Георги Момеков, Магдалена Кондева-Бурдина, Росица Михайлова, Николай Данчев
Катедра по фармакология, фармакотерапия и токсикология, Фармацевтичен факултет, МУ-София
Георги Ставраков
Катедра по химия, Фармацевтичен факултет, МУ-София
Кореспонденция: проф. Георги Цв. Момеков, д.ф.,Фармацевтичен факултет, МУ-София, ул. „Дунав“ 2, София 1000 e-mail: gmomekov@gmail.com
Добре известно е, че тонусът на гладката мускулатура на бронхите се определя основно от вагусовата инервация. Така невротрансмисията на нивото на холинергичните парасимпатикови нерви допринася за абнормно повишения тонус на бронхиалната мускулатура при хроничните обструктивни белодробни болести, с особено значение за патогенезата на ХОББ, опосредствена от взаимодействието на ацетилхолина с мускариновите рецептори1-4. Мускариновите антагонисти са важни бронходилататори (БДТР) и в настоящия обзор накратко са прегледани теоретичните основи, на които е основан рационалният дизайн на тези eсенциални за клиничната пулмология лекарства, с акцент върху рецепторната фармакология и връзките структура – действие.
Мускаринови рецептори в белодробната тъкан, клетъчни ефекти и механизми на сигнална трансдукция
Описани са 5 субтипа мускаринови рецептори (M1M5), които са G-протеин-куплирани (GPCR) и имат различна анатомична локализация и клетъчни функции1,5. В таргетните структури на дихателните пътища (ДП) са експресирани само M1-M3субтиповете, като от тях M3рецепторите са основно ангажирани в контракцията на бронхиалната гладка мускулатура и по тази причина се явяват главната фармакологична мишена на антимускариновите БДТ6. За разлика от тях M2рецепторите са локализирани предимно пресинаптично като авторецептори, т.е. като „датчици“, чието активиране потиска по-нататъшното освобождаване на ацетилхолин (АЦХ), по механизма на универсалната за биологичните системи отрицателна обратна връзка. Освен това, M2рецепторите се явяват основният субтип мускаринови рецептори, експресирани в сърцето, където медиират отрицателния инотропен и хронотропен ефект на парасимпатикуса (Фиг. 1)1,6. Следователно блокирането на M2рецепторите, под действие на мускариновите рецепторни антагонисти, е свързано с два важни проблема: засилване на освобождаването на АЦХ и компрометиране на бронходилатиращия ефект; риск от тахикардия поради неутрализиране на екраниращия ефект на парасимпатикуса спрямо кардиотоничното и тахикардно действие на симпатиковите стимули1,2. На тази основа оптималните мускаринови антагонисти, използвани като БДТР, би следвало да имат висок афинитет към M1 и M3субтиповете при сравнително нисък афинитет към M2рецепторите6,7.
Механизмите на сигнална трансдукция при мускариновите рецептори са добре установени. Свързването на ендогенния лиганд АЦХ с M1,3 рецепторите в бронхиалните гладко мускулни клетки води до рекрутиране на Gq протеините, които са убиквитерни адаптерни молекули и от своя страна активират клетъчния ен зим фосфолипаза-Сβ(ФЛ-Сβ), който катализира получаването на вторичните медиатори диацилглицерол (ДАГ) и инозитолтрифосфат (ИФ3). Последните на практика опосредстват ефектите на АЦХ, като бронхоконстриктор – ДАГ активира протеинкиназа-С (ПК-С), докато ИФ3 способства за мобилизирането на калция от ендоплазмения ретикулум, с последващо електрохимично куплиране и контракция на гладката мускулатура на бронхиалното дърво2,5,8. Наред с бронхоконстрикторните ефекти АЦХ рекрутира ДАГ/ПК-С-зависими сигнални каскади, асоциирани с хемотаксис на проинфламаторни клетки, тъканно ремоделиране и възпаление. Тези клетъчни ефекти са обобщени схематично на Фиг. 2.
