Kemi och biologi av orexinsignalering (2010)

Mol Biosyst. Författarens manuskript; tillgänglig i PMC 2012 Jun 20.

Publicerad i slutredigerad form som:

PMCID: PMC3379554

NIHMSID: NIHMS280225

Förlagets slutredigerade version av denna artikel finns tillgänglig på Mol Biosyst

Se andra artiklar i PMC som citerar den publicerade artikeln.

Gå till:

Abstrakt

Orexinerna är neurohormoner som i samverkan med deras kognitiva receptorer reglerar ett antal viktiga fysiologiska processer, inklusive matning, sömn, belöningssökande och energihemostas. Orexinreceptorerna har nyligen uppstått som viktiga läkemedelsmål. Denna översikt ger en översikt över den senaste utvecklingen i dechiffreringen av orexinsignalbiologi samt ansträngningar för att manipulera orexinsignalering farmakologiskt.

Orexinerna (även kallade hypocretiner) är neuropeptider som först upptäcktes i 1998 av två oberoende forskargrupper1, 2. Orexiner A (33-aminosyror) och B (28-aminosyror) härrör från en enda pre-pro-orexinpolypeptid3. De förmedlar sina åtgärder via interaktioner med två nära besläktade GPCRs som heter Orexin Receptor 1 och 2 (OxR1 och OxR2). OxR1 binder Orexin A med ungefär 100-fold högre affinitet än Orexin B, medan OxR2 binder båda peptiderna med ungefär samma affinitet. Orexinerna produceras av specialiserade neuroner i hypotalamusen, som leder till många olika delar av hjärnan4, 5.

Såsom kommer att ses över kortfattat nedan har fysiologiska studier under de senaste tio åren medfört orexin-signalering som en central roll i en rad viktiga biologiska processer, inklusive matning, energihemostas, sömn / vakna cykler, missbruk och belöningssökande, bland annat6. Det finns tydliga bevis för att defekter i orexinsignaler är inblandade i diet-inducerad övervikt och diabetes7, 8narkolepsi9, 10panik ångestsyndrom11, drogmissbruk12 och Alzheimers sjukdom13. Det finns således ett stort intresse för läkemedelsindustrin vid utveckling av potenta föreningar för manipulation av orexinsignalering. Tidigare framsteg när det gäller att förstå och manipulera orexin-signalering ses över här.

Orexin-signalering i samordning av sömn och matning

Den bästa förståelsen för orexinsignaleringen är samordningen av matning och sömn. Nivån av orexinproduktion i hypotalamus är omvänt korrelerad med blodglukosnivåer 14. Orexinsignalering, åtminstone på kort sikt, inducerar en känsla av hunger och stimulerar matningsbeteendet, förmodligen genom att aktivera neuroner i hjärnan som producerar neuropeptid Y och funktionellt besläktade hormoner. Dessutom är orexinsignalerande en nyckelkomponent för att framkalla ett tillstånd av vakenhet hos däggdjur9, 15. Med andra ord innebär orexin-signalering att när djur är hungriga är de också vakna, men när de är mättade kan de vara sömniga. Detta gör en god fysiologisk känsla genom att djur kommer att vilja födas för mat, inte sova, när de är hungriga.

Genetisk ablation av orexingenen eller receptorn hos gnagare resulterar i en fenotyp som anmärkningsvärt liknar mänsklig narkolepsi med kataplexi, där djuret lider olämpligt intrång av sömn i sin normala vaknatid, inklusive kollapserande vid udda stunder9. Detsamma gäller för hundar med en inaktiverande mutation i OxR2-uttrycksgenen10. De flesta, men inte alla, mänskliga narcoleptiker, även om de inte bär mutationer i generna som kodar för orexin och dess receptorer, saknar emellertid detekterbart orexin. Detta antas bero på en autoimmun attack på de orexinproducerande neuronerna i hjärnan16, 17. Denna autoimmuna modell för human narkolepsi återstår emellertid att bevisas och inget är känt om typen av den förmodade autoimmuna reaktionen.

Den kända biologin för orexinsignaler förutsäger sålunda att hjärninträngande OxR2-agonister bör stimulera vakenhet och kan vara användbar för behandling av narkolepsi. Yanagisawa och kollegor har publicerat bevis på konceptförsök som stöder denna idé18. De visade att direkt intrakranial injektion av orexinpeptid i hjärnorna hos orexin-bristande gnagare resulterade i ett ökat tillstånd av vakenhet. Omvänt kan orexinreceptorantagonister användas för att behandla sömnlöshet19, även om den möjliga induktionen av kataplexi, ses hos djur och människor med kronisk orexinbrist, är en oro (se nedan).

