Chimia și biologia semnalelor de tip Orexin (2010)

Du-te la:

Abstract

Orexinele (numite și hipocretine) sunt neuropeptide care au fost descoperite pentru prima oară în 1998 de două grupuri de cercetare independente^{1, 2}. Orexinele A (aminoacizii 33) și B (aminoacizii 28) sunt derivați dintr-o singură polipeptidă pre-pro-orexină³. Ei își mediază acțiunile prin interacțiuni cu două GPCR-uri strâns legate, numite Orexin Receptor 1 și 2 (OxR1 și OxR2). OxR1 leagă Orexin A cu o afinitate de aproximativ 100 ori mai mare decât Orexin B, în timp ce OxR2 leagă ambele peptide cu aproximativ aceeași afinitate. Orexinele sunt produse de neuroni specializați în hipotalamus, care se proiectează în multe regiuni ale creierului^{4, 5}.

Așa cum va fi revizuit pe scurt în cele ce urmează, studiile fiziologice din ultimii zece ani au implicat semnalarea orexinului jucând un rol central într-o varietate de procese biologice importante, cum ar fi hrănirea, homeostazia energetică, ciclurile de somn / trezire, dependența și căutarea de recompense, printre altele⁶. Există dovezi clare pentru defectele semnalării orexinului fiind implicate în obezitatea indusă de dietă și în diabetul zaharat^{7, 8}, narcolepsie^{9, 10}, tulburare de anxietate de panică¹¹, dependența de droguri¹² și boala Alzheimer¹³. Astfel, există un interes considerabil pentru industria de droguri în dezvoltarea de compuși potenți pentru manipularea semnalizării orexinei. Progresele recente în înțelegerea și manipularea semnalizării orexinului sunt examinate aici.

Orexin de semnalizare în coordonarea somn și hrănire

Rolul cel mai bine cunoscut al semnalizării orexinului este coordonarea hrănirii și a somnului. Nivelul producției de orexină în hipotalamus este invers proporțional cu nivelul glucozei din sânge ¹⁴. Orexinul semnalează, cel puțin pe termen scurt, o senzație de foame și stimulează comportamentul alimentar, probabil prin activarea neuronilor din creier care produc neuropeptidă Y și hormoni legați funcțional. În plus, semnalizarea orexinului este o componentă cheie a inducerii stării de veghe la mamifere^{9, 15}. Cu alte cuvinte, semnalizarea de orexin mandatează că, atunci când animalele sunt înfometate, ele sunt, de asemenea, trezite, dar când sunt săturate, pot fi somnoroși. Acest lucru are un sens fiziologic bun prin faptul că animalele vor dori să fie hrănite pentru hrană, nu pentru a dormi, când sunt înfometate.

Ablația genetică a genei orexin sau a receptorului la rozătoare are ca rezultat un fenotip remarcabil similar cu narcolepsia umană cu cataplexie, în care animalul suferă o intruziune inadecvată a somnului în timpul normal de trezire, incluzând prăbușirea în momente ciudate⁹. Același lucru este valabil și pentru câinii cu mutație inactivatoare în gena care exprimă OxR2¹⁰. Cele mai multe, deși nu toate, narcolepticele umane, deși nu poartă mutații în genele care codifică orexinul și receptorii acestuia, totuși nu au o orexină detectabilă. Se crede că acest lucru se datorează unui atac autoimun pe neuronii producătoare de orexină din creier^{16, 17}. Cu toate acestea, acest model autoimun pentru narcolepsia umană rămâne să fie dovedit și nu se știe nimic despre natura reacției autoimune putative.

Biologia cunoscută a semnalizării orexinului prezice astfel că agoniștii OxR2 care penetrează creierul ar trebui să stimuleze starea de veghe și ar putea fi folositori pentru tratamentul narcolepsiei. Yanagisawa și colegii au publicat dovezi ale experimentelor de concept care susțin această idee¹⁸. Ei au arătat că injecția directă intracraniană a peptidei de orexină în creierul rozătoarelor cu deficiență de orexină a dus la o stare de veghe sporită. În schimb, antagoniștii receptorilor de orexină ar putea fi utilizați pentru a trata insomnia¹⁹, deși posibila inducere a cataplexiei, observată la animale și la oameni cu deficiență cronică de orexină, este o preocupare (vezi infra).

