Characterization of the 5-HT7receptor Vermeulen, Erik Sander

Transcriptie

1 Characterization of the 5-HT7receptor Vermeulen, Erik Sander IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2005 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Vermeulen, E. S. (2005). Characterization of the 5-HT7receptor: Synthesis and molecular modeling of ligands and the receptor [S.l.]: s.n. Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date:

2 Chapter 8 Appendix 8.2 Samenvatting De 5-HT 7 receptor is de meest recentelijk ontdekte telg van de grote groep van G-eiwit gekoppelde serotonine receptoren. Sinds de ontdekking van dit nieuwe subtype in 1993 is er veel onderzoek gedaan naar de eigenschappen en de mogelijke functie van deze receptor. De aanwezigheid van de receptor in bepaalde delen van de hersenen en in perifeer weefsel leidde tot de hypothese dat de receptor betrokken zou zijn bij tal van processen zoals het aansturen van de biologische klok, depressiviteit en stemmingsstoornissen, migraine en relaxatie van glad spierweefsel, pijnbeleving en hypothermie. Onderzoek met behulp van farmacologisch actieve stoffen die destijds voor handen waren, duidt ook in die richting. Echter, omdat veelal stoffen gebruikt werden die niet selectief zijn voor de 5-HT 7 receptor, zijn de aan het onderzoek verbonden conclusies niet waterdicht. Om meer te weten te komen over de functie van de receptor zou het onderzoek gebaat zijn bij stoffen die wel selectief aangrijpen op dit subtype. Doorgaans worden zulke stoffen ontwikkeld vanuit een chemische verbinding die ontdekt is door het screenen van omvangrijke databases van bedrijven, een zogenaamde lead-verbinding. Zo is ook de eerste bekende en selectieve 5-HT 7 receptor antagonist ontwikkeld (SB ), die deze receptor 100 maal sterker blokkeert dan tal van andere receptoren. Op deze manier is er nog een aantal stoffen ontdekt, waarvan de meeste in staat zijn om het stimulerende effect dat een agonist op deze receptor heeft tegen te gaan (blokkeren of antagoneren). Met behulp van deze stoffen wordt nu steeds meer onderzoek verricht in een poging de rol van de 5-HT 7 receptor bij de eerder genoemde biologische processen aan te tonen. Een uitgebreid overzicht van dit onderzoek staat beschreven in Hoofdstuk 1 van dit proefschrift. Het doel van het onderzoek dat verder beschreven wordt in dit proefschrift betreft de ontwikkeling van nieuwe liganden die in staat zijn om de 5-HT 7 receptor te activeren (agonisten) in plaats van te blokkeren. Daarnaast wilden we met behulp van speciaal daarvoor ontwikkelde software applicaties nagaan aan welke structurele voorwaarden liganden moeten voldoen om interacties aan te gaan met het actieve centrum van de receptor, de zogenaamde binding site. Door de data van farmacologisch onderzoek te koppelen aan een 3 dimensionaal (3D) model van de 5-HT 7 farmacofoor dat met behulp van de computer is bepaald, kan een structuuractiviteitsrelatie (SAR) worden vastgesteld. Hiermee zou de ontwikkeling van nieuwe liganden in de toekomst gebaat kunnen zijn. Het eerste ontwerp van mogelijke nieuwe agonisten voor de 5-HT 7 receptor was gebaseerd op een voorlopig farmacofoormodel dat opgesteld kon worden aan de hand van een beperkt aantal verbindingen, waarvan bekend was dat ze deze receptor konden activeren. Het tot stand komen van dit model wordt beschreven in Hoofdstuk 2. Hierbij is ondermeer gebruik gemaakt van de natuurlijke neurotransmitter serotonine en de zeer potente serotonine agonist 5-carboxamido tryptamine (5-CT). Ook werd gebruik gemaakt van een verbinding die tot op dat moment bekend 184

