Chemie a biologie signalizace orexinu (2010)

Mol Biosyst. Autorský rukopis; k dispozici v PMC 2012 Jun 20.

Publikováno v posledním editovaném formuláři:

PMCID: PMC3379554

NIHMSID: NIHMS280225

Konečná upravená verze tohoto článku vydavatele je k dispozici na adrese Mol Biosyst

Viz další články v PMC to citovat publikovaný článek.

Přejít na:

Abstraktní

Orexiny jsou neurohormony, které ve shodě se svými příbuznými receptory regulují řadu důležitých fyziologických procesů, včetně výživy, spánku, hledání odměny a energetické homeostázy. Receptory orexinu se v poslední době objevily jako důležité cíle léčiv. Tento přehled poskytuje přehled nejnovějšího vývoje dešifrování biologie signalizace orexinu a úsilí o farmakologickou manipulaci signalizace orexinu.

Orexiny (také nazývané hypocretiny) jsou neuropeptidy, které byly poprvé objeveny v 1998 dvěma nezávislými výzkumnými skupinami.1, 2. Orexiny A (33 aminokyseliny) a B (28 aminokyseliny) jsou odvozeny od jediného pre-prorereinového polypeptidu3. Zprostředkovávají své činnosti prostřednictvím interakcí se dvěma blízce příbuznými GPCR s názvem Orexin Receptor 1 a 2 (OxR1 a OxR2). OxR1 váže Orexin A s přibližně 100-krát vyšší afinitou než Orexin B, zatímco OxR2 váže oba peptidy s přibližně stejnou afinitou. Orexiny jsou produkovány specializovanými neurony v hypotalamu, které se promítají do mnoha různých oblastí mozku4, 5.

Jak bude stručně shrnuto níže, fyziologické studie za posledních deset let naznačují, že orexinová signalizace hraje ústřední roli v celé řadě důležitých biologických procesů, včetně výživy, energetické homeostázy, cyklů spánku / probuzení, závislosti a mimo jiné hledáním odměny.6. Existují jasné důkazy o poruchách signalizace orexinů u obezity a cukrovky vyvolané dietou7, 8, narkolepsie9, 10panická úzkostná porucha11, drogová závislost12 a Alzheimerovu chorobu13. V farmaceutickém průmyslu je tedy značný zájem o vývoj účinných sloučenin pro manipulaci s orexinovou signalizací. Zde je uveden nejnovější pokrok v porozumění a manipulaci s orexinovou signalizací.

Orexinová signalizace při koordinaci spánku a krmení

Nejlépe pochopenou úlohou signalizace orexinu je koordinace krmení a spánku. Úroveň produkce orexinu v hypotalamu je nepřímo korelována s hladinami glukózy v krvi 14. Orexinová signalizace, přinejmenším v krátkodobém horizontu, vyvolává pocit hladu a stimuluje stravovací chování, pravděpodobně aktivací neuronů v mozku, které produkují neuropeptid Y a funkčně příbuzné hormony. Kromě toho je signalizace orexinu klíčovou součástí vyvolání stavu bdělosti u savců9, 15. Jinými slovy, signalizace orexinů nařizuje, že když mají zvířata hlad, jsou také vzhůru, ale když jsou nasyceny, mohou být ospalé. To dává dobrý fyziologický smysl v tom, že zvířata budou chtít hledat jídlo, ne spát, když budou mít hlad.

Genetická ablace genu orexinu nebo receptoru u hlodavců má za následek fenotyp pozoruhodně podobný lidské narkolepsii s kataplexií, při níž zvíře trpí nevhodným vniknutím spánku do normálního bdělého času, včetně zhroucení v lichých okamžicích9. Totéž platí pro psy s inaktivující mutací v genu exprimujícím OxR210. Většina, i když ne všechna, lidská narkoleptika, ačkoli nenosí mutace v genech, které kódují orexin a jeho receptory, přesto postrádají detekovatelný orexin. To je způsobeno autoimunním útokem na neurony produkující orexin v mozku16, 17. Tento autoimunitní model pro lidskou narkolepsii však musí být prokázán a není známo nic o povaze domnělé autoimunitní reakce.

Známá biologie signalizace orexinu tedy předpovídá, že agonisté OxR2 pronikající do mozku by měli stimulovat bdělost a mohou být užiteční při léčbě narkolepsie. Yanagisawa a jeho kolegové publikovali důkaz experimentů s konceptem, které podporují tuto myšlenku18. Ukázali, že přímá intrakraniální injekce orexinového peptidu do mozku hlodavců s nedostatkem orexinu vedla ke zvýšenému stavu bdělosti. Naopak, k léčbě nespavosti lze použít antagonisty receptoru orexinu19, i když možná indukce kataplexie, pozorovaná u zvířat a lidí s chronickým nedostatkem orexinu, je znepokojivá (vide infra).

Orexinová signalizace v návykových a jiných patologických chováních

Insula je oblast mozku, o které je známo, že se podílí na vývoji nutkání a chutí, a obecně se podílí na odměňování20. Poškození této oblasti mozku má za následek výrazný pokles motivace kuřáků pokračovat ve svém zvyku21. Oproti tomu abstinence u kuřáků cigaret je známo, že aktivuje izolaci22. Zdá se, že stejná oblast mozku se podílí na chování při hledání odměn, které se podílí kromě morfinu, kokainu a alkoholu. Neurony produkující orexin hustě inervují tuto oblast mozku a signalizace orexinu hraje klíčovou roli v tomto chování23-25. Například podávání selektivního antagonisty OxR1 SB-334867 (viz Obrázek 5) významně snížili pohon hlodavců, kteří si sami injekčně podali nikotin12. Podobné výsledky byly získány pro další návykové sloučeniny. Zajímavé je, že ve studii nikotinu farmakologická blokáda OxR1 podstatně potlačila příjem potravy, což je spolu s bdělostí považováno za zprostředkované převážně OxR2em. Předklinické údaje u hlodavců tedy silně naznačují, že selektivní antagonisté OxR1 mohou být zajímavými antiatoxikami.