Semnalarea semnalelor Orexin în dependență și alte comportamente patologice

Insula este o regiune a creierului cunoscută a fi implicată în dezvoltarea aspirațiilor și poftelor și, în general, este implicată în comportamentul de recompensă²⁰. Deteriorarea acestei regiuni a creierului duce la o scădere izbitoare a motivației fumătorilor de a-și continua obiceiul²¹. În schimb, abstinența în fumătorii de țigări este cunoscută pentru a activa insula²². Aceeași regiune a creierului pare să fie implicată în comportamentul de căutare a recompenselor în plus față de morfină, cocaină și alcool. Neuronii producând orexină densă inervază această regiune a creierului, iar semnalarea orexinului joacă un rol-cheie în aceste comportamente^23-25. De exemplu, administrarea antagonistului selectiv OxR1 SB-334867 (a se vedea Figura 5) a redus în mod semnificativ unitatea rozătoarelor de a se autoinjecta cu nicotină¹². Rezultate similare s-au obținut pentru alți compuși dependenți. Interesant, în studiul privind nicotina, blocarea farmacologică a OxR1 nu a suprimat în mod substanțial consumul de alimente, care, împreună cu starea de veghe, se pare că este mediată predominant de OxR2. Astfel, datele preclinice la rozătoare sugerează că antagoniștii selectivi ai OxR1 ar putea fi medicamente anti-dependente interesante.

 

Figura 5

Structuri ale antagoniștilor receptorilor de orexină dezvoltați de Glaxo Smith Kline (GSK) și Merck.

Orexinul de semnalizare a fost, de asemenea, recent dovedit a fi implicat în atacurile de panică și anxietate¹¹. Folosind un model de șobolan în care atacurile de panică sunt induse de tratamentul cronic al animalului cu un inhibitor de sinteză GABA urmat de tratamentul acut cu lactat de sodiu, sa demonstrat că blocarea mediată de SB-334867 a tăcerii mediate de OxR1 sau siRNA a producerii de orexină suprimă atacurile de panică în acest model. Mai mult, subiecții umani supuși atacurilor de panică au nivele ridicate de orexină în lichidul cefalorahidian (CSF) ¹¹, în concordanță cu rolul de semnalizare a orexinei în tulburările de anxietate umană.

Foarte recent, a apărut un raport care leagă ciclul de somn / trezire cu boala Alzheimer¹³. În mod specific, sa arătat că acumularea de beta amiloid, semn distinctiv al bolii, este corelată cu starea de veghe. De exemplu, deprivarea cronică de somn a crescut nivelele beta ale amiloidului în CSF-ul animalului. Interesant, administrarea antagonistului receptorului de orexină SB-334867 a scăzut nivelurile acestui intermediar neurotoxic. Astfel, este posibil ca un regim adecvat de tratament cu antagoniști ai OxR să fie un tratament viabil pentru încetinirea dezvoltării bolii Alzheimer, dacă aceasta ar fi fost diagnosticată destul de devreme.

Orexin de semnalizare în homeostazia energetică, dieta indusă de obezitate și diabet

Există dovezi circumstanțiale că semnalarea orexinului este importantă în homeostazia energetică. De exemplu, persoanele narcoleptice cu deficit de orexin prezintă un indice de masă corporală mai mare decât persoanele narcoleptice cu niveluri normale de orexină²⁶. Ablația genetică a neuronilor de orexină la șoareci are ca rezultat animale obeze²⁷ și acești șoareci dezvoltă, de asemenea, rezistență la insulină legată de vârstă⁷. Aceste rezultate par a fi contraintuitive prin faptul că inducerea farmacologică a semnalizării orexinelor promovează acut comportamentul alimentar¹. Acest lucru sugerează că efectele pe termen scurt și pe termen lung ale semnalării orexinului asupra homeostaziei energetice sunt diferite.

Recent, acest domeniu al biologiei orexinului a fost clarificat printr-un studiu de referință care a demonstrat concludent că semnalarea orexinului se opune cu fermitate obezității induse de dietă și dezvoltării ulterioare a rezistenței la insulină la rozătoare⁸. Sa demonstrat că expresia cronică a genei orexinei sau inducerea farmacologică a receptorului de orexină a blocat aproape complet dezvoltarea obezității și a rezistenței la insulină la șoarecii alimentați cu o dietă bogată în grăsimi. Acest lucru sa dovedit a fi datorat în mare parte creșterii cheltuielilor cu energia, deși nu a existat nicio modificare a coeficientului respirator, un indicator indirect al utilizării carbohidraților față de lipide. Stimularea cronică a semnalizării orexinului a redus și consumul de alimente. O varietate de experimente genetice și farmacologice au indicat că majoritatea acestui efect a fost mediată prin semnalizarea prin OxR2, nu OxR1. În cele din urmă, o constatare izbitoare a acestui studiu este că stimularea cronică a semnalizării orexinului nu a avut niciun efect asupra șoarecilor care nu au leptină. Aceste animale, când au fost hrănite cu o dietă bogată în grăsimi, au devenit încă obeze și rezistente la insulină chiar și atunci când sunt tratați cu agonistul receptorului de orexină. Astfel, efectul protector al orexinei pare să fie înrădăcinat în îmbunătățirea sensibilității la leptină. Acest studiu are implicații terapeutice evidente în tratamentul obezității induse de dietă și a diabetului zaharat.