Лекарствен дизайн на мускаринови рецепторни антагонисти като инхалаторни бронходилататори
Изходните структури, използвани като фармакофорни прототипи при разработването на инхалаторните антимускаринови средства, са тропановите алкалоиди атропин и хиосцин (скополамин)2. Рационалният дизайн на техни аналози обаче почива на детайлното познаване на особеностите на холинергичното свързващо място и на природата на взаимодействията между АЦХ и определени домейни в рецепторите6. Подобно на други изследователски програми, насочени към дизайн на антагонисти, при антимускариновите инхалаторни средства е търсено въвеждането на заместители, които обуславят по-здраво свързване и конформационни промени, различни от тези, индуцирани от ендогенния лиганд – АЦХ8.
Механизмите на свързване и респективно взаимодействията на АЦХ с мускариновите рецептори са били обект на задълбочени проучвания, вкл. с използване на негови структурни аналози и деривати6,8. Така е добре установено, че основните функционални групи, характерни за структурата на АЦХ, взаимодействат с компементарни домени на рецептора, въз основа на химично сродство или стерични фактори. Свързването на АЦХ с определени аминокиселини в мускариновия рецептор с представяне на хипотетичните електростатични, вандерваалсови или Н-връзки е схематично представено на фигура 2.
За свързването е есенциално наличието на заредена аминогрупа, която в случая на ендогенния лиганд е кватернерна амониева функция, която е йонизирана, незави симо от рН. Другата важна функционална група е естерната, която също влиза във взаимодействие със специфични области на мускариновия рецептор. При това оптимална активност е налице при определено разстояние между катионната и естерната група, което трябва да съответства на двувъглеродния етиленов мост на АЦХ5,8. Наред с това е необходимо аминогрупата да сдържа алкилови заместители, подобни на метиловите групи от АЦХ8.
Наличието на естерни функционални групи, които са по-обемисти от ацетилния заместител на АЦХ, води до загуба на агонистичната активност и придава на молекулата свойства на антагонист. Установено е, че естерната функционална група образува водородни връзки с амино-групата от аспарагинов остатък в структурата на мускариновите рецептори, докато метиловият радикал от ацетилната група участва в хидрофобни взаимодействия със специфични региони от M1-38.
От своя страна, катионната кватернерна амониева функция влиза в два типа взаимодействия. Наличните метилови групи окупират хидрофобни „джобове“, а освен това, като положително заредена триметил-амониевата група електростатично взаимодейства с отрицателно заредена депротонирана карбоксилна група от аспарагинов остатък, който формира анионния свързващ домейн на мускариновия рецептор8.
При разработването на антагонисти са използвани изходните структури на природните тропанови алкалоиди атропин и хиосцин (фиг. 3), характерни за редица растения от семейство Картофови (Solanaceae), като лудо биле (Atropa belladonna), блян (Hyosciamus niger), татул (Datura stramonium) и др. Дрогите, получавани от тези растения, и съответните фитопрепарати са едни от първите бронходилататори, намерили емпирично приложение за лечение на хроничните обструктивни заболявания на респираторния тракт6,8. Куриозен факт е, че у нас до началото на 90-те години на миналия век бе разрешен за употреба, меко казано, екзотичният лекарствен продукт Asthma cigarettae, на основата на изсушени листа от блян, беладона и татул. Наред с парадоксалната идея пациентите с астма/ХОББ да пушат цигари, основният проблем пред тропановите алкалоиди, като инхалаторни БДТР, е чисто фармакологичен. Те са третични амини и независимо от ниските експозиции след инхалиране, значителна фракция от приетата доза се резорбира, достига централното кръвообращение и преминава кръвно-мозъчната бариера с риск от централни и периферни атропино-подобни ефекти6. В този смисъл, стратегиите за лекарствен дизайн на антимускаринови БДТР са били насочени към редукция на страничните ефекти посредством намаляване на системната експозиция и на свързването с M2 рецепторите6,8. Освен това, с оглед осигуряване на оптимално придържане към лечението, е нужно и постигане на продължително персистиране в таргетната тъкан и продължително действие, позволяващо достатъчно големи интервали между приемите, за оптимален баланс между надежден контрол на тонуса на бронхиалната мускулатура и комплаянс6,7.