Obrázek 5 

Struktury antagonistů orexinových receptorů vyvinuté Glaxo Smith Kline (GSK) a Merck.

Orexinová signalizace se také nedávno podílela na záchvatech paniky a úzkosti11. Za použití krysího modelu, u kterého jsou panické záchvaty vyvolány chronickým ošetřením zvířete inhibitorem syntézy GABA a následným akutním ošetřením laktátem sodným, bylo prokázáno, že blokáda OxR334867 zprostředkovaná SB-1 nebo siRNA zprostředkované umlčení produkce orexinu silně potlačuje panické útoky v tomto modelu. Kromě toho mají lidé trpící panickými záchvaty zvýšené hladiny orexinu ve své mozkomíšní tekutině (CSF) 11, což odpovídá úloze signalizace orexinu u poruch úzkosti u lidí.

Nedávno se objevila zpráva spojující cyklus spánku / bdění s Alzheimerovou chorobou13. Konkrétně se ukázalo, že akumulace amyloidu beta, punc nemoci, je v korelaci s bdělostí. Například chronická deprivace spánku zvýšila hladiny amyloidu beta v CSF zvířete. Je zajímavé, že podávání antagonisty receptoru orexinu SB-334867 snížilo hladiny tohoto neurotoxického meziproduktu. Je tedy možné, že vhodným léčebným režimem s antagonisty OxR by mohla být životaschopná léčba, která by zpomalila vývoj Alzheimerovy choroby, pokud by byla diagnostikována dostatečně včas.

Signalizace orexinu v energetické homeostáze, obezitě vyvolané dietou a cukrovce

Existují nepřímé důkazy o tom, že signalizace orexinu je důležitá v energetické homeostáze. Například narkoleptičtí lidé s nedostatkem orexinu vykazují vyšší index tělesné hmotnosti než narkoleptičtí jedinci s normální hladinou orexinu26. Genetická ablace neuronů orexinu u myší vede k obézním zvířatům27 a u těchto myší se také vyvinula inzulínová rezistence související s věkem7. Tyto výsledky se zdají být kontraintuitivní v tom, že farmakologická indukce signalizace orexinu akutně podporuje chování při krmení1. To naznačuje, že krátkodobé a dlouhodobé účinky signalizace orexinu na energetickou homeostázu jsou odlišné.

V poslední době byla tato oblast biologie orexinu objasněna významnou studií, která přesvědčivě prokázala, že signalizace orexinu silně odporuje obezitě vyvolané dietou a následnému rozvoji rezistence na inzulín u hlodavců.8. Ukázalo se, že chronická nadměrná exprese genu orexinu nebo farmakologická indukce receptoru orexinu téměř úplně blokovala rozvoj obezity a inzulínové rezistence u myší krmených dietou s vysokým obsahem tuků. Ukázalo se, že to bylo způsobeno převážně zvýšenými výdaji energie, ačkoli nedošlo k žádné změně dýchacího kvocientu, což je nepřímý ukazatel využití uhlohydrátů vs. lipidů. Chronická stimulace signalizace orexinu také snížila spotřebu potravy. Různé genetické i farmakologické experimenty naznačují, že většina tohoto účinku byla zprostředkována signalizací prostřednictvím OxR2, nikoli OxR1. Konečně, nápadné zjištění této studie je, že chronická stimulace signalizace orexinu neměla žádný účinek na myši postrádající leptin. Tato zvířata, když byla krmena dietou s vysokým obsahem tuku, se stala obsedantní a rezistentní na inzulín, i když byla léčena agonistou orexinového receptoru. Zdá se tedy, že ochranný účinek orexinu má kořeny ve zlepšování citlivosti na leptin. Tato studie má zřejmé terapeutické důsledky při léčbě obezity a cukrovky vyvolané dietou.

Zatímco tato studie většinou zahrnovala signalizaci prostřednictvím OxR2 jako důležitou pro fenotyp rezistentní vůči obezitě, byly zaznamenány některé účinky zprostředkované OxR18. Autoři zjistili, že genetická ablace samotného OxR1u chrání před hyperglykémií s vysokým obsahem tuků, i když ne obezitou. To ukazuje, že signalizace orexinu prostřednictvím OxR1 normálními fyziologickými hladinami orexinu hraje permisivní roli ve vývoji inzulínové rezistence vyvolané dietou indukovanou ve věku nebo vysokým obsahem tuku. Avšak v nefyziologickém scénáři trvalé exprese orexinu nad expresí transgenem zprostředkovala OxR1 i OxR2 ochranu proti rozvoji inzulínové rezistence u stravy s vysokým obsahem tuků. Tento komplikovaný soubor výsledků s ohledem na OxR1 naznačuje, že buď receptor hraje různé role za podmínek normální a suprapyziologické exprese orexinu, nebo že receptor zprostředkovává odlišný fyziologický účinek, který může zvýšit nebo zabránit rozvoji hyperinzulinemie a že „vítěz“ tyto konkurenční účinky se liší v závislosti na úrovni orexinu nebo načasování a trvání jeho signalizace.

Spojení orexinového účinku s leptinovou signalizací je zajímavé s ohledem na další studii zveřejněnou nedávno, ve které bylo zjištěno, že suprapyziologické hladiny leptinu umožňují prospívat diabetickým hlodavcům zcela postrádajícím inzulín. 28. Dříve bylo známo, že leptin snižuje hladinu glukózy v krvi potenciací zbytkových hladin endogenního inzulínu u diabetických potkanů ​​indukovaných streptozotocinem (STZ) s částečným nedostatkem inzulínu. 29. Myšlenka, že leptin samotný dokáže zachránit zvířata s nedostatkem inzulínu před diabetickými symptomy, však nikdy nebyla testována a toto zjištění přišlo jako velké překvapení. Podobné fenotypy vyvolané chronickým ošetřením zvířat suprapysiologickými hladinami orexinu a leptinu, spojené se zjištěním, že se zdá, že orexin funguje, zlepšují citlivost na leptin, vedou k přemýšlení, zda tyto dvě studie byly odlišnými stranami stejné mince a že stimulace signální dráhy orexin / leptin mohou být skutečně velmi slibnou léčbou diabetu typu I nebo II.