În timp ce acest studiu a implicat cea mai mare parte semnalizarea prin OxR2 ca fiind importantă pentru fenotipul rezistent la obezitate, au fost observate unele efecte mediate de OxR1⁸. Autorii au descoperit ca ablatia genetica a OxR1 in monoterapie este protejata impotriva hiperglicemiei induse de dieta bogata in grasimi, desi nu este obezata. Acest lucru indică faptul că semnalarea orexinului prin OxR1 prin nivele fiziologice normale de orexină joacă un rol permisiv în dezvoltarea rezistenței la insulină indusă de vârstă sau de grăsimi mari. Cu toate acestea, în scenariul non-fiziologic al orexinei susținute față de exprimarea printr-o transgenă, protecția mediată de OxR1 și OxR2 împotriva dezvoltării rezistenței la insulină în dieta bogată în grăsimi. Acest set complex de rezultate în ceea ce privește OxR1 sugerează că fie receptorul joacă roluri diferite în condiții de expresie normală și superficisologică a orexinei, fie că receptorul mediază un efect fiziologic diferit care poate spori sau opune dezvoltarea hiperinsulinemiei și că "câștigătorul" aceste efecte concurente diferă în funcție de nivelul orexinei sau de momentul și durata semnalizării sale.

Cuplajul efectului de orexină asupra semnalizării leptinei este interesant în ceea ce privește un alt studiu publicat recent în care sa constatat că nivelele superficiale de leptină permit rozătoarelor diabetice complet lipsite de insulină să prospere ²⁸. Anterior, leptina a fost cunoscută pentru scăderea nivelului de glucoză din sânge prin potențarea nivelurilor reziduale de insulină endogenă la șobolanii diabetici indusă de streptozotocină (STZ) cu ​​deficiență parțială de insulină ²⁹. Cu toate acestea, ideea că numai leptina ar putea salva animalele cu deficit de insulină din simptomele diabetice nu a fost niciodată testată și această constatare a venit ca o surpriză majoră. Fenotipurile similare induse de tratamentul cronic al animalelor cu niveluri superficiale de orexină și leptină, împreună cu constatarea că orexinul pare să funcționeze prin îmbunătățirea sensibilității la leptină, conduce la întrebarea dacă aceste două studii erau părți diferite ale aceleiași monede și că stimularea căile de semnalizare pentru orexină / leptină pot fi într-adevăr un tratament foarte promițător pentru diabetul de tip I sau de tip II.

Semnalul orexin are efecte în periferie?

Majoritatea efectelor semnalizării orexinului descrise mai sus se presupune că apar în hipotalamus. Rolele de semnalizare a orexinului, dacă există, în afara sistemului nervos sunt controversate. Expresia orexinelor și a receptorilor lor au fost detectate în diferite țesuturi periferice, incluzând intestinul, pancreasul, rinichii, suprarenalele, țesutul adipos și tractul reproductiv ^30-33, dar dovada funcțională a rolului de semnalizare a orexinei în periferie este rară.

Un studiu recent a arătat că incidența celulelor care exprimă OxR1 în insulele pancreatice a crescut cu hiperglicemia indusă de streptozotocină (STZ) la șobolani și a fost co-localizată cu glucagon³⁴. Mai mult decât atât, caspaza-3 scindată a fost co-localizată imunochemic cu OxR1 în insule. Animalele lipsite de orexină, pe de altă parte, au prezentat hiperglicemie redusă și o toleranță mai mare la glucoză decât animalele de tip sălbatic. Aceste rezultate sugerează că semnalarea orexinului prin OxR1 în pancreas poate contribui la apoptoza celulelor beta și la dezvoltarea diabetului ca răspuns la tratamentul cu STZ. În timp ce legătura este insuficientă, este posibil ca acest efect să explice observațiile lui Funato, et al., Menționate mai sus, că ablația genetică a OxR1 este protectivă împotriva hiperglicemiei și hiperinsulinemiei induse de dieta bogată în grăsimi⁸.