Orexin signalerar i beroendeframkallande och andra patologiska beteenden

Insula är en hjärnregion som är känd för att vara involverad i utvecklingen av uppmaningar och begär och är allmänt inblandad i belöningsbeteende20. Skador på denna region i hjärnan resulterar i en slående droppe i rökarnas motivation för att fortsätta sin vana21. Däremot är abstinens hos cigarettrökare kända för att aktivera insula22. Samma region i hjärnan verkar vara involverad i belöningssökande beteende som är involverat i tillägg till morfin, kokain och alkohol. Orexinproducerande neuroner intarenterar denna region i hjärnan och orexinsignaler spelar en nyckelroll i dessa beteenden23-25. Till exempel administrering av den OxR1 selektiva antagonisten SB-334867 (se Figur 5) minskade signifikant körningen av gnagare för att självinjicera sig med nikotin12. Liknande resultat har erhållits för andra beroendeframkallande föreningar. Intressant, i nikotinstudien, hindrade den farmakologiska blockaden av OxR1 inte väsentligt matintag, vilket tillsammans med vakenhet antas vara främst medierad av OxR2. Således föreslår de prekliniska data hos gnagare starkt att OxR1-selektiva antagonister kan vara intressanta anti-beroendeframkallande läkemedel.

Figur 5 

Strukturer av orexinreceptorantagonister utvecklade av Glaxo Smith Kline (GSK) och Merck.

Orexinsignaler har också nyligen visat sig vara involverade i panikattacker och ångest11. Användning av en råttmodell där panikattacker induceras genom behandling av djuret kroniskt med en GABA-syntesinhibitor följt av akut behandling med natriumlactat visades att SB-334867-medierad blockad av OxR1 eller siRNA-medierad tystning av orexinproduktion starkt undertrycker panikattacker i denna modell. Dessutom har människor som utsätts för panikattacker förhöjda nivåer av orexin i sin cerebrospinalvätska (CSF) 11, i överensstämmelse med en roll av orexinsignalering i mänskliga ångestsjukdomar.

Mycket nyligen uppstod en rapport som kopplade sömn / vakna cykeln med Alzheimers sjukdom13. Specifikt visades att ackumuleringen av amyloid beta, ett kännetecken för sjukdomen, är korrelerat med vakenhet. Till exempel ökade kronisk sömnlöshet amyloid beta nivåer i djurets CSF. Intressant är att administreringen av orexinreceptorantagonisten SB-334867 minskade nivåerna av denna neurotoxiska mellanprodukt. Det är således möjligt att en lämplig behandlingsregim med OxR-antagonister kan vara en livskraftig behandling för att sakta ner utvecklingen av Alzheimers sjukdom, om den diagnostiserades tillräckligt tidigt.

Orexin-signalering i energihemostas, diet-inducerad fetma och diabetes

Det finns omständigheter som visar att orexinsignaleringen är viktig vid energihemostas. Exempelvis uppvisar narkoleptiska människor som saknar orexin ett högre kroppsmassindex än narkoleptiska individer med normala nivåer av orexin26. Genetisk ablation av orexin-neuroner hos möss resulterar i fetma djur27 och dessa möss utvecklar också åldersrelaterad insulinresistens7. Dessa resultat verkar vara kontraintuitiva eftersom den farmakologiska induktionen av orexinsignaler akut främjar matningsbeteendet1. Detta tyder på att de korta och långsiktiga effekterna av orexinsignaler på energihemostasis är olika.

Nyligen har detta område av orexinbiologi förtydligats av en landmärkeundersökning som påvisade att orexinsignaler starkt motsätter sig diet-inducerad fetma och den efterföljande utvecklingen av insulinresistens hos gnagare8. Det visades att kronisk överuttryck av orexingenen eller farmakologisk induktion av orexinreceptorn nästan helt blockerade utvecklingen av fetma och insulinresistens hos möss som matade en hög fet diet. Detta visade sig huvudsakligen bero på ökade energikostnader, men det var ingen förändring i respiratorisk kvotient, en indirekt indikator på kolhydrat vs lipidutnyttjande. Kronisk stimulering av orexinsignalering reducerade också livsmedelsförbrukningen. En mängd olika genetiska och farmakologiska experiment indikerade att majoriteten av denna effekt medierades genom signalering genom OxR2, inte OxR1. Slutligen är ett slående resultat av denna studie att kronisk stimulering av orexinsignaleringen inte hade någon effekt på mus som saknar leptin. Dessa djur, när de matades med en hög fetthalt, blev fortfarande obses och insulinsäker även när de behandlades med orexinreceptoragonisten. Således verkar den skyddande effekten av orexin vara rotad i att förbättra leptinkänsligheten. Denna studie har uppenbara terapeutiska konsekvenser vid behandling av diet-inducerad fetma och diabetes.

