Entwicklung von neuen Matrixmetalloprotease-13 Inhibitoren

Arthrose, die Rückbildung der Gelenksknorpel, ist die am häufigsten vorkommende chronische Gelenkserkrankung und zählt zu den fünf führenden Ursachen für dauerhafte körperliche Beeinträchtigungen in der westlichen Welt. Trotz intensiver Forschung in den vergangenen Jahren ist die medizinische Behandlung vor allem auf schmerzstillende Maßnahmen beschränkt. Es besteht ein dringender Bedarf an Wirkstoffen, die den Krankheitsverlauf beeinflussen und dadurch Symptome lindern, um die Lebensqualität von Arthrosepatienten maßgeblich zu erhöhen. Im Verlauf der Krankheit kommt es in Folge des Abbaus von Kollagen Typ II durch Zink- Metallopeptidasen zur Rückbildung des Gelenksknorpels. Die Matrix-metalloprotease-13 (MMP-13) ist hauptverantwortlich für den beschriebenen Prozess. Wirkstoffe der ersten Generation riefen durch ihre Zink-chelierenden Eigenschaften verschiedene Nebenwirkungen hervor, die allgemein als Musculoskeletal Syndrome zusammengefasst werden. Als Konsequenz daraus wurden in folgenden Studien Verbindungen untersucht, die mit sekundären Bindungsstellen, sogenannten Subsites, in Wechselwirkung treten. Vor allem jene, die mit der MMP-13 S1 Subsite interagieren zeigten vielversprechende inhibierende Eigenschaften und Selektivitätsprofile. Einige potentielle Wirkstoffe wurden in klinischen Studien untersucht, doch in keinem Fall konnte die Wirkstoffentwicklung bis hin zur Markteinführung erfolgreich abgeschlossen werden. Das Auffinden von neuen sekundären Bindungsstellen, die in weiterer Folge als Grundlage für das Design von neuen Wirkstoffen dienen sollen, war der Ausgangspunkt für die Durchführung eines High-Throughput Screenings (HTS) unter der Verwendung eines speziell entwickelten Assays (triple- helical peptide (THP) fluorescence resonance energy transfer (FRET) assay). THP-FRET Assays sind nicht auf die Identifizierung von MMP-13 Inhibitoren beschränkt. Die Methode kann in zukünftigen Studien als Ausgangspunkt für die stukturbasierte Wirkstoffentwicklung von Subsite-bindenden Verbindungen der noch verbleibenden menschlichen Collagenasen (MMP-1, -8 und -14) verwendet werden. Diese spielen entscheidende Rollen in der Tumorentwicklung und Metastasierung. Als Ergebnis des HTS konnten drei Verbindungen identifiziert werden, die vielversprechende MMP- 13 Inhibitor-Eigenschaften zeigen. Zusätzlich konnte mittels Co-Kristallstrukturanalyse eine bisher unbekannte Bindungsstelle innerhalb der MMP-13-Kollagen-Bindungstasche identifiziert werden. Basierend auf diesen vielversprechenden Ergebnissen ist das Ziel des Forschungsprojektes die Entwicklung von neuen MMP-13 Inhibitoren durch die Anwendung von strukturbasiertem Wirkstoffdesign, ausgehend von den drei bereits identifizierten Hits aus dem HTS. Als Ausgangspunkt für die Synthese von optimierten Inhibitoren werden, unter der Berücksichtigung der positiven Eigenschaften von bekannten Inhibitor Bindungsarten, sogenannte Hybrid-Inhibitoren" (fused inhibitors) entworfen. Die entwickelte, Fragment-basierte Synthese erlaubt einen modularen und schnellen Zugang zu einer großen Anzahl an Inhibitor-Strukturen. Die synthetischen Studien werden durch molekulare Modellierung unterstützt und um den Optimierungsprozess zu überprüfen und zu bestätigen werden umfassende in vitro Studien durchgeführt. Der Output des Projektes leistet einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung von neuen Wirkstoffen zur Behandlung von Arthrose.

Arthrose, die Rückbildung des Knorpels, ist die am weitesten verbreitete chronische Gelenkserkrankung in der westlichen Welt und gehört zu den fünf Hauptursachen für dauerhafte körperliche Beeinträchtigungen. Trotz intensiver Forschung in den vergangenen Jahren sind die medizinischen Behandlungsmöglichkeiten für Arthrose begrenzt und konzentrieren sich hauptsächlich auf Schmerzlinderung. Es besteht ein dringender Bedarf an der Entwicklung von krankheitsmodifizierenden Wirkstoffen, um die Lebensqualität von Arthrose Patienten zu verbessern. Im Verlauf der Krankheit kommt es in Folge des Abbaus von Kollagen Typ II, einem der Hauptbestandteile des menschlichen Knorpels, durch Zink-Metalloproteasen zur Rückbildungdes Gelenksknorpels. Die Matrixmetalloprotease-13 (MMP-13) ist hauptverantwortlich für diesen Prozess. Die MMP-13 Inhibitoren der ersten Generation chelieren das Zinkion, das sich im aktiven Zentrum des Enzyms befindet. Die Wechselwirkung mit dem Metallion führt zu nicht selektiver Bindung von verschiedenen Enzymen innerhalb der MMP-Familie. Die Wirkstoffe, die in klinischen Phasen untersucht wurden, riefen durch ihre Zink-chelierenden Eigenschaften verschiedene Nebenwirkungen hervor, die allgemein als Musculoskeletal Syndrome zusammengefasst werden. Innerhalb dieses Projektes wurden selektive, nicht-chelierende MMP-13 Inhibitoren in einem dreistufigen Prozess entwickelt. Zunächst wurde eine vergleichende Strukturanalyse durchgeführt. Die Kristallstruktur der Leadverbindung im Komplex mit MMP-13 wurde mit literaturbekannten MMP-13 Kristallstrukturen mit gebundenen Inhibitoren auf überlappende Strukturelemente untersucht. In Schritt zwei wurden Docking-Studien verwendet, um potente aber nicht selektive, Zink-chelierende MMP-13 Inhibitoren zu entwerfen, welche anschließend synthetisiert wurden. Nachdem gezeigt werden konnte, dass die Pharmakophore der chelierenden Inhibitoren innerhalb der MMP-13 Substratbindungstasche binden, wurde im dritten Schritt die Zn2+-bindende Gruppe durch nicht-chelierende Reste ersetzt um die Selektivität innerhalb der MMP-Familie zu erhöhen. Im weiteren Verlauf nutzten wir die physikochemischen sowie in vitro pharmakokinetischen Eigenschaften unserer Ausgangsverbindungen als Startpunkt, um eine Struktur-Aktivitäts- Beziehung (SAR) / Struktur-Eigenschafts-Beziehung (SPR)-Studie durchzuführen, und fanden eine Reihe von nicht-chelierenden präklinische Kandidaten, die eine zumindest 500- fache Selektivität gegenüber anderen MMPs und IC50-Werten im einstelligen nanomolaren Bereich aufweisen. Die Entwicklung von präklinischen Kandidaten, die MMP-13 selektiv hemmen ist die Grundlage für die Entwicklung eines neuen Wirkstoffes gegen Arthrose, da MMP-13 eines der Schlüsselenzyme im Verlauf der Krankheit darstellt. Die Markteinführung eines MMP-13 Inhibitors hätte das Potenzial, die Lebensqualität von Arthrose Patienten enorm zu verbessern.