Má orexinová signalizace účinky na periferii?

Předpokládá se, že většina účinků signalizace orexinu popsaných výše se vyskytuje v hypotalamu. Role signalizace orexinu, pokud existují, mimo nervový systém jsou kontroverzní. Exprese orexinů a jejich receptorů byla detekována v různých periferních tkáních, včetně střeva, slinivky břišní, ledvin, nadledvin, tukové tkáně a reprodukčního traktu 30-33, ale funkční důkaz úlohy orexinové signalizace v periferii je vzácný.

Nedávná studie ukázala, že incidence buněk exprimujících OxR1 v pankreatických ostrůvcích se zvýšila s hypptlyotocí indukovanou streptozotocinem (STZ) u potkanů ​​a byla lokalizována společně s glukagonem.34. Štěpená kaspáza-3 se navíc imunochemicky lokalizovala s OxR1 v ostrůvcích. Naproti tomu zvířata postrádající orexin vykazovala sníženou hyperglykémii a lepší glukózovou toleranci než zvířata divokého typu. Tyto výsledky naznačují, že signalizace orexinu prostřednictvím OxR1 ve slinivce břišní může přispět k apoptóze beta buněk a rozvoji diabetu v reakci na léčbu STZ. I když je spojení slabé, je možné, že tento účinek by mohl vysvětlit výše uvedená pozorování Funato et al., Že genetická ablace OxR1 chrání před hyperglykémií a hyperinzulinémií vyvolanou vysokým obsahem tuku.8.

Signální kaskáda orexinu

Zatímco signalizace orexinu byla intenzivně studována na fyziologické úrovni, bylo věnováno mnohem méně úsilí charakterizaci intracelulárních událostí vyvolaných vazbou orexinových hormonů na jejich receptory. Je známo, že vazba hormonu na jeho receptor vyvolává příliv vápníku, který je spojen s aktivací Erk 35. Receptory se také spojují s cestou zprostředkovanou fosfolipázou C (PLC), která uvolňuje intracelulární zásoby vápníku.

Nejdůkladnější analýza genových transkripčních programů vyvolaná signalizací orexinu byla uvedena v 2007u 36. Tato studie použila profilování globální genové exprese k identifikaci genů silně nahoru nebo dolů regulovaných v HEK293 buňkách stabilně exprimujících OxR1. Bylo zjištěno, že geny 260 jsou up-regulovány a 64 down-regulovány dvojnásobně nebo více, když byly odebrány vzorky dvě a čtyři hodiny po stimulaci orexinu. Genové anotace naznačily, že přibližně polovina vysoce regulovaných genů se podílela na růstu buněk (30%) nebo metabolismu (27%). Analýza cest využívajících komerční program Ingenuity zahrnovala několik cest jako regulovaných signalizací orexinu (Obrázek 1). Nejvýznamnější byly kanonické TGF-P / Smad / BMP, FGF, NF-kB a hypoxické signální dráhy. Tato studie se podrobně zaměřila na hypoxickou cestu, která byla v této studii zvláštním „zásahem“, protože buňky byly kultivovány za normoxických podmínek. Nicméně transkripční faktor 1-a (HIF-1a), který byl dříve indukován hypoxií, o kterém bylo dříve známo, že roste v reakci na hypoxii, a mnoho z jeho cílových genů bylo vysoce indukováno ošetřením orexinem. V hypoxických rakovinných buňkách, kde byl účinek HIF-1a nejlépe studován, spolupracuje s HIF-1β a vytváří heterodimerní transkripční faktor (HIF-1), který řídí přeprogramování buněčného metabolismu37. Zejména masivně zvyšuje regulaci dovozu glukózy a glykolýzy, přičemž má vazebná místa před téměř všemi geny, které se na těchto událostech podílejí. V hypoxických buňkách působí HIF-1, aby zkrátil produkt glykolýzy, pyruvát, na produkci laktátu, spíše než na přeměnu na acetyl-CoA a vstup do cyklu TCA a oxidační fosforylaci. To se provádí alespoň zčásti pomocí HIF-1-závislé up-regulace exprese laktát dehydrogenázy A (LDH-A), enzymu, který zprostředkovává přeměnu pyruvátů na laktát, jakož i pyruvátdehydrogenázových kin ( PDHK), který inaktivuje PDH, enzym, který zprostředkovává přeměnu pyruvátu na Acetyl Co-A (viz Obrázek 2). Překvapivě se však zdálo, že buňky ošetřené orexinem tlačí většinu svého metabolického toku TCA cyklem a oxidační fosforylací 36, což má za následek silně zvýšenou produkci ATP a pravděpodobně dalších biosyntetických meziproduktů s aktivací těchto drah. Není známo, jak signalizace orexinu a hypoxie mohou stimulovat aktivitu HIF-1a, avšak v buňkách ošetřených orexinem je aktivována pouze podskupina genů běžně aktivovaných tímto transkripčním faktorem v hypoxii.

Obrázek 1 

Souhrn nálezů analýzy genové exprese účinku orexinu na buňky exprimující orexinový receptor 1. Nahoru: Výsečový graf shrnující anotované funkce genů významně ovlivněných signalizací orexinu. Dolní: Navrhované signální dráhy ...
Obr. 2 

Schematické shrnutí hlavního účinku signalizace orexinu na metabolismus glukózy. OxSig = signalizace orexinu. Oranžový ovál představuje transportér glukózy. Šipky označují stimulaci uvedeného procesu a kolmé čáry představují ...