Cascada de semnalizare a orexinei

În timp ce semnalarea orexinului a fost studiată intensiv la nivel fiziologic, a fost mult mai puțin efort dedicat caracterizării evenimentelor intracelulare declanșate prin legarea hormonilor de orexină de receptorii lor. Se știe că legarea hormonului de receptorul său declanșează un aflux de calciu, care este cuplat cu activarea Erk ³⁵. Receptorii cuplează de asemenea la o cale mediată de fosfolipază C (PLC) care eliberează magazine intracelulare de calciu.

Cea mai amănunțită analiză a programelor de transcriere genetică declanșată de semnalizarea orexinului a fost raportată în 2007 ³⁶. Acest studiu a utilizat profilaxia globală a expresiei genelor pentru a identifica genele puternic sus sau jos reglementate în celulele HEK293 care exprimă stabil OxR1. Genele 260 s-au dovedit a fi sus-reglementate și 64 reglate în jos de două ori sau mai mult la eșantionare la ambele două și patru ore după stimularea cu orexină. Adnotările genetice au arătat că aproximativ jumătate dintre genele foarte reglate au fost implicate în creșterea celulelor (30%) sau metabolism (27%). O analiză a căii utilizând programul de invenție comercială a implicat mai multe căi ca fiind reglementate prin semnalizarea orexinei (Figura 1). Au fost cele mai proeminente canalele TGF-p / Smad / BMP, FGF, NF-kB și căile de semnalizare hipoxice. Acest studiu sa concentrat în detaliu pe calea hipoxică, care a fost o "lovitură" ciudată în acest studiu, deoarece celulele au fost cultivate în condiții normoxice. Cu toate acestea, factorul de transcripție al factorului de transcripție factorul inductor al factorului hipoxia 1-α (HIF-1α), care anterior a fost cunoscut că crește ca răspuns la hipoxie, și multe dintre genele sale țintă au fost puternic induse de tratamentul cu orexină. În cazul celulelor cancerigene hipoxice, unde acțiunea HIF-1α a fost studiată cel mai bine, partenerii cu HIF-1β formează un factor de transcripție heterodimeric (HIF-1) care conduce o reprogramare a metabolismului celular³⁷. În special, acesta reglează în mod masiv importul de glucoză și glicoliza, având situsuri de legare în amonte de aproape toate genele implicate în aceste evenimente. În celulele hipoxice, HIF-1 acționează pentru a elimina produsul glicolizei, piruvatului, la producerea de lactat, mai degrabă decât conversia în acetil-CoA și intrarea în ciclul TCA și fosforilarea oxidativă. Aceasta se face, cel puțin parțial, prin reglarea ascendentă dependentă de HIF-1 a expresiei lactatului dehidrogenazei A (LDH-A), enzima care mediază conversia piruvatului la lactat, precum și kinasurile de piruvatdehidrogenază ( PDHK), care inactivează PDH, enzima care mediază transformarea piruvatului în Acetyl Co-A (vezi Figura 2). Surprinzător, totuși, celulele tratate cu orexină păreau să-și împingă majoritatea fluxului metabolic prin ciclul TCA și fosforilarea oxidativă ³⁶, rezultând o producție puternic amplificată a ATP și, probabil, alți intermediari biosintetici însoțiți de activarea acestor căi. Nu se cunoaște modul în care semnalarea prin orexină și hipoxia pot stimula atât activitatea HIF-1a, dar numai o subgrupă de gene activată de acest factor de transcripție în hipoxie este activată în celulele tratate cu orexină.

 

Figura 1

Rezumatul constatărilor unei analize a expresiei genice a efectului orexinei asupra celulelor care exprimă receptorul de orexină 1. Sus: Diagrama de piele care rezumă funcțiile adnotate ale genelor afectate semnificativ de semnalizarea orexinului. Partea de jos: Căi de semnalizare propuse ...

 

Fig. 2

Sinteza schematică a efectului major al semnalizării orexinului asupra metabolismului glucozei. OxSig = semnalizarea orexinei. Ovalul portocaliu reprezintă un transportor de glucoză. Săgețile indică o stimulare a procesului indicat, iar liniile perpendiculare reprezintă o ...