За създаване на клинично използваните инхалаторни мускаринови антагонисти в структурата на природните тропанови алкалоиди (атропин или хиосцин), с оглед ограничаване на системната бионаличност, е въведен допълнителен заместител при аминогрупата. Така получените положително заредени четвъртични амониеви соли след инхалаторно приложение имат ниска системна бионаличност и респективно много помалко странични ефекти, в сравнение с атропиновите аналози, използвани системно, напр. при уринна инконтиненция, като спазмолитици, антивертигинозни или антиеметични средства1,2. Комерсиализирането на краткодействащите мускаринови антагонисти (КДМА, SAMA) – ipratropiumbromide и oxitropium bromide е последвано от разработването на дългодействащите антимускаринови лекарства (ДДМА, LAMA) tiotropium, aclidinium, umeclidinium, които се използват основно за лечение на ХОББ, но не са подходящи за овладяване на остър бронхоспазъм6,7,9-24. При създаването на последните, наред с търсене на висока полярност и ниска системна бионаличност, е било наложително засилване на взаимодействията между лигандите и рецептора, с оглед постигане на антагонистичен ефект и трайна бло када на спазмогенните ефекти на АЦХ върху бронхиалното дърво6,8.
Природните антагонисти и синтетичните им аналози, подобно на АЦХ, съдържат заредена аминогрупа, естерна функция и свързващи групи, аналогични на етиленовата от структурата на АЦХ. С други думи, за антагонистите са характерни взаимодействията с анионния и естерния свързващи домейни от мускариновия рецептор. При атропина и ипратропиевия бромид обаче, за разлика от малката ацетилова група на естествения невромедиатор е налице обемист заместител, съдържащ ароматно ядро, което формира много по-здрави вандерваалсови връзки с региони от рецептора, които обичайно не взаимодействат с АЦХ6,8(фиг. 2).
При прототипното дългодействащо антимускариново лекарство тиотропиум са въведени два тиофенови пръстена, които влизат в много по-силно взаимодействие с хидрофобните домейни на рецептора8. Наличието на третична хидроксилна група между двете тиофенови функции вероятно способства за формиране на водородни връзки. Нещо повече, поради това, че е дериват на хиосцина, тиотропиум съдържа оксиранов пръстен, който е лабилен и допринася за ковалентно свързване с рецептора. Тези характеристики обуславят 24-часовия бронходилатиращ ефект на тиотропиум, съчетани с ниската системна бионаличност, обусловена от четвъртичния азот6. Освен това, тиотропиум е кинетично селективен блокер на M1,3 рецепторите, т.е. независимо от това, че се свързва със всички субтипове на мускариновите рецептори, при M2субтипа времето за дисоциация е най-кратко. Така рискът от негативно повлияване на холинергичната медиация или на парасимпатиковите ефекти в сърцето е минимален6-8.
Докато краткодействащите ипратропиум и окситропиум, както и дългодействащият мускаринов антагонист тиотропиум, са деривати на природните алкалоиди, glycopyrronium bromide е напълно синтетичен. Той съдържа изостерични функционални групи с тиотропиум, а именно зареден азот-съдържащ хетероциклен фрагмент, третична хидроксилна група, както и хидрофобни радикали – циклопентилов и фенилов, които обуславят продължителното окупиране на рецептора6-8.