Paralelní studie hypothalamických řezů získaných z myší divokého typu nebo knock-out myší OxR1 se obecně shodují s těmito závěry a potvrzují, že pozorované účinky byly výsledkem signalizace orexinu 36. V některých ohledech je tento výsledek přitažlivý v tom, že vysvětluje hlavolam v našem chápání biologie orexinu na fyziologické úrovni. Pokud stavíme na vědomí stav bdělosti s vysokou metabolickou aktivitou neuronů, což se zdá rozumné, je zvláštní, že by k tomu došlo, kdyby se mozek koupal v nízké hladině glukózy. Proto má smysl, že bdělost vyžaduje potlačení této situace pomocí mechanismu, který zvyšuje účinnost absorpce a zpracování glukózy. Zdá se také, že orexinem zprostředkovaná regulace buněčného metabolismu je v souladu s pozorováním zvýšeného energetického výdeje a rezistence vůči obezitě s vysokým obsahem tuku vyvolané dietou. 8. Je však důležité si pamatovat, že tato studie se zaměřila na buňky exprimující OxR1 a plátky neuronů získané z myší divokého typu nebo knock-out myší OxR1. O bdělosti a rezistenci vůči obezitě vyvolané stravou, jak je uvedeno výše, se nyní předpokládá, že je více efektem signalizace zprostředkované OxR2. Může se stát, že pozorované dráhy jsou relevantnější pro odměňování chování a dalších procesů, u nichž se zdá, že dominují signalizací zprostředkovanou OxR1. K vyřešení těchto problémů bude zapotřebí mnohem více práce v různých typech buněk a tkáních. Myšlenka, že signalizace orexinu je hlavním regulátorem energetického metabolismu, je však zajímavým modelem, který povede budoucí studie.

Je signalizace orexinu důležitá u rakoviny?

Zjištění, že signalizace orexinu je schopna turbo nabíjení spotřeby glukózy, naznačuje možnou souvislost s proliferací buněk v dělících se buňkách, a tedy s rakovinou. Publikované výsledky diskutované výše však ukazují, že orexin může stimulovat metabolismus oxidační energie 36, zatímco mnoho rakovinných buněk používá anaerobní glykolýzu pro většinu svého metabolismu 38. Jednou z možností je, že rakovinné buňky, které využívají oxidativního metabolismu, by mohly využívat signalizace orexinu autokrinním nebo parakrinním způsobem ke stimulaci jejich metabolismu a proliferace, a pokud ano, antagonisty receptoru orexinu by byly zajímavými terapeutickými možnostmi. Na druhou stranu, pokud signalizace orexinu nutí metabolický tok prostřednictvím TCA a oxidační fosforylační dráhy na úkor anaerobní glykolýzy, pak by aktivace této dráhy mohla být toxická pro nádorové buňky „závislé“ na glykolytickém způsobu života.

Existují určité náznaky úlohy signalizace orexinu v rakovinných buňkách a, jak by se dalo předpovídat z výše uvedené analýzy, zdá se, že účinek signalizace orexinu se u různých druhů rakovinných buněk liší. Například orexiny potlačují buněčný růst indukcí apoptózy v lidských rakovinách tlustého střeva, neuroblastomových buňkách a krysích pankreatických nádorových buňkách. 39. Na druhé straně, exprese OxR1 a OxR2 jsou vyšší u adenomů než normální kůra nadledvin. Orexin A a B mohou stimulovat proliferaci buněk v těchto buňkách a účinky byly výraznější u kultivovaných adenomatóz než u normálních adrenokortikálních buněk 40. I když jsou tyto zprávy zajímavé, naše chápání důležitosti signalizace orexinu u rakoviny, pokud existuje, je v plenkách a bude zapotřebí mnohem více práce, aby se určilo, zda receptory orexinu nebo downstream efektory signální dráhy představují životaschopné cíle pro chemoterapii rakoviny .

Farmakologická kontrola signalizace orexinu

Výše uvedená biologie naznačuje, že agonisté, antagonisté a potenciátoři signalizace orexinu mohou být klinicky významně zajímaví. Například léčba narkolepsie a kataplexie způsobená nedostatkem produkce orexinu by měla být léčitelná pomocí agonisty orexinového receptoru. Na druhé straně by mělo být návykové chování léčitelné antagonistou receptoru orexinu. Proti obezitě a cukrovce vyvolané stravou lze bojovat buď s agonistou receptoru orexinu, nebo s pozitivním alosterickým potenciátorem. Několik hlavních farmaceutických společností zahájilo vývoj molekul, které cílí na orexinové receptory 41.

Antagonisté receptoru orexinu

Protože signalizace orexinu v mozku podporuje bdělost, je logické, že farmakologická blokáda této dráhy by měla vést k ospalosti, a proto by antagonisté receptoru orexinu mohly být užitečnými léky pro léčbu nespavosti. Velkým problémem by však bylo vyvolání kataplexie. Ve skutečnosti je hlavní otázkou ve vývoji terapeuticky užitečných antagonistů orexinového receptoru to, zda přechodná farmakologická inhibice orexinového receptoru povede k fenoskopii narkoleptického a kataplectického fenotypu chronického nedostatku orexinu.

Dosud dostupné preklinické a klinické údaje argumentují tím, že odpověď zní „ne“. Většina dat pochází ze studií Almorexantu (Obrázek 3; také známý jako ACT-078573), který vyvíjí Actelion Pharmaceuticals pro léčbu nespavosti. Almorexant je perorálně dostupný tatrahydroizochinolin, který silně antagonizuje jak OxR1, tak OxR2. Actelion zveřejnil předběžnou studii na počátku 2007, která uvádí úspěšnou léčbu potkanů, psů a lidí Almorexantem nebo klasickým agonistou receptoru GABA, zolpidemem 19. Almorexant se v této studii ukázal jako bezpečný a dobře tolerovaný. To vyvolalo subjektivní a objektivní fyziologické známky spánku. V experimentech na potkanech bylo prokázáno, že Almorexant indukoval spánek bez REM i REM. To je významné v tom, že zolpidem nevyvolává REM spánek. Důležité je, že u žádného z experimentálních zvířat nebo lidských pacientů nebyly pozorovány žádné známky kataplexie.