Studiile paralele ale feliilor hipotalamice obținute de la șoarecii de tip sălbatic sau OxR1 knock-out, în general, au fost în concordanță cu aceste concluzii și au fost validate că efectele observate au fost rezultatul semnalizării orexin ³⁶. În unele privințe, acest rezultat este atrăgător prin faptul că explică o încurcătură în înțelegerea noastră a biologiei orexinului la nivel fiziologic. Dacă echivalăm o stare de veghe cu o activitate metabolică neuronală mare, ceea ce pare rezonabil, este ciudat că acest lucru ar avea loc atunci când creierul este scăldat la niveluri scăzute de glucoză. Prin urmare, are sens că anxietatea necesită o depășire a acestei situații printr-un mecanism care crește eficiența absorbției și procesării glucozei. O reglare a metabolismului celular mediată de orexină pare, de asemenea, să fie în concordanță cu observația privind creșterea consumului de energie și rezistența la obezitate indusă de dieta bogată în grăsimi ⁸. Cu toate acestea, este important să ne amintim că acest studiu sa concentrat asupra celulelor care exprimă OxR1 și a feliilor neuronale obținute de la șoareci de tip sălbatic sau OxR1 knock-out. Starea de veghe și rezistența la obezitatea indusă de dietă, așa cum s-a menționat mai sus, se consideră acum mai mult ca efect al semnalizării mediate de OxR2. Este posibil ca căile observate să fie mai relevante pentru a recompensa comportamentul și alte procese care par a fi dominate de semnalizarea mediată de OxR1. Vor fi necesare mult mai multe lucrări în diferite tipuri de celule și țesuturi pentru a rezolva aceste probleme. Dar ideea că semnalizarea orexinei este un regulator major al metabolismului energetic este un model interesant care va ghida studiile viitoare.

Este orexinul important pentru cancer?

Constatarea că semnalizarea orexinei este capabilă de încărcarea turbo a consumului de glucoză sugerează o posibilă legătură cu proliferarea celulelor în divizarea celulelor și, astfel, la cancer. Cu toate acestea, rezultatele publicate discutate mai sus indică faptul că orexinul poate stimula metabolismul energiei oxidative ³⁶, în timp ce multe celule canceroase utilizează glicoliză anaerobă pentru cea mai mare parte a metabolismului lor ³⁸. O posibilitate este ca celulele canceroase care utilizează metabolismul oxidativ să poată folosi semnalizarea orexinei într-o manieră autocrină sau paracrină pentru a stimula metabolismul și proliferarea lor și, dacă este așa, antagoniștii receptorilor de orexină ar fi opțiuni terapeutice interesante. Pe de altă parte, dacă semnalarea orexin forțează fluxul metabolic prin TCA și căile de fosforilare oxidativă în detrimentul glicolizei anaerobe, atunci activarea acestei căi ar putea fi toxică pentru celulele tumorale "dependente" de un stil de viață glicolitic.

Există unele indicații privind rolul de semnalizare a orexinei în celulele canceroase și, după cum se poate anticipa din analiza de mai sus, efectul semnalizării orexin pare a fi diferit în diferite tipuri de celule canceroase. De exemplu, orexinele suprimă creșterea celulară prin inducerea apoptozei în cancerul de colon uman, celulele neuroblastomului și celulele tumorale pancreatice de șobolan ³⁹. Pe de altă parte, expresia OxR1 și OxR2 este mai mare în adenoame decât cortexul adrenal normal. Orexina A și B pot stimula proliferarea celulelor în aceste celule și efectele au fost mai pronunțate în culturile adenomatoase decât cele ale celulelor adrenocorticală normală ⁴⁰. In timp ce aceste rapoarte sunt interesante, intelegerea noastra cu privire la importanta de semnalizare orexin in cancer, daca este cazul, este in faza incipienta si de mult mai mult de lucru vor fi necesare pentru a determina daca receptorii de orexina sau effectors din calea de semnalizare reprezinta obiective viabile pentru chimioterapie cancer .

Controlul farmacologic al semnalizării orexinelor

Biologia revizuită mai sus sugerează că agoniștii, antagoniștii și potențiatorii de semnalizare a orexinei ar putea prezenta un interes semnificativ clinic. De exemplu, tratamentul narcolepsiei și cataplexiei cauzat de o lipsă de producție de orexină ar trebui să fie tratabil utilizând un agonist al receptorului de orexină. Pe de altă parte, comportamentul de dependență trebuie tratat folosind un antagonist al receptorului de orexină. Dietă indusă de obezitate și diabet poate fi combătută fie cu un agonist al receptorilor de orexină, fie cu un potențiator alosteric pozitiv. Mai multe companii farmaceutice majore au întreprins dezvoltarea de molecule care țintesc receptorii de orexină ⁴¹.

