Struktur-aktivitetsförhållandenRedigera
Kärnstrukturen hos SERMs simulerar 17β-estradiolmallen. De har två aromatiska ringar som är separerade med 1-3 atomer (ofta ett arrangemang av stilbentyp). Mellan de två fenylerna i kärnan har SERMs vanligtvis en 4-substituerad fenylgrupp som, när den är bunden till ER, skjuter ut från en position av en estratrien-kärna så att helix 12 flyttar sig från receptoröppningen och blockerar utrymmet där koaktivatorproteiner normalt skulle binda och orsaka ER-agonistisk aktivitet. Det har funnits en hel del variationer i SERMs kärndel medan det har funnits mindre flexibilitet när det gäller vad som tolereras i sidokedjan. SERMs kan klassificeras efter sin kärnstruktur.
Första generationens trifenyletylenerEdit
Den första huvudsakliga strukturella klassen av molekyler av SERM-typ som rapporterats är trifenyletylenerna. Stilbenkärnan (som liknar det icke-steroida östrogenet dietylstilbestrol) efterliknar i huvudsak steroida östrogener som 17β-estradiol, medan sidokedjan överlappar med den 11:e positionen i steroidkärnan (se figur 5). Triphenyletylenderivat har ytterligare en fenylgrupp knuten till etylenbrygggruppen. Fenolernas förmåga till H-bindning i 3 positioner är ett viktigt krav för ER-bindning.
Det första läkemedlet, klomifen (2-N,N-dietyletanamin;2-hydroxi-1,2,3-propantrikarboxylat; se figur 6) har en klor-substituent på etylen-sidekedjan som ger liknande bindningsaffinitet som det senare upptäckta läkemedlet tamoxifen. Klomifen är en blandning av östrogena (cis-form) och antiöstrogena isomerer (trans-form). Cis och trans definieras utifrån de geometriska förhållandena mellan de två osubstituerade fenylringarna. De två isomererna av klomifen har olika profiler, där trans-formen har en aktivitet som mer liknar tamoxifen medan cis-formen beter sig mer som 17β-estradiol. Cis är ungefär tio gånger mer potent än trans. Trans-isomeren är dock den mest potenta stimulatorn av epitelcellshypertrofi eftersom klomifen är antagonistisk vid låga doser och agonistisk vid höga doser. De antagonistiska isomererna kan orsaka hämmande östrogena effekter i livmodern och bröstcancer, men den östrogena isomeren skulle kunna kombinera med nya receptorer för att producera östrogenliknande effekter i ben.
Tamoxifen ((Z)-2–N,N-dimetyletanamin; se figur 7) har blivit den bästa behandlingen för kvinnor som diagnostiserats med alla stadier av hormonresponsiv bröstcancer, det vill säga bröstcancer som är både ER och/eller progesteronpositiv. I USA ges det också som profylaktisk kemoprevention till kvinnor som har identifierats som hög risk för bröstcancer. Tamoxifen är en ren antiöstrogen transisomer och har olika verkan på östrogenmålvävnader i hela kroppen. Tamoxifen är selektivt antiöstrogen i bröstet men östrogenliknande i ben och endometriecancer. Tamoxifen genomgår fas I-metabolism i levern av mikrosomala cytokrom P450-enzymer (CYP). De viktigaste metaboliterna av tamoxifen är N-desmetyltamoxifen och 4-hydroxytamoxifen.
Den kristallografiska strukturen av 4-hydroxytamoxifen interagerar med aminosyrorna i ER inom den ligandbindande domänen. Kontakten mellan fenolgruppen, vattenmolekylen och glutamat och arginin i receptorn (ERα; Glu 353/Arg 394) löser sig i hög affinitetsbindning så att 4-hydroxytamoxifen, med en fenolring som liknar A-ringen i 17β-estradiol, har mer än 100 gånger högre relativ bindningsaffinitet än tamoxifen, som inte har någon fenol. Om dess OH-grupp elimineras eller dess position ändras minskar bindningsaffiniteten.
Trifenyletylengruppen och sidokedjan krävs för att tamoxifen ska kunna binda till ER, medan för 4-hydroxytamoxifen, sidokedjan och fenylpropenen inte verkar vara avgörande strukturella element för bindning till ER. Sidokedjans basicitet och längd verkar inte spela någon avgörande roll för tamoxifens bindningsaffinitet till ER och inte heller för tamoxifens β-ring, men tamoxifens stilbenenhet är nödvändig för att binda till ER. Hydroxylgruppen är av särskild betydelse för ER-bindning av 4-hydroxytamoxifen, och etylsidekedjan i tamoxifen sticker ut ur ER:s ligandbindningsdomän.