Obrázek 3 

Souhrn vývoje přípravku Almorexant, klinického kandidáta na léčbu nespavosti, a příbuzných sloučenin s odlišnou selektivitou pro dva receptory orexinu.

Na konci 2009u společnost Actelion oznámila dokončení rozsáhlé studie fáze III o dvoutýdenní léčbě dospělých a starších osob s primární chronickou nespavostí. Společnost prohlašuje, že primární cílový bod studie, vyšší účinnost přípravku Almorexant oproti placebu, byl splněn, stejně jako několik sekundárních koncových bodů (viz http://www1.actelion.com/en/our-company/news-and-events/index.page?newsId=1365361). V kryptické linii v tiskové zprávě se však uvádí, že „… byla učiněna určitá bezpečnostní pozorování, která budou vyžadovat další vyhodnocení a posouzení v dlouhodobějších studiích fáze III.“ Bude zajímavé vědět, co to znamená, jakmile budou data k dispozici.

Almorexant byl výsledkem rozsáhlého vývojového programu, který začal s tatrahydroisoquinolinem 1 (Obrázek 3) 42. Tato sloučenina vznikla jako primární zásah z vysoce výkonného screeningu pomocí testu vápníku na bázi FLIPR v buňkách vaječníků čínského křečka (CHO) exprimujících vysoké hladiny lidského OxR1 nebo OxR2. Všimněte si této sloučeniny 1 je poměrně selektivní pro OxR1. Ve skutečnosti tento léčivý program produkoval mnoho různých silných sloučenin, z nichž některé byly antagonisty duálních receptorů, zatímco některé byly rozumně selektivními inhibitory buď OxR1 nebo OxR2 (viz Obrázek 3). V důsledku mírných strukturálních změn byly pozorovány poměrně velké výkyvy ve stupni selektivity. Například nahrazení jedné z methoxyskupin v „levém horním“ aromatickém kruhu 1 s isopropyletherem vedl ke zcela specifickému antagonistovi OxR1. Dalším zajímavým kontrastem je složený 3, který je spíše selektivní pro OxR2, ale sdílí mnoho strukturálních prvků s duálním antagonistou Almorexantem. Bohužel neexistují žádné strukturální údaje o receptoru orexinu, a molekulární podstata této selektivity není známa.

Tetrahydroizochinoliny nejsou zdaleka uváděny pouze o antagonisty receptoru orexinu. Například Actelion uvádí strukturně odlišné sloučeniny, jako jsou sulfonamidy 4 a 5, které jsou silnými duálními a OxR2 selektivními antagonisty (Obrázek 4) 43. Inspekcí struktur, které obsahují vysoce modifikované glycinové jádro, je v pokušení dospět k závěru, že tetrahydroizochinoliny a sulfonamidy mohou zaujímat překrývající se místa na receptoru, ale podle našich nejlepších znalostí to nebylo testováno.

Obrázek 4 

Struktury dalších antagonistů receptoru orexinu vyvinutých společností Actelion Pharmaceuticals.

GSK hlásil jednoho z prvních antagonistů receptoru orexinu, SB-334867 44-46 (Obrázek 5), sloučenina, která je relativně selektivní pro OxR1 a zůstává nejčastěji používanou „nástrojovou sloučeninou“ ve výzkumných laboratořích studujících biologii orexinu. Také uvedli relativně vzdáleného příbuzného SB-334867, 6, který obsahuje prolinovou jednotku, s mnohem lepší účinností proti oběma receptorům, ale zachovávající rozumnou selektivitu OxR1 47. To bylo spekulovalo, že 6 může být blízkým příbuzným sloučeniny nezveřejněné struktury, kterou GSK provedla v klinických studiích pro léčbu nespavosti zvané SB-674042 41. GSK oznámila postup této sloučeniny do klinických studií fáze II v 2007u, ale podle našich nejlepších znalostí nebyly předloženy žádné další klinické údaje.

Tým společnosti Merck vyvinul antagonisty orexinového receptoru obsahujícího prolin 48. Sloučenina 7 (Obrázek 5) vyplynula z vysoce výkonného screeningu a prokázala vynikající in vitro účinnost proti OxR2 a také mírnou aktivitu proti OxR1, ale in vivo vykazovala špatnou penetraci hematoencefalickou bariérou. Bylo zjištěno, že je to výsledek toho, že je substrátem pro glykoprotein P. Zjistili, že tento problém lze zmírnit methylací benzimidazolového dusíku 41, 48. Sloučenina 8, který také obsahuje fenylový kruh spíše než pyrrolový zbytek v „pravém horním“ kvadrantu molekuly, je silným antagonistou duálních receptorů s vynikající penetrací bariéry do mozku. 8 bylo prokázáno, že je aktivní u potkanů.

Jiné farmaceutické společnosti uvádějí několik sloučenin s in vitro aktivitou proti receptorům orexinu, ale ty zde nebudou přezkoumány.

Je lákavé spekulovat, že stejné sloučeniny, které se vyvíjejí jako pomocné látky pro spaní, mohou být také užitečné při léčbě chronických závislostí, i když zjevným vedlejším účinkem tohoto léčebného režimu by bylo to, že by subjekty způsobily ospalost, pokud jsou antagonisty duálních receptorů. Objevování signalizace orexinů v návykovém chování je však relativně nedávné a podle našich nejlepších znalostí nebyly zahájeny žádné klinické studie s použitím sloučenin diskutovaných výše pro tuto indikaci.