Antagoniști ai receptorilor de orexină

Deoarece semnalarea orexinului în creier promovează starea de veghe, este întemeiat faptul că blocarea farmacologică a acestei căi ar trebui să ducă la somnolență și astfel antagoniștii receptorilor de orexină ar putea fi medicamente utile pentru tratarea insomniei. Cu toate acestea, o preocupare majoră ar fi inducerea cataplexiei. Într-adevăr, întrebarea centrală în dezvoltarea antagoniștilor receptorului de orexină utilă terapeutic este dacă inhibarea farmacologică tranzitorie a receptorului de orexină va fenocopia fenotipul narcoleptic și cataplectic al deficienței cronice de orexină.

Datele preclinice și clinice disponibile până acum susțin că răspunsul este "nu". Majoritatea datelor provin din studiile efectuate de Almorexant (Figura 3; cunoscută și sub numele de ACT-078573), care este dezvoltată de Actelion Pharmaceuticals pentru tratamentul insomniei. Almorexant este o tatrahidroizochinolină disponibilă pe cale orală care antagonizează puternic OxR1 și OxR2. Actelion a publicat un studiu preliminar la începutul studiului 2007 care a raportat tratamentul cu succes al subiecților de șobolan, câine și uman cu Almorexant sau cu un agonist clasic de receptor GABA, zolpidem ¹⁹. Almorexant sa dovedit a fi sigur și bine tolerat în acest studiu. A indus semnele fiziologice subiective și obiective ale somnului. În experimentele cu șobolani, sa demonstrat că Almorexant a indus atât somnul non-REM cât și REM. Acest lucru este semnificativ în faptul că zolpidemul nu induce somnul REM. Foarte important, nu s-au observat semne de cataplexie la nici unul dintre animalele experimentale sau la pacienții umani.

 

Figura 3

Rezumatul dezvoltării medicamentului Almorexant, un candidat clinic pentru tratamentul insomniei și a compușilor înrudite cu selectivitate diferită pentru cei doi receptori ai orexinei.

La sfarsitul studiului 2009, Actelion a anuntat finalizarea unui studiu extins de faza III privind un tratament de doua saptamani pentru subiectii adulti si varstnici cu insomnie cronica primara. Compania susține că obiectivul primar al studiului, eficacitatea superioară a Almorexant față de placebo, a fost îndeplinită, precum și câteva obiective secundare (vezi http://www1.actelion.com/en/our-company/news-and-events/index.page?newsId=1365361). Cu toate acestea, o linie criptică în comunicatul de presă a arătat că "... s-au făcut anumite observații privind siguranța, care vor necesita o evaluare și o evaluare ulterioară în studiile de fază III pe termen lung." Este interesant să știm ce înseamnă acest lucru atunci când datele devin disponibile.

Almorexant a fost rezultatul unui program amplu de dezvoltare care a început cu taharidizochinolina 1 (Figura 3) ⁴². Acest compus a apărut ca o lovitură primară dintr-un ecran cu debit mare, utilizând un test de calciu bazat pe FLIPR în celule ovariene de hamster chinez (CHO), care exprimă nivele ridicate de OxR1 uman sau OxR2. Rețineți că este compus 1 este destul de selectiv pentru OxR1. Într-adevăr, acest program medicinal a produs mulți compuși potențiali diferiți, dintre care unii au fost antagoniști ai receptorilor duali, în timp ce unii dintre ei au fost inhibitori sensibil selectivi ai OxR1 sau OxR2 (a se vedea Figura 3). Au fost observate schimbări destul de mari în gradul de selectivitate ca urmare a unor modificări structurale modeste. De exemplu, înlocuirea uneia dintre grupările metoxi în inelul aromatic "din stânga sus" din 1 cu un eter izopropilic, a determinat un antagonist specific OxR1 complet. Un alt contrast interesant este compus 3, care este mai degrabă selectivă pentru OxR2, dar prezintă multe caracteristici structurale cu antagonistul dual Almorexant. Din păcate, nu există date structurale privind receptorul de orexină și, prin urmare, baza moleculară a acestei selectivități nu este cunoscută.

Tetrahidroizochinolinele sunt departe de singurele antagoniști ai receptorilor de orexină raportate. De exemplu, Actelion a raportat compuși diferiți din punct de vedere structural, cum ar fi sulfonamide 4 și 5, care sunt antagoniști puternici dual și antagoniști selectivi de OxR2 (Figura 4) ⁴³. Prin inspecția structurilor care includ un nucleu de glicină puternic modificat, se poate încerca să se concluzioneze că tetrahidroizochinolinele și sulfonamidele pot ocupa site-uri care se suprapun pe receptor, dar din cunoștințele noastre, acest lucru nu a fost testat.