Få tamoxifenanvändare har drabbats av ökade frekvenser av livmodercancer, värmevallningar och tromboembolier. Läkemedlet kan också orsaka hepatokarcinom hos råttor. Detta beror sannolikt på etylgruppen i tamoxifen-stilbenets kärna som är föremål för allylisk oxidativ aktivering som orsakar DNA-alkylering och strängsprickning. Detta problem korrigeras senare i toremifen. Tamoxifen är mer promiskuöst än raloxifen på målplatser på grund av förhållandet mellan ER:s aminosyra i Asp-351 och SERM:s antiöstrogena sidokedja. Sidokedjan för tamoxifen kan inte neutralisera Asp-351, så platsen påverkar allosteriskt AF-1 vid ER:s proximala ände. Detta problem är åtgärdat med andra generationens läkemedel raloxifen.
Toremifen (toremifencitrat; se figur 8), kemiskt betecknat som 2-(p-fenoxy)-N,N-dimetyletyletylamincitrat, är ett klorerat derivat av det icke-steroida trifenyletylen-antiöstrogenet tamoxifen med en klor-substituent vid etylen-sidekedjan som ger liknande bindningsaffiniteter som tamoxifen. Toremifen har samma struktur och aktivitetsförhållande som tamoxifen, men har en väsentlig förbättring jämfört med det äldre läkemedlet när det gäller DNA-alkylering. Närvaron av den tillsatta kloratomen minskar stabiliteten hos de katjoner som bildas från aktiverade allyliska metaboliter och minskar därmed alkyleringspotentialen, och toremifen uppvisar faktiskt ingen DNA-adduktbildning i gnagarnas hepatocyter. Toremifen skyddar mot benförlust i ovariektomerade råttmodeller och påverkar benresorptionsmarkörer kliniskt på ett liknande sätt som tamoxifen. Toremifen genomgår fas I-metabolism av mikrosomala cytokrom P450-enzymer, liksom tamoxifen, men främst av CYP3A4-isoformen. Toremifen bildar sina två huvudmetaboliter N-desmetyltoremifen och deaminohydroxy-toremifen (ospemifen) genom att genomgå N-demetylering och deaminering-hydroxylering. N-desmetyltoremifen har liknande effekt som toremifen medan 4-hydroxytoremifen har en högre bindningsaffinitet till ER än toremifen. 4-hydroxytoremifen har en roll som liknar 4-hydroxytamoxifen.
Andra generationens bensotiophenerEdit
Raloxifen (-fenyl]-metanon; se figur 9) tillhör andra generationens bensotiofen-SERM-läkemedel. Det har en hög affinitet för ER med potent antiöstrogen aktivitet och vävnadsspecifika effekter som skiljer sig från östradiol. Raloxifen är en ER-agonist i ben och det kardiovaskulära systemet, men i bröstvävnad och endometrium fungerar det som en ER-antagonist. Det metaboliseras i stor utsträckning genom glukuronidkonjugering i tarmen och har på grund av detta en låg biotillgänglighet på endast 2 % medan den för tamoxifen och toremifen är ungefär 100 %.
Fördelen med raloxifen jämfört med trifenyletylentamoxifen är minskad effekt på livmodern. Den flexibla gångjärnsgruppen, liksom den antiöstrogena fenyl-4-piperidinoetoxisid-sidekedjan, är viktiga för att minimera effekterna på livmodern. På grund av sin flexibilitet kan sidokedjan få en ortogonal disposition i förhållande till kärnan så att aminen i raloxifenens sidokedja är 1 Å närmare än tamoxifen till aminosyran Asp-351 i ERα:s ligandbindande domän än tamoxifen.
Den kritiska betydelsen av det intima förhållandet mellan raloxifens hydrofoba sidokedja och receptorns hydrofoba rest för att förändra både formen och laddningen av den yttre ytan hos ett SERM-ER-komplex har bekräftats med raloxifenderivat. När det interaktiva avståndet mellan raloxifen och Asp-351 ökas från 2,7 Å till 3,5-5 Å orsakar det en ökad östrogenliknande verkan hos raloxifen-ERα-komplexet. När raloxifenens piperidinring ersätts med cyklohexan förlorar liganden sina antiöstrogena egenskaper och blir en fullständig agonist. Interaktionen mellan SERM:s antiöstrogena sidokedja och aminosyran Asp-351 är det viktiga första steget i tystandet av AF-2. Den flyttar helix 12 bort från den ligandbindande fickan och förhindrar därmed koaktivatorer från att binda till SERM-ER-komplexet.
Tredje generationenEdit
Tredje generationens föreningar uppvisar antingen ingen uterusstimulering, förbättrad potens, ingen signifikant ökning av värmevallningar eller till och med en kombination av dessa positiva egenskaper.