Agonisté a potenciátory receptoru orexinu

Jak již bylo uvedeno výše, Yanagisawa a jeho kolegové prokázali na zvířecích modelech princip, že narkolepsii je třeba léčit agonistou receptoru orexinu 18. V těchto studiích použili modifikovaný orexinový peptid. Je však zajímavé, že podle našich nejlepších znalostí nebyly v literatuře dosud popsány žádné nepeptidové agonisty. Je obtížné si představit, že screening takových sloučenin nebyl proveden vzhledem k velkému množství práce na antagonistech receptoru. Zdá se tedy pravděpodobné, že je těžké najít silné agonisty, i když není jasné, proč tomu tak je.

Velmi nedávno, první pozitivní alosterický potenciátor receptoru orexinu, 9 (Obrázek 6). Tato sloučenina byla objevena náhodně během skromné ​​kampaně léčivé chemie zaměřené na zvýšení účinnosti antagonisty receptoru orexinu na bázi peptoidů 49. Peptoid 10 byl identifikován na obrazovce, ve kterém byly buňky, které neexprimují nebo neexprimují OxR1, ale jsou jinak identické, označeny různými barevnými barvivy (červená a zelená, v tomto pořadí) a hybridizovány na mikročip zobrazující několik tisíc peptoidů imobilizovaných na sklíčku. Sloučeniny, které selektivně vázaly buňky exprimující OxR1, byly identifikovány vysokým poměrem červené a zelené fluorescenčních barviv zachycených na tomto místě (viz odkaz. 50 pro vývoj této metodiky). Experiment skenování sarkosinu 51 odhalil, že pouze dva z devíti postranních řetězců přítomných v molekule byly nezbytné pro vazbu na buňky exprimující receptor (zvýrazněno červeně v Obr. 6). Následná syntéza a analýza sloučeniny 11 potvrdili, že se jedná o „minimální farmakofor“ pro vazbu na receptor. 11 je velmi slabý antagonista obou orexinových receptorů s IC50 pouze přibližně 300 μM in vitro.

Obrázek 6 

Vývoj pozitivního potenciátoru receptoru orexinu. Struktura peptoidu, který vznikl jako primární zásah z vazebné obrazovky, je zobrazena nahoře. Část molekuly, o které se zjistilo, že je důležitá pro vazbu na receptor, je zvýrazněna červeně. Tento ...

Struktura 11 zdálo se, že naznačuje slabou podobnost s Almorexantem (Obrázek 6) tím, že sloučenina obsahovala piperonylový kruh připojený k glycinové jednotce, zatímco v Almorexantu jsou přítomny téměř stejné jednotky, ale s dimethoxybenylovým kruhem v místě piperonylu. Použití tohoto modelu jako průvodce, několik derivátů 11 byly syntetizovány, ve kterých byly uhlovodíkové jednotky přidány k aminovému dusíku redukční aminací. Benzylový derivát, 12, ve kterém byl mezi aromatický kruh a dusík vložen další methylen, se ukázal jako mnohem lepší antagonista, i když stále jen se skromnou účinností (Obr. 6), což naznačuje, že model může být správný. Soutěžní studie k určení, zda je derivát peptoidu 12 a Almorexant si navzájem konkurují o vazbu na receptor.

Během dalšího úsilí o optimalizaci, složené 9 byl syntetizován, který se lišil od 12 pouze v tom, že piperonylový kruh byl otevřen až dvěma metoxy jednotkám a jedinému methylenovému linkeru mezi glycinovým dusíkem a aromatickým kruhem, který byl přítomen ve sloučenině 10 byl obnoven. Pozoruhodně, 9 Neantagonizoval OxR1 v testu buněčné kultury, ale zdálo se, že mírně zvyšuje expresi reportérového genu závislého na orexinu. Testy se proto opakovaly při nižších koncentracích orexinu (EC20 hormonu) a výsledky jasně prokázaly, že 9 je pozitivní potenciátor orexinem zprostředkované aktivace receptoru. Při této koncentraci hormonů 9 vystavil EC50 asi 120 nM. Když byl test prováděn na saturační úrovni potenciátoru 9 a hladina orexinu byla titrována, bylo zjištěno, že EC50 Orexin byl přibližně čtyřikrát snížen a maximální hladina exprese reportérového genu byla asi trojnásobně vyšší než hladina způsobená saturačními hladinami orexinu. Podobné výsledky byly získány v experimentech s použitím buněk exprimujících OxR2, což ukazuje 9 je potenciátor duálního receptoru.

Objev prvního potenciátoru orexinových receptorů je potenciálně vzrušující s ohledem na možné aplikace jako léčba proti obezitě / cukrovka 8, i když k dnešnímu dni ne in vivo Byly popsány experimenty s použitím této sloučeniny. Jak je uvedeno výše, Yanagisawa ukázal, že agonista receptoru orexinu na bázi peptidu blokuje obezitu vyvolanou stravou a vývoj diabetu typu II u hlodavců. 8. Protože tato zvířata a pravděpodobně přes vyživované lidi stále exprimují normální hladiny orexinového hormonu, může být pozitivní potenciátor užitečný při stimulaci příznivého přirozeného působení hormonu u těchto jedinců. Je pravděpodobné, že potenciátor nebude mít zájem o léčbu narkolepsie, protože postižení jedinci produkují malý nebo žádný orexin.

Shrnutí

Nyní je zřejmé, že neuropeptid orexin a jeho příbuzné receptory hrají ústřední roli při regulaci krmení, spánku, energetického výdeje, hledání odměn a řady dalších chování. O intracelulárních událostech započatých signalizací orexinu je známo jen málo. Ve farmakologické manipulaci s signalizací orexinu je zjevně lékařsky velmi příslib a řada farmaceutických společností a akademických laboratoří má v této oblasti aktivní programy. Ačkoli žádné takové sloučeniny dosud nejsou na klinice, silný duální antagonista receptoru orexinu Almorexant dokončil to, co bylo zřejmě úspěšnou klinickou studií fáze III pro léčbu nespavosti. Dosud nebyl hlášen žádný agonista orexinového receptoru. Zdá se pravděpodobné, že v této oblasti bude v příštích několika letech velká aktivita.