Även om denna studie huvudsakligen implicerades genom att signalera genom OxR2 som viktig för den fetma resistiva fenotypen noterades några OxR1-medierade effekter8. Författarna fann att genetisk ablation av OxR1 ensam skyddas mot hög fetthalt-inducerad hyperglykemi, men inte fetma. Detta indikerar att orexinsignalering genom OxR1 med normala fysiologiska nivåer av orexin spelar en permissiv roll vid utvecklingen av ålders- eller hög fetthaltsinducerad insulinresistens. I det icke-fysiologiska scenariot av fortsatt orexin över uttryck via en transgen, både OxR1- och OxR2-medierat skydd mot utvecklingen av insulinresistens på fettfattig kost. Denna komplicerade uppsättning resultat med avseende på OxR1 antyder att antingen receptorn spelar olika roller under förhållanden med normalt och suprafysiologiskt orexinuttryck eller att receptorn medierar olika fysiologiska effekter som kan förbättra eller motverka utvecklingen av hyperinsulinemi och att "vinnaren" av Dessa konkurrerande effekter är olika beroende på nivån av orexin eller tidpunkten för och varaktigheten av signaleringen.

Kopplingen av orexin effekten till leptinsignalering är intressant med avseende på en annan studie som nyligen publicerats, där det visat sig att suprafysiologiska nivåer av leptin gör att diabetiska gnagare helt saknar insulin för att frodas 28. Tidigare var leptin känt för att sänka blodglukosenivån genom att potentiera resterande nivåer av endogent insulin i streptozotocin (STZ) -inducerade diabetiska råttor med partiell insulinbrist 29. Tanken om att leptin ensam skulle kunna rädda insulinsmaga djur från diabetespecifika symptom hade aldrig testats och det här fyndet kom som en stor överraskning. De liknande fenotyperna som induceras genom kronisk behandling av djur med suprafysiologiska nivåer av orexin och leptin, i kombination med konstaterandet att orexin verkar fungera genom att förbättra leptinkänsligheten leder till att man undrar om dessa två studier var olika sidor av samma mynt och att stimulering av Orexin / leptinsignalvägarna kan verkligen vara en mycket lovande behandling för typ I eller typ II diabetes.

Har orexin-signalering effekter i periferin?

De flesta av effekterna av orexinsignalering som beskrivs ovan antas inträffa i hypotalamus. Orexinsignalerna, om någon, utanför nervsystemet är kontroversiella. Uttrycket av orexinerna och deras receptorer har detekterats i olika perifera vävnader, inklusive tarmarna, bukspottkörteln, njuren, binjurarna, fettvävnad och könsorganen 30-33, men funktionellt bevis på en roll för orexin-signalering i periferin är sällsynt.

En ny studie visade att förekomsten av OxR1-uttryckande celler i bukspottkärlöppningarna ökade med streptozotocin (STZ) -inducerad hyperglykemi hos råtta och samlokaliserades med glukagon34. Vidare klyvades caspase-3 co-lokaliserat immunokemiskt med OxR1 i öarna. Djur som saknar orexin uppvisade däremot minskad hyperglykemi och bättre glukostolerans än vildtypsdjur. Dessa resultat tyder på att orexinsignalering genom OxR1 i bukspottkörteln kan bidra till beta-cellapoptos och utveckling av diabetes som svar på STZ-behandling. Medan anslutningen är tuff, är det möjligt att denna effekt kan förklara observationerna från Funato et al., Som nämnts ovan, att den genetiska ablationen av OxR1 var skyddande mot hög fetthalt-inducerad hyperglykemi och hyperinsulinemi8.

Orexin-signalkaskaden

Medan orexinsignaleringen har studerats intensivt på den fysiologiska nivån har det varit mycket mindre ansträngning som ägnas åt att karakterisera de intracellulära händelser som utlöses genom bindning av orexinhormonema till deras receptorer. Det är känt att bindning av hormonet till dess receptor utlöser en tillströmning av kalcium, vilket är kopplat till aktivering av Erk 35. Receptorerna kopplar också till en fosfolipas C (PLC) -medierad väg som frisätter intracellulära kalciumbutiker.