Modifieringar av den första dihydronaptalen-SERM:n, nafoxidin (se figur 10) som var en klinisk kandidat för behandling av bröstcancer men som hade biverkningar, bland annat allvarlig fototoxicitet, resulterade i lasofoxifen ((5R,6S)-6-fenyl-5–5,6,7,8-tetrahydronaptalen-2-ol; se figur 11). Nafoxidin har alla tre fenylerna i ett koplanärt arrangemang som tamoxifen. Men vid hydrering reducerades nafoxidenens dubbelbindning och båda fenylerna är cis-orienterade. Den aminbärande sidokedjan kan då anta en axial konformation och placera denna grupp ortogonalt till kärnans plan, som ralofoxifen och andra mindre uterotropa SERMs.
Lasofoxifen är bland de mest potenta SERM som rapporterats när det gäller skydd mot benförlust och kolesterolminskning. Den utmärkta orala potensen hos lasofoxifen har tillskrivits minskad intestinal glukuronidering av fenolen. Till skillnad från raloxifen uppfyller lasofoxifen kravet på en farmakoformodell som förutsäger resistens mot glukuronidering i tarmväggen. Det strukturella kravet är en icke-planär topologi med den steriska massan nära planet i ett kondenserat bicykliskt aromatiskt system. Interaktionerna mellan ER och lasofoxifen överensstämmer med de allmänna egenskaperna för SERM-ER-igenkänning. Lasofoxifenes stora flexibla sidokedja avslutas med en pyrrolidinhuvudgrupp och trär sig ut mot proteinets yta, där den interfererar direkt med placeringen av AF-2-helixen. En saltbrygga bildas mellan lasofoxifen och Asp-351. Laddningsneutraliseringen i denna region ER kan förklara vissa antiöstrogena effekter som utövas av lasofoxifen.
Indolsystemet har fungerat som en kärnenhet i SERMs, och när en amin kopplas till indolen med en bensyloxyetyl har de resulterande föreningarna visat sig inte ha någon preklinisk uterusaktivitet samtidigt som de skonar råttben med full effekt vid låga doser. Bazedoxifen (1H-indo-5-ol,1-metyl]2-(-4-hydroxifenlyl)-3-metyl; se figur 10] ättiksyra) är en av dessa föreningar. Den centrala bindningsdomänen består av en 2-fenyl-3-metylindol och en hexametylenaminring vid sidokedjans affektområde. Den metaboliseras genom glukuronidering, med en absolut biotillgänglighet på 6,2 %, 3 gånger högre än raloxifen. Den har agonistiska effekter på ben- och lipidmetabolismen men inte på bröst- och livmoder endometrium. Det tolereras väl och uppvisar ingen ökning av incidensen av värmevallningar, hypertrofi i livmodern eller ömhet i bröstet.
Ospemifen (Z-2-(4-(4(4-chlor-1,2-difenyl-but-1-enyl)fenoxy)etanol; se figur 13) är en trifenyletylen och en känd metabolit av toremifen. Den är strukturellt mycket lik tamoxifen och toremifen. Ospemifen har inte 2-(dimetylamino)etoxygrupp som tamoxifen. Studier av struktur-aktivitetssamband sköt att genom att ta bort den gruppen av tamoxifen minskades den agonistiska aktiviteten i livmodern signifikant, men inte i ben och i det kardiovaskulära systemet. Prekliniska och kliniska data visar att ospemifen tolereras väl utan några större biverkningar. Fördelar som ospemifen kan ha jämfört med andra SERMs är dess neutrala effekt på värmevallningar och ER-agonist effekt på vagina, vilket förbättrar symtomen på vaginal torrhet.
BindningssättRedigera
Det är känt att SERM:erna har fyra distinkta sätt att binda till ER. En av dessa egenskaper är starka vätebindningar mellan liganden och ERαs Arg-394 och Glu-353 som kantar ”A-ringfickan” och hjälper liganden att stanna kvar i ERs bindningsficka. Detta till skillnad från 17β-estradiol som är vätebundet till His-524 i ”D-ringfickan”. Andra utmärkande bindningar till den ligandbindande fickan är med en nästan plan ”kärnstruktur” som vanligtvis består av en biarylheterocykel, motsvarande A-ring och B-ring av 17β-estradiol (se figur 14), till motsvarande bindningsställe; en skrymmande sidokedja från biarylstrukturen, analogt med B-ringen av 17β-estradiol, och slutligen en andra sidogrupp som är C- och D-ringens motsvarighet och vanligen är aromatisk, fyller den resterande volymen av den ligandbindande fickan.