Най-новите клинично използвани ДДМА – aclidinium bromide и umeclidinium bromide, са производни на хинуклидина, които показват структурни аналогии с тиотропиум и са показани за лечение на ХОББ. Аклидиниум съдържа третична ОН-група и два тиофенови заместители, а естерната му функция е лабилна и бързо хидролизира под действие на естерази in vivo. Това обуславя наличие на мощен бронходилатиращ ефект в таргетната тъкан при минимална системна експозиция, която създава благоприятен профил на безопасност и нисък риск от нежелани ефекти по отношение на ВНС, ЦНС, сърдечната функция, простатната жлеза и офталмотонуса. Аклидиниум осигурява надежден 12-часов бронходилатиращ ефект6,12,15-17.
Умеклидиниум е сходен хинуклидинов дериват, който обаче има ароматни ядра вместо тиофеновите пръстени и освен това няма естерна функционална група, което е свързано с 24-часова активност, но по-висока системна експозиция6,9-11.
ДДМА рутинно се комбинират с ДДБА, като нараства броят на клинично-валидираните фиксирани дозови комбинации, напр. aclidinium/formoterol, tiotropium/olodaterol, indacaterol/glycopyrronium, umeclidinium/vilanterol и пр6,9,11,15. Алтернативна стратегия пред комбинираното доставяне на ДДМА с ДДБА е разработването на хибридни лекарства (MABA), които комбинират двата фармакофора и респективно двата фармакологични ефекта в една молекула. Представител на този нов клас от бифункционални бронходилататори е batefenterol, който понастоящем е обект на клинични проучвания8,25-27.
Послания за клиничната практика
1. ДДМА са интегрален елемент от фармакотерапевтичните стратегии за лечение на ХОББ.
2. Те са разработени посредством модифициране на структурата на природните алкалоиди атропин и хиосцин, които са прототипните мускаринови антагонисти, но са неприложими като инхалаторни БДТР.
3. Структурните промени са насочени към търсене на мощен и продължителен ефект в прицелната тъкан, при минимална системна експозиция и намален тропизъм към мускариновите рецептори в сърцето и по пресинаптичните мембрани на парасимпатиковите нервни окончания.
4. Новите поколения LAMA са разработени в резултат на рационален лекарствен дизайн, който е позволил фино „настройване“ на фармакодинамичните и фармакокинетичните им отнасяния и успешно клинично транслиране на водещите хипотези, залегнали в съответните научноизследователски програми.
Литература
1. Galanter JM, Boushey HA. Drugs used in asthma. In: Katzung BG, Trevor AJ, eds. Basic & Clinical Pharmacology, 13th Ed. New York: McGraw Hill Education; 2015: 336-54.
2. Undem BJ. Pharmacotherapy of asthma. In: Brunton LL, Lazo JS, Parker KL, eds. Goodman & Gilman‘s The Pharmacological Basis of Therapeutics (11th Ed). 11 ed. New York: McGraw Hill; 2006: 717-36.
3. Cazzola M, Donner CF, Hanania NA. One hundred years of chronic obstructive pulmonary disease (COPD). Respir Med 2007; 101(6): 1049-65.
4. Костов КВ, (ред.). ХОББ в търсене на идентичност. Второ преработено и допълнено издание. София; 2014.
5. Westfall TC, Westfall DP. The autonomic and somatic motor nervous systems. In: Brunton LL, Lazo JS, Parker KL, eds. Goodman & Gilman’s The Pharmacological Basis of Therapeutics, 11th Ed. New York: McGrow Hill 2006: 137-82.
6. Cazzola M, Page CP, Calzetta L, Matera MG. Pharmacology and therapeutics of bronchodilators. Pharmacol Rev 2012; 64(3): 450-504.
7. Testi R. White Paper – Long-Acting Muscarinic Agents (LAMAs) A New Frontier for COPD and Asthma Treatment. CROMSOURCE 2014: 1-22.
8. Patrick GL. Chapter 22. Cholinergics, anticholinergics and anticholinesterases. An introduction to Medicinal Chemsitry, Sixth Edition. Oxford: Oxford University Press; 2017: 620-53.
9. Blair HA, Deeks ED. Umeclidinium/vilanterol: a review of its use as maintenance therapy in adults with chronic obstructive pulmonary disease. Drugs 2015; 75(1): 61-74.