Den mest grundliga analysen av gentranskriptionsprogrammen som utlöstes av orexinsignalering rapporterades i 2007 36. Denna studie använde globala genuttrycksprofilering för att identifiera gener starkt upp- eller nedreglerade i HEK293-celler som stabilt uttrycker OxR1. 260-gener befanns vara uppreglerade och 64 nedreglerade av tvåfaldigt eller mer när de samlades både två och fyra timmar efter orexinstimulering. Genanmärkningarna indikerade att ungefär hälften av de högreglerade generna var involverade i celltillväxt (30%) eller metabolism (27%). En väganalys som använde det kommersiella ingenuitetsprogrammet involverade flera vägar som reglerad av orexinsignalering (Figur 1). De kanoniska TGF-p / Smad / BMP-, FGF-, NF-kB- och hypoxiska signaleringsvägarna var de mest framträdande. Denna studie fokuserade i detalj på den hypoxiska vägen, vilket var en udda "hit" i denna studie eftersom cellerna odlades under normoxiska förhållanden. Trots det var transkriptionsfaktorn för hypoxi-inducerbar faktor 1-a (HIF-1a), som tidigare varit känd att stiga som svar på hypoxi, och många av dess målgener inducerades högt av orexinbehandling. I hypoxiska cancerceller, där HIF-1a-verkan har bäst studerats, samverkar den med HIF-1β för att bilda en heterodimer transkriptionsfaktor (HIF-1) som driver en omprogrammering av cellulär metabolism37. I synnerhet uppreglerar den massivt glukosimport och glykolys, som har bindningsställen uppströms nästan alla gener som är involverade i dessa händelser. I hypoxiska celler verkar HIF-1 att shunta produkten av glykolys, pyruvat, till produktion av laktat i stället för omvandling till acetyl-CoA och in i TCA-cykeln och oxidativ fosforylering. Detta görs, åtminstone delvis, av den HIF-1-beroende uppreglering av uttrycket av laktatdehydrogenas A (LDH-A), enzymet som medierar omvandlingen av pyruvat till laktat, såväl som pyruvatdehydrogenaskinaser ( PDHK), som inaktiverar PDH, enzymet som medierar omvandlingen av pyruvat till Acetyl Co-A (se Figur 2). Överraskande verkade de orexinbehandlade cellerna emellertid trycka det mesta av deras metaboliska flöde genom TCA-cykeln och oxidativ fosforylering 36, vilket resulterar i en starkt förbättrad produktion av ATP och förmodligen andra biosyntetiska intermediärer ledsagare med aktivering av dessa vägar. Det är inte känt hur orexinsignalerande och hypoxi båda kan stimulera HIF-1a-aktivitet, men endast en delmängd av gener som vanligtvis aktiveras av denna transkriptionsfaktor i hypoxi aktiveras i orexinbehandlade celler.

Figur 1 

Sammanfattning av resultaten av en genuttrycksanalys av effekten av orexin på celler som uttrycker orexinreceptorn 1. Överst: Sirkeldiagram som sammanfattar annoterade funktioner av gener som drabbats avsevärt av orexinsignalering. Botten: Föreslagna signalvägar .
Fig 2 

Schematisk sammanfattning av den huvudsakliga effekten av orexinsignalering på glukosmetabolism. OxSig = orexin signalering. Den orangefärgade ovalen representerar en glukostransportör. Pilar indikerar en stimulering av den angivna processen och de vinkelräta linjerna representerar en .

Parallella studier av hypotalamiska skivor erhållna från vildtyps- eller OxR1-knock-out-möss överensstämde generellt med dessa slutsatser och validerade att de visade effekterna var resultatet av orexinsignalering 36. På något sätt är detta resultat tilltalande genom att det förklarar en överraskning i vår förståelse av orexinbiologi på den fysiologiska nivån. Om vi ​​likställer ett tillstånd av vakenhet med hög neuronal metabolisk aktivitet, vilket verkar rimligt, är det märkligt att detta skulle inträffa när hjärnan badas i låga nivåer av glukos. Därför är det en förutsättning att vakenheten kräver en överränkning av denna situation via en mekanism som ökar effektiviteten av upptagning och behandling av glukos. En orexinmedierad uppreglering av cellulär metabolism verkar också vara förenlig med observationen av ökad energiförbrukning och motståndskraft mot hög fetthaltsinducerad fetma 8. Det är emellertid viktigt att komma ihåg att denna studie fokuserade på OxR1-uttryckande celler och neuronskivor erhållna från vildtyps- eller OxR1-knock-out-möss. Vakthet och motstånd mot diet-inducerad fetma, som nämnts ovan, anses nu vara mer av en effekt av OxR2-medierad signalering. Det kan vara att de observerade vägarna är mer relevanta för att belöna beteende och andra processer som verkar domineras av OxR1-medierad signalering. Mycket mer arbete kommer att krävas i olika celltyper och vävnader för att sortera ut dessa problem. Men idén att orexin-signalering är en viktig regulator för energimetabolism är en intressant modell som kommer att styra framtida studier.

Är orexinsignaler viktig i cancer?