De små skillnaderna mellan de två subtyperna av ER har använts för att utveckla subtypselektiva ER-modulatorer, men den stora likheten mellan de två receptorerna gör utvecklingen mycket utmanande. Aminosyrorna i de ligandbindande domänerna skiljer sig åt på två positioner, Leu-384 och Met-421 i ERα och Met-336 och Ile-373 i ERβ, men de har liknande hydrofobicitet och ockuperande volymer. Aminosyraresternas former och rotationsbarriär är dock inte desamma, vilket leder till att man skiljer på α- och β-ytan i bindningshålan mellan ERα och ERβ. Detta orsakar ERα-preferentiell bindning av ligandsubstituenter som är inriktade nedåt mot Met-336, medan ligandsubstituenter som är inriktade uppåt mot Met-336 är mer benägna att binda till ERβ. En annan skillnad finns i Val-392 i ERα, som ersätts av Met-344 i ERβ. ERβs bindningsfickavolym är något mindre och formen lite annorlunda än ERαs. Många ERβ-selektiva ligander har ett i stort sett plant arrangemang eftersom ERβs bindningskaviteten är något smalare än ERαs, men detta leder i sig självt till blygsam selektivitet. För att uppnå stark selektivitet måste liganden placera substituenter mycket nära en eller flera av aminosyraskillnaderna mellan ERα och ERβ för att skapa en stark repulsiv kraft mot den andra subtypsreceptorn. Dessutom måste ligandens struktur vara stel. Repulsiva interaktioner kan annars leda till konformationsförändring av liganden och därmed skapa alternativa bindningslägen.
Första generationens trifenyletylenerEdit
Tamoxifen omvandlas av leverns cytokrom P450 till 4-hydroxytamoxifen och är en mer selektiv antagonist av ERα-subtypen än ERβ. 4-hydroxytamoxifen binder till ERs inom samma bindningsficka som känner igen 17β-estradiol. Receptorerkännandet av 4-hydroxytamoxifen verkar styras av två strukturella egenskaper hos 4-hydroxytamoxifen, den fenoliska A-ringen och den skrymmande sidokedjan. Den fenoliska A-ringen bildar vätebindningar till sidogrupperna av ER:s Arg-394, Glu-354 och till strukturellt bevarat vatten. Den stora sidokedjan, som sticker ut från bindningshålan, förskjuter helix 12 från ligandbindningsfickan för att täcka en del av koaktivatorns bindningsficka. ER-4-hydroxytamoxifen-komplexet rekryterar corepressorproteiner. Detta leder till minskad DNA-syntes och hämning av östrogenaktiviteten. Klomifen och torimefen ger en bindningsaffinitet som liknar den för tamoxifen. Dessa två läkemedel är således mer selektiva antagonister av ERα-subtypen än ERβ.
Andra generationens bensotiophenerEdit
Raloxifen, liksom 4-hydroxytamoxifen, binder till ERα med hydroxylgruppen i sin fenoliska ”A-ring” (se figur 15) genom vätebindningar med Arg-394 och Glu-353. Utöver dessa bindningar bildar raloxifen en andra vätebindning till ER genom His-524:s sidogrupp på grund av närvaron av en andra hydroxylgrupp i ”D-ringen” (se figur 15). Denna vätebindning skiljer sig också från den mellan 17β-estradiol och His-524, eftersom imidazolringen i His-524 är roterad för att motverka skillnaden i syreposition i raloxifen och i 17β-estradiol. Precis som i 4-hydroxytamoxifen förskjuter den skrymmande sidokedjan i raloxifen helix 12.
Third-generationEdit
Lasofoxifens interaktion med ERα är typisk för interaktionen mellan SERM-ERα såsom en nästan planär topologi (tetrahydronapthalenkarbocykeln), vätebindning med Arg-394 och Glu-353 och lasofoxifenens fenylsidekedjor som fyller C-ringens och D-ringens volym i den ligandbindande fickan. Lasofoxifen avleder helix 12 och förhindrar bindningen av koaktivatorproteiner med LXXLL-motiv. Detta uppnås genom att lasofoxifen upptar det utrymme som normalt fylls av Leu-540:s sidogrupp och modulerar konformationen hos rester av helix 11 (His-524, Leu-525). Dessutom stör lasofoxifen också direkt positioneringen av helix 12 genom läkemedlets etylpyrrolidingrupp. In vitro-studier visar att bazedoxifen kompetitivt blockerar 17β-estradiol genom hög och liknande bindning till både ERα och ERβ. Bazedoxifenes huvudsakliga bindningsdomän består av 2-fenyl-3-metylindol och en hexametylenaminring i den region som påverkas av sidokedjan.
Ospemifen är en oxidativt desaminerad metabolit av toremifen som har en liknande bindning till ER som toremifen och tamoxifen. Den kompetitiva bindningen till ERα och ERβ av de tre metaboliterna 4-hydroxi Ospemifen, 4′-hydroxi Ospemifen och 4-hydroxy-, sidokedjekarboxylsyran Ospemifen är minst lika hög som modersubstansen.