 

Figura 4

Structurile altor antagoniști ai receptorilor de orexină, dezvoltați de Actelion Pharmaceuticals.

GSK a raportat unul dintre primii antagoniști ai receptorului de orexină, SB-334867 ^44-46 (Figura 5), un compus care este relativ selectiv pentru OxR1 și rămâne cel mai frecvent utilizat "compus de scule" în laboratoarele de cercetare care studiază biologia orexinului. Ei au raportat, de asemenea, o rudă relativ îndepărtată a SB-334867, 6, care include o unitate prolină, cu o potență mult mai bună față de ambii receptori, dar păstrând selectivitatea rezonabilă OxR1 ⁴⁷. Sa speculat asta 6 ar putea fi o ruda apropiata a unui compus de structura nedeclarata ca GSK a luat in studiile clinice pentru tratamentul insomniei numit SB-674042 ⁴¹. GSK a anunțat progresia acestui compus la studiile clinice de fază II din cadrul studiului 2007, dar nu au fost furnizate informații clinice suplimentare în ceea ce privește cele mai bune cunoștințe.

O echipă Merck a dezvoltat antagoniști ai receptorilor de orexină care conțin prolină ⁴⁸. Compus 7 (Figura 5) a apărut dintr-un ecran cu capacitate mare și a evidențiat o excelentă putere in vitro împotriva OxR2, precum și o activitate modestă împotriva OxR1, dar a demonstrat in vivo o penetrare slabă a barierului hematoencefalic. Acest lucru a fost găsit a fi rezultatul faptului că acesta este un substrat pentru glicoproteina P. Ei au descoperit că această problemă ar putea fi ameliorată prin metilarea azotului benzimidazol ^{41, 48}. Compus 8, care conține, de asemenea, un inel fenilic mai degrabă decât un fragment de pirol din cvadrantul "superior sus" al moleculei, este un antagonist puternic receptor dual cu o penetrare excelentă a barierului hematoencefalic. 8 sa dovedit a fi activă la șobolani.

Alte companii farmaceutice au raportat câțiva compuși cu activitate in vitro împotriva receptorilor de orexină, dar acestea nu vor fi revizuite aici.

Este tentant să se speculeze că aceiași compuși care au fost dezvoltați ca ajutoare pentru somn ar putea fi, de asemenea, utili pentru tratamentul dependențelor cronice, deși un efect secundar evident al acestui regim de tratament ar fi acela că va face subiecții somn dacă sunt antagoniști receptori duali. Cu toate acestea, descoperirea rolului de semnalizare a orexinei în comportamentul de dependență este relativ recentă și, din câte știu, nu s-au inițiat studii clinice utilizând compușii menționați mai sus pentru această indicație.

Agoniști și potențiatori ai receptorilor de orexină

După cum sa discutat mai sus, Yanagisawa și colegii au furnizat dovada de principiu în modelele pe animale că narcolepsia trebuie tratată cu un agonist al receptorului de orexină ¹⁸. Ei au folosit o peptidă modificată de orexină în aceste studii. În mod ciudat, totuși, nici un agonist non-peptidic nu a fost raportat în literatura de specialitate potrivit celor mai bune cunoștințe. Este dificil să ne imaginăm că ecrane pentru astfel de compuși nu au fost efectuate, având în vedere cantitatea extinsă de lucrări efectuate asupra antagoniștilor receptorilor. Astfel, se pare că agoniștii puternici sunt greu de găsit, deși nu este clar de ce este așa.

Foarte recent, primul potențiator alosteric pozitiv al receptorului de orexină, 9 (Figura 6), a fost identificat. Acest compus a fost descoperit fortuit în cursul unei campanii modeste de chimie medicală care vizează creșterea potenței unui antagonist al receptorilor de orexină pe bază de peptoid ⁴⁹. peptoid 10 a fost identificat într-un ecran în care celulele care exprimă sau nu exprimă OxR1, dar sunt identice, au fost marcate cu coloranți diferiți (respectiv roșii și verzi) și hibridizați la o microarray cu câteva mii de peptoizi imobilizați pe un diapozitiv din sticlă. Compușii care au legat selectiv celulele care exprimă OxR1 au fost identificate printr-un raport ridicat roșu: verde al coloranților fluorescenți capturați pe acel punct (vezi ref. ⁵⁰ pentru dezvoltarea acestei metodologii). Un experiment de scanare cu sarcozină ⁵¹ a arătat că numai două dintre cele nouă catene laterale prezente în moleculă au fost esențiale pentru legarea la celulele care exprimă receptorul (evidențiate cu roșu în Fig. 6). Sinteza și analiza ulterioară a compusului 11 a confirmat că a fost "farmacoforul minim" pentru legarea receptorului. 11 este un antagonist foarte slab al ambelor receptori de orexină cu IC₅₀ de numai aproximativ 300 μM in vitro.