Upptäckten att orexin-signalering kan turboladda glukosförbrukning antyder en möjlig länk till cellproliferation i delande celler och därmed till cancer. Emellertid visar de publicerade resultaten som diskuterats ovan att orexin kan stimulera oxidativ energiomsättning 36, medan många cancerceller använder anaerob glykolys för huvuddelen av deras metabolism 38. En möjlighet är att cancerceller som utnyttjar oxidativ metabolism kan använda orexinsignalering på autokrina eller parakrina sätt för att stimulera deras metabolism och proliferation och i så fall skulle orexinreceptorantagonister vara intressanta terapeutiska alternativ. Å andra sidan, om orexin-signalering tvingar metaboliskt flöde genom TCA och oxidativa fosforyleringsvägar på bekostnad av anaerob glykolys, kan aktivering av denna väg vara giftig för tumörceller "beroende av en glykolytisk livsstil.

Det finns några indikationer på en roll för orexinsignalering i cancerceller och, som man kan förutsäga från ovanstående analys, verkar effekten av orexinsignaler vara olika i olika typer av cancerceller. Exempelvis undertrycker orexiner celltillväxt genom inducering av apoptos i humankolonkreft, neuroblastomceller och pankreatiska tumörceller från råtta 39. Å andra sidan är uttrycket av OxR1 och OxR2 högre i adenom än den normala binjurskortexen. Orexin A och B kan stimulera cellproliferation i dessa celler och effekterna var mer uttalade i odlad adenomatös än normala adrenokortiska celler 40. Även om dessa rapporter är intressanta, kommer vår förståelse av vikten av orexinsignalering i cancer, om någon, finnas i sin linda och mycket mer arbete att krävas för att bestämma om orexinreceptorerna eller nedströms effektorerna av signaleringsvägen representerar genomförbara mål för cancerkemoterapi .

Farmakologisk kontroll av orexinsignalering

Biologin som granskas ovan antyder att agonister, antagonister och potentiatorer av orexinsignaler kan vara av betydelsefullt intresse kliniskt. Till exempel behandling av narkolepsi och kataplexi orsakad av brist på orexinproduktion bör behandlas med användning av en orexinreceptoragonist. Å andra sidan bör beroendeframkallande beteende behandlas med användning av en orexinreceptorantagonist. Dietinducerad fetma och diabetes kan bekämpas med antingen en orexinreceptoragonist eller kanske en positiv allosterisk potentiator. Flera stora läkemedelsföretag har tagit fram utvecklingen av molekyler som riktar sig mot orexinreceptorerna 41.

Orexinreceptorantagonister

Eftersom orexinsignalering i hjärnan främjar vakenhet, står det att farmakologisk blockad av denna väg skulle resultera i sömnighet och sålunda kan orexinreceptorantagonister vara användbara läkemedel för behandling av sömnlöshet. Ett stort problem skulle dock vara induktion av kataplexi. Faktum är att den centrala frågan i utvecklingen av terapeutiskt användbara orexinreceptorantagonister är huruvida övergående farmakologisk inhibering av orexinreceptorn kommer att fenokopiera den narkoleptiska och katapliska fenotypen av kronisk orexinbrist.

De prekliniska och kliniska data som hittills finns tillgängliga hävdar att svaret är "nej". De flesta uppgifterna kommer från studier av Almorexant (Figur 3; även känd som ACT-078573), som utvecklas av Actelion Pharmaceuticals för behandling av sömnlöshet. Almorexant är en oralt tillgänglig tatrahydroisokinolin som potentiellt motverkar både OxR1 och OxR2. Actelion publicerade en preliminär studie i början av 2007 som rapporterade den framgångsrika behandlingen av råtta, hund och människor med Almorexant eller en klassisk GABA-receptoragonist, zolpidem 19. Almorexant visade sig vara säker och väl tolererad i denna studie. Det framkallade subjektiva och objektiva fysiologiska tecken på sömn. I råttaxperimenten visades det att Almorexant inducerade både icke-REM och REM sömn. Detta är signifikant eftersom zolpidem inte inducerar REM-sömn. Det är viktigt att inga tecken på kataplexi observerades hos någon av försöksdjuren eller människopatienterna.

Figur 3 

Sammanfattning av utvecklingen av Almorexant, en klinisk kandidat för behandling av sömnlöshet och besläktade föreningar med olika selektivitet för de två orexinreceptorerna.

