 4-Hydroxytamoxifen gesteuert zu werden: den phenolischen A-Ring und die sperrige Seitenkette. Der phenolische A-Ring bildet Wasserstoffbrückenbindungen zu den Seitengruppen von Arg-394 und Glu-354 des ER sowie zu strukturell konserviertem Wasser. Die voluminöse Seitenkette, die aus dem Bindungshohlraum herausragt, verdrängt die Helix 12 aus der Ligandenbindungstasche und bedeckt einen Teil der Coaktivator-Bindungstasche. Die Bildung des ER-4-Hydroxytamoxifen-Komplexes rekrutiert Corepressor-Proteine. Dies führt zu einer verringerten DNA-Synthese und einer Hemmung der Östrogenaktivität. Clomifen und Torimefen haben eine ähnliche Bindungsaffinität wie Tamoxifen. Somit sind diese beiden Medikamente selektivere Antagonisten des ERα-Subtyps als des ERβ.
Benzothiophene der zweiten GenerationBearbeiten
Raloxifen bindet, wie 4-Hydroxytamoxifen, mit der Hydroxylgruppe seines phenolischen „A-Rings“ (siehe Abbildung 15) über Wasserstoffbrückenbindungen mit Arg-394 und Glu-353 an ERα. Zusätzlich zu diesen Bindungen bildet Raloxifen aufgrund des Vorhandenseins einer zweiten Hydroxylgruppe im „D-Ring“ (siehe Abbildung 15) über die Seitengruppe von His-524 eine zweite Wasserstoffbindung zu ER. Diese Wasserstoffbindung ist ebenfalls anders als die zwischen 17β-Estradiol und His-524, da der Imidazolring von His-524 gedreht ist, um den Unterschied der Sauerstoffposition in Raloxifen und in 17β-Estradiol auszugleichen. Genau wie bei 4-Hydroxytamoxifen verdrängt die sperrige Seitenkette von Raloxifen die Helix 12.
Dritte GenerationEdit
Die Wechselwirkung von Lasofoxifen mit ERα ist typisch für die Wechselwirkungen zwischen SERM-ERα, wie z. B. eine nahezu planare Topologie (der Tetrahydronapthalin-Carbocyclus), Wasserstoffbrückenbindungen mit Arg-394 und Glu-353 und die Phenylseitenketten von Lasofoxifen, die das C-Ring- und D-Ring-Volumen der Ligandenbindungstasche füllen. Lasofoxifen lenkt die Helix 12 um und verhindert die Bindung von Coaktivatorproteinen mit LXXLL-Motiven. Dies wird dadurch erreicht, dass Lasofoxifen den Raum einnimmt, der normalerweise von der Leu-540-Seitengruppe ausgefüllt wird, und die Konformation von Resten der Helix 11 (His-524, Leu-525) moduliert. Darüber hinaus greift Lasofoxifen auch direkt in die Positionierung von Helix 12 durch die Ethylpyrrolidingruppe des Medikaments ein. In-vitro-Studien zeigen, dass Bazedoxifen 17β-Estradiol durch eine hohe und ähnliche Bindung an ERα und ERβ kompetitiv blockiert. Bazedoxifens Hauptbindungsdomäne besteht aus dem 2-Phenyl-3-Methylindol und einem Hexamethylenaminring in der von der Seitenkette betroffenen Region.
Ospemifen ist ein oxidativ desaminierter Metabolit von Toremifen und hat eine ähnliche Bindung an ER wie Toremifen und Tamoxifen. Die kompetitive Bindung der drei Metaboliten 4-Hydroxy-Ospemifen, 4′-Hydroxy-Ospemifen und der 4-Hydroxy-, Seitenkettencarbonsäure Ospemifen an ERα und ERβ ist mindestens so hoch wie die der Stammverbindung.