 

Figura 6

Dezvoltarea unui potențiator pozitiv pentru receptorul de orexină. Structura peptoidului care a apărut ca o lovitură primară de la un ecran de legare este arătată în partea de sus. Partea moleculei găsită a fi importantă pentru legarea receptorului este evidențiată în roșu. Acest ...

Structura lui 11 pare să sugereze o similitudine slabă față de Almorexant (Figura 6) prin faptul că compusul conține un inel piperonil atașat la o unitate de glicină, în timp ce aproape aceleași unități, dar cu un inel dimetoxibenil în locul piperonilului, sunt prezente în Almorexant. Folosind acest model ca ghid, mai multe derivate din 11 au fost sintetizați în care unități de hidrocarburi au fost adăugate la azotul aminic prin aminare reductivă. Un derivat benzilic, 12, în care s-a introdus de asemenea o metilenă suplimentară între inelul aromatic și azot, s-a dovedit a fi un antagonist mult îmbunătățit, deși încă are doar o potență modestăFig. 6), sugerând că modelul poate fi corect. Studii de concurență pentru a determina dacă derivatul peptoid 12 și Almorexant concurează unii cu alții pentru legarea la receptor nu au fost raportate.

În timpul eforturilor suplimentare de optimizare, compus 9 a fost sintetizat, care diferă de la 12 numai prin faptul că inelul piperonil a fost deschis până la două unități metoxi și linkerul unic de metilen dintre azotul glicinei și inelul aromatic care a fost prezent în compusul 10 a fost restaurată. Remarcabil, 9 nu a antagonizat OxR1 într-o analiză de cultură celulară, dar părea să crească ușor expresia unei gene reporter dependente de orexină. De aceea, testele au fost repetate la concentrații mai mici de orexină (EC₂₀ din hormon), iar rezultatele au demonstrat clar că 9 este un potențiator pozitiv al activării mediate de orexină a receptorului. La această concentrație de hormoni, 9 a prezentat un CE₅₀ de aproximativ 120 nM. Când testul a fost efectuat la nivele de saturare ale potențiatorului 9 și nivelul de orexină a fost titrat, sa constatat că CE₅₀ a orexinei a scăzut aproximativ de patru ori și că nivelul maxim al exprimării genelor reporter a fost de aproximativ trei ori mai mare decât cel obținut prin nivelurile de saturare a orexinei. Rezultate similare s-au obținut în experimente folosind celule care exprimă OxR2, arătând că 9 este un potențiator receptor dual.

Descoperirea primului potențiator al receptorului de orexină este potențial interesantă în ceea ce privește posibilele aplicații ca tratament anti-obezitate / diabet ⁸, deși până în prezent nu in vivo au fost raportate experimente folosind acest compus. După cum sa menționat mai sus, Yanagisawa a arătat că un agonist al receptorului de orexină pe bază de peptidă blochează obezitatea indusă de dietă și dezvoltarea diabetului de tip II la rozătoare ⁸. Având în vedere că aceste animale și, probabil, persoanele supuse hrănirii încă exprimă niveluri normale ale hormonului de orexin, un potențiator pozitiv poate fi util în stimularea acțiunii naturale favorabile a hormonului la acești indivizi. Desigur, un potențiator este puțin probabil să fie interesat în tratamentul narcolepsiei, deoarece persoanele afectate produc orexină puțin sau deloc.

Rezumat

Acum este clar că orexinul neuropeptidic și receptorii săi cogniți joacă un rol central în reglarea hrănirii, somnului, consumului de energie, căutării de recompense și a unei varietăți de alte comportamente. Se știe puțin despre evenimentele intracelulare declanșate de semnalarea orexinului. Există în mod clar o mare promisiune medicală în manipularea farmacologică a semnalizării de orexină, iar un număr de companii farmaceutice și laboratoare academice au programe active în acest domeniu. Desi nici un astfel de compus nu este inca in clinica, potentialul antagonist al receptorului de orexina Almorexant a finalizat ceea ce a fost aparent un studiu clinic de faza III de succes pentru tratamentul insomniei. Încă nu s-au raportat agoniști ai receptorilor de orexină. Se pare că va exista o mare activitate în acest domeniu în următorii câțiva ani.

recunoasteri

Referinte