I slutet av 2009 tillkännagav Actelion att en omfattande fas III-studie av två veckors behandling av vuxna och äldre patienter med primär kronisk sömnlöshet slutfördes. Företaget hävdar att den primära ändpunkten av försöket, överlägsen effektivitet av Almorexant över placeboen, uppnåddes, liksom flera sekundära ändpunkter (se http://www1.actelion.com/en/our-company/news-and-events/index.page?newsId=1365361). En kryptisk linje i pressmeddelandet uppgav emellertid att "... vissa säkerhetsobservationer gjordes som kräver ytterligare utvärdering och bedömning i långfristiga fas III-studier." Det blir intressant att veta vad det innebär när data blir tillgängliga.

Almorexant var resultatet av ett omfattande utvecklingsprogram som började med tatrahydroisoquinoline 1 (Figur 3) 42. Denna förening uppstod som en primär träff från en hög genomströmningsskärm med användning av en FLIPR-baserad kalciumanalys i kinesiska hamsterovar (CHO) -celler som uttrycker höga nivåer av humant OxR1 eller OxR2. Observera att förening 1 är ganska selektiv för OxR1. Detta läkemedelsprogram producerade faktiskt många olika potenta föreningar, av vilka några var dubbla receptorantagonister, medan vissa var rimligt selektiva hämmare av antingen OxR1 eller OxR2 (se Figur 3). Ganska stora svängningar i graden av selektivitet observerades som ett resultat av blygsamma strukturella förändringar. Till exempel ersättning av en av metoxigrupperna i "övre vänstra" aromatiska ringen av 1 med en isopropyleter resulterade i en fullständig OxR1 specifik antagonist. En annan intressant kontrast är förening 3, som är ganska selektiv för OxR2, men delar många strukturella egenskaper med den dubbla antagonisten Almorexant. Tyvärr finns det inga strukturella data på orexinreceptorn och således är molekylärbasen för denna selektivitet okänd.

Tetrahydroisoquinolinerna är långt ifrån de enda rapporterade orexinreceptorantagonisterna. Till exempel har Actelion rapporterat strukturellt distinkta föreningar såsom sulfonamider 4 och 5, vilka är potenta dubbla respektive OxR2 selektiva antagonister (Figur 4) 43. Genom inspektion av strukturerna, som innefattar en starkt modifierad glycinkärna, frestas man att tetrahydroisoquinolinerna och sulfonamiderna kan uppta överlappande ställen på receptorn, men så vitt vi vet har detta inte testats.

Figur 4 

Strukturer av andra orexinreceptorantagonister utvecklade av Actelion Pharmaceuticals.

GSK rapporterade en av de första orexinreceptorantagonisten, SB-334867 44-46 (Figur 5), en förening som är relativt selektiv för OxR1 och förblir den vanligast använda "verktygsföreningen" i forskningslaboratorier som studerar orexinbiologi. De rapporterade också en relativt avlägsen släkting av SB-334867, 6, som inkluderar en prolinenhet med mycket bättre styrka mot båda receptorerna, men behåller rimlig OxR1-selektivitet 47. Det har spekulerats det 6 kan vara en nära släkting till en förening med obesluten struktur som GSK tog i kliniska prövningar för behandling av sömnlöshet som kallades SB-674042 41. GSK tillkännagav progressionen av denna förening till kliniska studier i fas II i 2007, men inga ytterligare kliniska data har kommit fram till vårt bästa.

Ett Merck-team har utvecklat prolininnehållande orexinreceptorantagonister 48. Förening 7 (Figur 5) uppstod från en hög genomströmningsskärm och uppvisade utmärkt in vitro-potens mot OxR2 såväl som blygsam aktivitet mot OxR1, men in vivo uppvisade dålig penetration av blodhjärnbarriären. Detta visade sig vara ett resultat av att det var ett substrat för P-glykoproteinet. De fann att detta problem kunde förbättras genom metylering av bensimidazol-kvävet 41, 48. Förening 8, som också innehåller en fenylring i stället för en pyrroldel i molekylns "övre högra" kvadrant, är en potent dubbelreceptorantagonist med utmärkt blodhjernbarriärpenetration. 8 har visats vara aktiv hos råtta.

Andra läkemedelsföretag har rapporterat några föreningar med in vitro-aktivitet mot orexinreceptorer, men dessa kommer inte att ses över här.

Det är frestande att spekulera att samma föreningar som utvecklas som sömnhjälpmedel kan också vara användbara för behandling av kronisk missbruk, även om en uppenbar biverkning av denna behandlingsregel skulle vara att det kommer att göra individerna trötta om de är dubbla receptorantagonister. Upptäckten av orexinsignalens roll i beroendeframkallande beteende är emellertid relativt nyligen och, så vitt vi vet, har inga kliniska prövningar initierats med användning av föreningarna som diskuterats ovan för denna indikation.