Poděkování

Práce naší laboratoře popsaná v tomto přehledu byla podpořena grantem od NIH (P01-DK58398) a smlouvou od Národního institutu pro plicní a krevní srdce (N01-HV-28185).

Reference

1. Sakurai T, Amemiya A, Ishii M, Matsuzaki I, Chemelli RM, Tanaka H, ​​Williams SC, Richardson JA, Kozlowski GP, Wilson S, Arch JR, Buckingham RE, Haynes AC, Carr SA, Annan RS, McNulty DE, Liu WS , Terrett JA, Elshourbagy N, Bergsma ADJ, Yanagisawa M. Cell. 1998; 92 (7): 3 – 85.
2. de Lecea L, Kilduff TS, Peyron C, Gao X, Foye PE, Danielson PE, Fukuhara C, Battenberg EL, Gautvik VT, Bartlett FS, 2nd, Frankel WN, van den Pol AN, Bloom FE, Gautvik KM, Sutcliffe JG. Proc Natl Acad Sci USA A. 1998; 95: 322 – 327. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
3. Sakurai T, Moriguchi T, Furuya K, Kajiwara N, Nakamura T, Yanagisawa M, Goto K. Žurnál biologické chemie. 1999; 274: 17771 – 17776. [PubMed]
4. Nambu T, Sakurai T, Mizukami K, Hosoya Y, Yanagisawa M, Goto K. Brain Res. 1999; 827: 243 – 260. [PubMed]
5. Muroya S, Funahashi H, Yamanaka A, Kohno D, Uramura K, Nambu T, Shibahara M, Kuramochi M, Takigawa M, Yanagisawa M, Sakurai T, Shioda S, Yada T. Eur J Neurosci. 2004; 19: 1524 – 1534. [PubMed]
6. Willie JT, Chemelli RM, Sinton CM, Yanagisawa M. Ann Rev Neurosci. 2001; 24: 429 – 458. [PubMed]
7. Tsuneki H, Murata S, Anzawa Y, Soeda Y, Tokai E, Wada T, Kimura I, Yanagisawa M, Sakurai T, Sasaoka T. Diabetologia. 2008; 51: 657 – 667. [PubMed]
8. Funato H, Tsai AL, Willie JT, Kisanuki Y, Williams SC, Sakurai T, Yanagisawa M. Metabolismus buněk. 2009; 9: 64 – 76. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
9. Chemeilli R, Willie JT, Sinton CM, Elmquist JK, Scammell T, Lee C, Richardson JA, Clay Williams S, Xiong Y, Kisanuki Y, Fitch TE, Nakazato M, Hammer RE, Saper CB, Yanagisawa M. Cell. 1999; 98: 437 – 451. [PubMed]
10. Lin L, Faraco J, Li R, Kadotani H, Rogers W, Lin X, Qiu X, de Jong PJ, Nishino S, Mignot E. Cell. 1999; 98: 365 – 376. [PubMed]
11. Johnson PL, Truitt W, Fitz SD, Minick PE, Dietrich A, Sanghani S, Traskman-Bendz L, Goddard AW, Brundin L, Shekhar A. Nature Medicine. 2009; 16: 111 – 115. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
12. Hollander JA, Lu Q, Cameron MD, Kamenecka TM, Kenny PJ. Proc Natl Acad Sci USA A. 2008; 105: 19480 – 19485. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
13. Kang JE, Lim MM, Bateman RJ, Lee JJ, Smyth LP, Cirrito JR, Fujiki N, Nishino S, Holtzman DM. Věda. 2009
14. Moriguchi T, Sakurai T, Nambu T, Yanagisawa M, Goto K. Neuroscience dopisy. 1999; 264: 101 – 104. [PubMed]
15. Yamanaka AB, Willie CT, Hara JT, Tsujino J, Mieda N, Tominaga M, Yagami M, Sugiyama K, Goto F, Yanagisawa K, Sakurai MT. Neuron. 2003; 38: 701 – 713. [PubMed]
16. Hallmayer J, Faraco J, Lin L, Hesselson S, Winkelmann J, Kawashima M, Mayer G, Plazzi G, Nevsimalova S, Bourgin P, Hong SS, Honda Y, Honda M, Hogl B, Longstreth WT, Jr, Montplaisir J, Kemlink D, Einen M, Chen J, Musone SL, Akana M, Miyagawa T, Duan J, Desautels A, Erhardt C, Hesla PE, Poli F, Frauscher B, Jeong JH, Lee SP, Ton TG, Kvale M, Kolesar L , Dobrovolna M, Nepom GT, Salomon D, Wichmann HE, Rouleau GA, Gieger C, Levinson DF, Gejman PV, Meitinger T, Young T, Peppard P, Tokunaga K, Kwok PY, Risch N, Mignot E. Nature genetics. 2009 [PMC bezplatný článek] [PubMed]
17. Nishino S, Okura M, Mignot E. Sleep Med Rev. 2000; 4: 57 – 99. [PubMed]
18. Mieda M, Willie JT, Hara J, Sinton CM, Sakurai T, Yanagisawa M. Proc Natl Acad Sci USA A. 2004; 101: 4649 – 4654. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
19. Brisbare-Roch C, Dingemanse J, Koberstein R, Hoever P, Aissaoui H, Flores S, Mueller C, Nayler O, van Gerven J, de Haas SL, Hess P, Qiu C, Buchmann S, Scherz M, Weller T, Fischli W, Clozel M, Jenck F. Přírodní medicína. 2007; 13: 150 – 155. [PubMed]
20. Gray MA, Critchley HD. Neuron. 2007; 54: 183 – 186. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
21. Naqvi NH, Rudrauf D, Damasio H, Bechara A. Science. 2007; 315: 531 – 534. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