10. Pleasants RA, Wang T, Gao J, Tang H, Donohue JF. Inhaled Umeclidinium in COPD Patients: A Review and Meta-Analysis. Drugs 2016; 76(3): 343-61.
11. Scott LJ, Hair P. Umeclidinium/Vilanterol: first global approval. Drugs 2014; 74(3): 389-95.
12. Cazzola M. Aclidinium bromide, a novel long-acting muscarinic M3 antagonist for the treatment of COPD. Curr Opin Investig Drugs 2009; 10(5): 482-90.
13. Dhillon S. Tiotropium/Olodaterol: A Review in COPD. Drugs 2016; 76(1): 135-46.
14. Gibb A, Yang LP. Olodaterol: first global approval. Drugs 2013; 73(16): 1841-6.
15. Cazzola M, Calzetta L, Matera MG. Aclidinium/formoterol fixed-dose combination for the treatment of chronic obstructive pulmonary disease. Drugs Today (Barc) 2015; 51(2): 97-105.
16. Frampton JE. Aclidinium: in chronic obstructive pulmonary disease. Drugs 2012; 72(15): 1999-2011.
17. Joos GF. Aclidinium bromide for the treatment of chronic obstructive pulmonary disease. Drugs Today (Barc) 2012; 48(12): 757-63.
18. Cazzola M, Matera MG. Novel long-acting bronchodilators for COPD and asthma. Br J Pharmacol 2008; 155(3): 291-9.
19. Lal C, Strange C. A review of current and developing fixed-dose LABA/ LAMA combinations for treating COPD. Expert Opin Pharmacother 2017.
20. Rodrigo GJ, Price D, Anzueto A, et al. LABA/LAMA combinations versus LAMA monotherapy or LABA/ICS in COPD: a systematic review and meta-analysis. Int J Chron Obstruct Pulmon Dis 2017; 12: 907-22.
21. Cazzola M, Matera MG. Bronchodilators: current and future. Clin Chest Med 2014; 35(1): 191-201. 22. Matera MG, Page CP, Cazzola M. Novel bronchodilators for the treatment of chronic obstructive pulmonary disease. Trends Pharmacol Sci 2011; 32(8): 495-506.
23. Cazzola M, Segreti A, Matera MG. Novel bronchodilators in asthma. Curr Opin Pulm Med 2010; 16(1): 6-12.
24. Cazzola M, Matera MG. Emerging inhaled bronchodilators: an update. Eur Respir J 2009; 34(3): 757-69.
25. Ambery C, Riddell K, Daley-Yates P. Open-Label, Randomized, 6-Way Crossover, Single-Dose Study to Determine the Pharmacokinetics of Batefenterol (GSK961081) and Fluticasone Furoate When Administered Alone or in Combination. Clin Pharmacol Drug Dev 2016; 5(5): 399-407.
26. Ambery CL, Wielders P, Ludwig-Sengpiel A, Chan R, Riley JH. Population Pharmacokinetics and Pharmacodynamics of GSK961081 (Batefenterol), a Muscarinic Antagonist and beta2-Agonist, in Moderate-to-Severe COPD Patients: Substudy of a Randomized Trial. Drugs R D 2015; 15(3): 281-91.
27. Hughes AD, Chen Y, Hegde SS, et al. Discovery of (R)-1-(3-((2-chloro-4(((2-hydroxy-2-(8-hydroxy-2-oxo-1,2-dihydroquinolin-5-yl)et hyl)ami no) me thyl)-5-methoxyphenyl)amino)-3-oxopropyl)piperidin-4-yl [1,1‘-biphenyl]-2-ylcarbamate (TD-5959, GSK961081, batefenterol): first-in-class dual pharmacology multivalent muscarinic antagonist and beta(2) agonist (MABA) for the treatment of chronic obstructive pulmonary disease (COPD). J Med Chem 2015; 58(6): 2609-22.