Orexin Receptor Agonists and Potentiators

Som diskuterats ovan har Yanagisawa och kollegor försökt bevisa principen i djurmodeller att narkolepsi bör behandlas med en orexinreceptoragonist 18. De använde en modifierad orexinpeptid i dessa studier. Nyfiken nog har dock inga icke-peptidagonister ännu rapporterats i litteraturen till vårt bästa. Det är svårt att tänka sig att skärmar för sådana föreningar inte har utförts, med tanke på den omfattande mängd arbete som utförts på receptorantagonister. Således verkar det troligt att kraftiga agonister är svåra att hitta, men det är inte klart varför detta är så.

Mycket nyligen, den första positiva allosteriska potentiatorn hos orexinreceptorn, 9 (Figur 6) identifierades. Denna förening upptäcktes felfritt under en modest medicinsk kemisk kampanj som syftade till att öka styrkan hos en peptoidbaserad orexinreceptorantagonist 49. peptoid 10 identifierades i en skärm där celler som gör eller inte uttrycker OxR1 men som annars är identiska märktes med olika färgade färgämnen (röda respektive gröna) och hybridiseras till en mikroarray som visar flera tusen peptider immobiliserade på en glasskiva. Föreningar som selekterade OxR1-uttryckande cellerna identifierades genom ett högt rött grönt förhållande av fluorescerande färgämnen som fångades på den punkten (se ref. 50 för utvecklingen av denna metodik). Ett sarkosinavsökningsexperiment 51 avslöjade att endast två av de nio sidokedjorna som var närvarande i molekylen var väsentliga för bindning till de receptoruttryckande cellerna (markerade i rött i Fig 6). Efterföljande syntes och analys av förening 11 bekräftade att det var "minimal farmakofor" för receptorbindning. 11 är en mycket svag antagonist av båda orexinreceptorerna med en IC50 av endast ungefär 300 ^ M in vitro.

Figur 6 

Utveckling av en positiv positiv potentiator av orexinreceptorn. Strukturen av peptiden som uppstod som en primär träff från en bindningsskärm visas på toppen. Den del av molekylen som befanns vara viktig för receptorbindning är markerad i röd. Detta .

Strukturen av 11 verkade föreslå en svag likhet med Almorexant (Figur 6) genom att föreningen innehöll en piperonylring fäst vid en glycin-enhet, medan nästan samma enheter men med en dimetoxibensylring i stället för piperonyl är närvarande i Almorexant. Använda denna modell som en guide, flera derivat av 11 syntetiserades i vilka kolvätenheter tillsattes till amin-kvävet via reduktiv aminering. Ett bensylderivat, 12, i vilken en ytterligare metylen också hade införts mellan den aromatiska ringen och kvävet visade sig vara en mycket förbättrad antagonist, om än fortfarande med endast blygsam styrka (Fig 6), vilket tyder på att modellen kan vara korrekt. Konkurrensstudier för att bestämma om peptoidderivatet 12 och Almorexant konkurrerar med varandra för bindning till receptorn har inte rapporterats.

Under ytterligare optimeringsinsatser, förening 9 syntetiserades, vilket skilde sig från 12 endast genom att piperonylringen öppnades upp till två metoxienheter och den enda metylenbindaren mellan glycin-kvävet och den aromatiska ringen som hade varit närvarande i förening 10 återställdes. Anmärkningsvärt, 9 motverkade inte OxR1 i en cellodlingsanalys men verkade något öka uttrycket av en orexinberoende reportergen. Analyserna upprepades därför vid lägre orexinkoncentrationer (EC20 av hormonet) och resultaten visade tydligt att 9 är en positiv potentiator av orexin-medierad aktivering av receptorn. Vid denna hormonkoncentration, 9 uppvisade en EC50 av ungefär 120 nM. När analysen genomfördes vid mättande nivåer av potentiatorn 9 och nivån av orexin titrerades, fann man att EC50 av orexin minskade ungefär fyra gånger och att den maximala nivån av reportergenuttryck var ungefär tre gånger större än vad som orsakades av mättande nivåer av orexin. Liknande resultat erhölls i experiment med användning av celler som uttrycker OxR2, vilket visar att 9 är en dubbel receptorpotentiator.

Upptäckten av den första orexinreceptorpotentiatorn är potentiellt spännande med avseende på möjliga tillämpningar som en anti-fetma / diabetesbehandling 8, men hittills nr in vivo- experiment har rapporterats med användning av denna förening. Som nämnts ovan har Yanagisawa visat att en peptidbaserad orexinreceptoragonist blockerar dietinducerad fetma och utvecklingen av typ II-diabetes hos gnagare 8. Eftersom dessa djur och förmodligen övernärda människor fortfarande uttrycker normala nivåer av orexinhormonet, kan en positiv potentiator vara användbar för att stimulera hormonets gynnsamma naturliga verkan hos dessa individer. Naturligtvis är det inte troligt att en potentiator är av intresse för behandling av narkolepsi, eftersom drabbade individer producerar litet eller inget orexin.