22. Wang Z, Faith M, Patterson F, Tang K, Kerrin K, Wileyto EP, Detre JA, Lerman C. J Neurosci. 2007; 27: 14035 – 14040. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
23. Harris GC, Wimmer M, Aston-Jones G. Nature. 2005; 437: 556 – 559. [PubMed]
24. Kenny PJ. Trendy ve farmakologických vědách. 2007; 28: 135 – 141. [PubMed]
25. Georgescu D, Zachariou V, Barrot M, Mieda M, Willie JT, Eisch AJ, Yanagisawa M, Nestler EJ, DiLeone RJ. J Neurosci. 2003; 23: 3106 – 3111. [PubMed]
26. Nishino S. Sleep Med. 2007; 8: 373 – 399. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
27. Hara J, Beuckmann CT, Nambu T, Willie JT, Chemelli RM, Sinton CM, Sugiyama F, Yagami K, Goto K, Yanagisawa M, Sakurai T. Neuron. 2001; 30: 345 – 354. [PubMed]
28. Yu X, Park BH, Wang MY, Wang ZV, Unger RH. Proc Natl Acad Sci USA A. 2008; 105: 14070 – 14075. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
29. Orální EA, Ruiz E, Andewelt A, Sebring N, Wagner AJ, Depaoli AM, Gorden P. J Clin Endocrinol Metab. 2002; 87: 3110 – 3117. [PubMed]
30. Heinonen MV, Purhonen AK, Makela KA, Herzig KH. Acta Physiol (Oxf) 2008; 192: 471 – 485. [PubMed]
31. Silveyra P, Catalano PN, Lux-Lantos V, Libertun C. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2007; 292: E820 – 828. [PubMed]
32. Silveyra P, Lux-Lantos V, Libertun C. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2007; 293: E977 – 985. [PubMed]
33. Johren O, Neidert SJ, Kummer M, Dendorfer A, Dominiak P. Endocrinology. 2001; 142: 3324 – 3331. [PubMed]
34. Adeghate E, Fernandez-Cabezudo M, Hameed R, El-Hasasna H, El Wasila M, Abbas T, Al-Ramadi B. PLoS One. 2010; 5: e8587. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
35. Ekholm ME, Johansson L, Kukkonen JP. Biochemické a biofyzikální výzkumné komunikace. 2007; 353: 475 – 480. [PubMed]
36. Sikder D, Kodadek T. Genes & Dev. 2007; 21: 2995–3005. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
37. Kaelin WGJ. Biochem Biophys Res Comm. 2005; 338: 627 – 638. [PubMed]
38. Vander Heiden MG, Cantley LC, Thompson CB. Věda. 2009; 324: 1029 – 1033. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
39. Rouet-Benzineb P, Rouyer-Fessard C, Jarry A, Avondo V, Pouzet C, Yanagisawa M, Laboisse C, Laburthe M, Voisin T. Žurnál biologické chemie. 2004; 279: 45875 – 45886. [PubMed]
40. Spinazzi R, Rucinski M, Neri G, Malendowicz LK, Nussdorfer GG. J Clin Endocrinol Metab. 2005; 90: 3544 – 3549. [PubMed]
41. Roecker AJ, Coleman PJ. Curr Top Med Chem. 2008; 8: 977 – 987. [PubMed]
42. Koberstein R, Aissaoui H, Bur D, Clozel M, Fischli W, Jenck F, Mueller C, Nayler O, Sifferlen T, Treiber A, Weller T. Chimia. 2003; 57: 270 – 275.
43. Aissaoui H, Koberstein R, Zumbrunn C, Gatfield J, Brisbare-Roch C, Jenck F, Treiber A, Boss C. Bioorganic & medical chemistry letters. 2008; 18: 5729–5733. [PubMed]
44. Porter RA, Chan WN, Coulton S, Johns A, Hadley MS, Widdowson K, Jerman JC, Brough SJ, Coldwell M, Smart D, Jewitt F, Jeffrey P, Austin N. Bioorganic & medical chemistry letters. 2001; 11: 1907–1910. [PubMed]
45. Smart D, Sabido-David C, Brough SJ, Jewitt F, Johns A, Porter RA, Jerman JC. Br J Pharmacol. 2001; 132: 1179 – 1182. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
46. Rodgers RJ, Halford JC, Nunes de Souza RL, Canto de Souza AL, Piper DC, Arch JR, Upton N, Porter RA, Johns A, Blundell JE. Eur J Neurosci. 2001; 13: 1444 – 1452. [PubMed]
47. Langmead CJ, Jerman JC, Brough SJ, Scott C, Porter RA, Herdon HJ. Br J Pharmacol. 2004; 141: 340 – 346. [PMC bezplatný článek] [PubMed]
48. Bergman JM, Roecker AJ, Mercer SP, Bednar RA, Reiss DR, Ransom RW, Meacham Harrell C, Pettibone DJ, Lemaire W, Murphy KL, Li C, Prueksaritanont T, Winrow CJ, Renger JJ, Koblan KS, Hartman GD Coleman PJ. Dopisy z bioorganické a léčivé chemie. 2008; 18: 1425–1430. [PubMed]
49. Lee J, Kodadek T. Chem Sci. 2010; 1 doi: 10.1039 / C0SC00197J. V tisku. [PMC bezplatný článek] [PubMed] [Cross Ref]
50. Udugamasooriya DG, Dineen SP, Brekken RA, Kodadek T. J Amer Chem Soc. 2008; 130: 5744 – 5752. [PubMed]
51. Lim HS, Archer CT, Kim YC, Hutchens T, Kodadek T. Chem Comm. 2008: 1064 – 1066. [PubMed]