Sammanfattning

Det är nu klart att neuropeptid-orexinet och dess kognitiva receptorer spelar en central roll vid reglering av utfodring, sömn, energiförbrukning, belöningssökande och en mängd andra beteenden. Lite är känt om de intracellulära händelserna som avbryts genom orexinsignalering. Det finns ett tydligt stort löfte medicinskt i den farmakologiska manipuleringen av orexinsignaleringen och ett antal läkemedelsföretag och akademiska laboratorier har aktiva program inom detta område. Även om inga sådana föreningar finns kvar i kliniken har den potenta dubbla orexinreceptorantagonisten Almorexant slutfört vad som tydligen var en framgångsrik fas III-klinisk studie för behandling av sömnlöshet. Hittills har inga orexinreceptoragonister rapporterats. Det verkar troligt att det kommer att bli en stor aktivitet på detta område under de närmaste åren.

Erkännanden

Arbetet från vårt laboratorium som beskrivs i denna recension stöddes av ett bidrag från NIH (P01-DK58398) och ett kontrakt från National Heart Lung and Blood Institute (N01-HV-28185).

Referensprojekt

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 gratis artikel] [PubMed]
3. Sakurai T, Moriguchi T, Furuya K, Kajiwara N, Nakamura T, Yanagisawa M, Goto K. Journal of Biological Chemistry. 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. Cellmetabolism. 2009; 9: 64-76. [PMC gratis artikel] [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. Naturmedicin. 2009; 16: 111-115. [PMC gratis artikel] [PubMed]
12. Hollander JA, Lu Q, Cameron MD, Kamenecka TM, Kenny PJ. Proc Natl Acad Sci USA A. 2008; 105: 19480-19485. [PMC gratis artikel] [PubMed]
13. Kang JE, Lim MM, Bateman RJ, Lee JJ, Smyth LP, Cirrito JR, Fujiki N, Nishino S, Holtzman DM. Vetenskap. 2009
14. Moriguchi T, Sakurai T, Nambu T, Yanagisawa M, Goto K. Neuroscience brev. 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. Nervcell. 2003; 38: 701-713. [PubMed]
16. Hallmayer J, Faraco J, Lin L, Hesselson S, Winkelmann J, Kawashima M, Mayer G, Plazzi G, Nevsimalova S, Burgund 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. Naturgenetik. 2009 [PMC gratis artikel] [PubMed]
17. Nishino S, Okura M, Mignot E. Sova 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 gratis artikel] [PubMed]
19. Brisbare-Roch C, Dingemanse J, Koberstein R, Höger 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. Naturmedicin. 2007; 13: 150-155. [PubMed]
20. Grå MA, Critchley HD. Nervcell. 2007; 54: 183-186. [PMC gratis artikel] [PubMed]
21. Naqvi NH, Rudrauf D, Damasio H, Bechara A. Science. 2007; 315: 531-534. [PMC gratis artikel] [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 gratis artikel] [PubMed]
23. Harris GC, Wimmer M, Aston-Jones G. Nature. 2005; 437: 556-559. [PubMed]
24. Kenny PJ. Trender inom farmakologiska vetenskaper. 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 gratis artikel] [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 gratis artikel] [PubMed]
29. Oral 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 gratis artikel] [PubMed]
35. Ekholm ME, Johansson L, Kukkonen JP. Biokemisk och biofysisk forskningskommunikation. 2007; 353: 475-480. [PubMed]
36. Sikder D, Kodadek T. Genes & Dev. 2007; 21: 2995–3005. [PMC gratis artikel] [PubMed]
37. Kaelin WGJ. Biochem Biophys Res Comm. 2005; 338: 627-638. [PubMed]
38. Vander Heiden MG, Cantley LC, Thompson CB. Vetenskap. 2009; 324: 1029-1033. [PMC gratis artikel] [PubMed]
39. Rouet-Benzineb P, Rouyer-Fessard C, Jarry A, Avondo V, Pouzet C, Yanagisawa M, Laboisse C, Laburthe M, Voisin T. Journal of Biological Chemistry. 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. Bioorganiska & medicinska kemibrev. 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. Bioorganiska & medicinska kemibrev. 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 gratis artikel] [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 gratis artikel] [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. Bioorganiska och medicinska kemibrev. 2008; 18: 1425–1430. [PubMed]
49. Lee J, Kodadek T. Chem Sci. 2010; 1 doi: 10.1039 / C0SC00197J. I pressen. [PMC gratis artikel] [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]