3 Appendix Chapter 8 was als selectief aangrijpend op de 5-HT 1A receptor: (R)-8-OH-DPAT en (+)-LSD, een stof met een rigide ergoline basisstructuur. Dit laatstgenoemde rigide ligand is tevens gebruikt als matrix om de juiste actieve conformatie te kunnen bepalen van de meer flexibele tryptamines. Het voorlopige farmacofoor model bestaat uit 2 interactiepunten die alle 5-HT 7 liganden gemeen hebben: een voor het positief geladen stikstof atoom en een voor de waterstofbrug (H-brug) accepterende functionele groep, die op een na alle liganden bezitten die gebruikt zijn om dit model op te stellen. Daarnaast wordt in het model ook aangegeven wat de meest optimale positie is voor een aromatische ring, die een ligand dient te hebben, ten opzichte van de 2 eerder genoemde gemeenschappelijke interactiepunten. Op basis van dit voorlopige model werd gesuggereerd dat liganden op basis van de chemische structuur van 1,2,3,4- tetrahydroisoquinolines (THIQ) goede kandidaten zouden kunnen zijn voor nieuwe 5-HT 7 receptor agonisten. Wanneer ze voorzien zouden zijn van een H-brug accepterende functionele groep aan de aromatische 6-ring en een flexibele ethylamine zijketen aan het stikstofatoom van de heterocyclische ring van het THIQ-skelet, dan zouden deze liganden een conformatie aan kunnen nemen die tegemoet komt aan alle voorwaarden die gesteld worden door het berekende voorlopige 3-D farmacofoor model. Echter, uit bindingsexperimenten bleek dat deze serie stoffen absoluut geen affiniteit vertoont voor de 5-HT 7 receptor. Op basis hiervan kon worden geconcludeerd dat het voorlopige farmacofoor model niet in staat bleek om een volledige beschrijving te geven van de structurele eigenschappen waaraan agonisten van de 5-HT 7 receptor moeten voldoen. De resultaten en de interpretatie van de verkregen gegevens worden beschreven in Hoofdstuk 3. Op basis van de eerste resultaten werd de hypothese opgesteld, dat de binding site van de 5-HT 7 receptor slechts beperkt ruimte biedt aan een ethylamine zijketen en strenge eisen stelt aan de conformatie en oriëntatie van deze zijketen. Daarom werd niet langer gezocht naar een mogelijkheid om de affiniteit van THIQs als 5-HT 7 agonisten te verbeteren, maar werd het onderzoek toegespitst op de synthese en het bepalen van SARs van tryptamines en 2- aminotetralines. Dit deel van het onderzoek wordt beschreven in respectievelijk Hoofdstuk 4 en 5. Hieruit wordt ondermeer duidelijk dat er subtiele verschillen zijn tussen beide klassen van liganden met betrekking tot de oriëntatie van het geprotoneerde en positief geladen stikstof atoom ten opzichte van de aromatische ring. Dit leidt bij 2-aminotetralines tot een toename van de affiniteit voor de 5-HT 7 receptor wanneer de omvang van alifatische substituenten aan het stikstofatoom toeneemt, terwijl het tegenovergestelde effect wordt waargenomen bij liganden op basis van de chemische structuur van tryptamines. Bovendien blijkt dat het aanbrengen van substituenten op de heterocyclische 5-ring van de indoolkern een groot effect kan hebben op zowel de affiniteit als ook op de werkzaamheid als agonist of inverse agonist. Zo leidt een methylgroep op het koolstofatoom naast de indool-nh tot een sterke verlaging van de affiniteit voor de 5-HT 7 receptor, terwijl door het aanbrengen van eenzelfde substituent op de indool-nh een agonist kan worden omgebouwd tot 185

4 Chapter 8 Appendix inverse agonist. Deze bevinding suggereert dat de indool-nh een belangrijke rol zou kunnen spelen met betrekking tot conformatieveranderingen van de (binding site van de) 5-HT 7 receptor. Echter, de 2-aminotetraline liganden die in dit hoofdstuk getest zijn, net als een klein aantal andere liganden gebaseerd op de chemische structuur van bijvoorbeeld 1-naphtylpiperazines, hebben geen H-brug donerende functionele groep op de positie die overeenkomt met de indool-nh van de tryptamine liganden. Toch gedragen deze liganden zich als agonisten en hebben ze een met de tryptamines vergelijkbare affiniteit voor de 5-HT 7 receptor. Door zowel (R)- als (S)-enantiomeren van 2-aminotetralines te testen is vast komen te staan dat de receptor een voorkeur heeft voor (R)- enantiomeren. In Hoofdstuk 6 wordt beschreven hoe op basis van de aanvullende informatie van de SARs van de liganden beschreven in de voorgaande hoofdstukken een verbeterd farmacofoormodel voor agonisten van de 5-HT 7 receptor is ontwikkeld. Door gebruik te maken van aanvullende rekentechnieken, zoals Comparative Molecular Field Analyse (CoMFA) waarmee een kwalitatieve analyse van SARs (3D-QSAR) uitgevoerd kan worden, zijn we nu in staat om de affiniteit te voorspellen van agonisten voor de 5-HT 7 receptor waarvan de affiniteit nog niet experimenteel is vastgesteld. Door ook een 3D computermodel te maken van de 7 transmembrane helices van de 5-HT 7 receptor krijgen we ook een beter beeld van de moleculaire interacties tussen agonisten en de binding site van de receptor. Zo kan het 3D model van de receptor gecorreleerd worden aan de uitkomsten van de eerder uitgevoerde CoMFA berekeningen, waardoor duidelijk wordt welke aminozuurresiduen een belangrijke rol spelen bij de moleculaire interacties tussen een agonist en de binding site. Tenslotte wordt in Hoofdstuk 7 beschreven hoe we dezelfde computerberekeningen hebben toegepast op een aantal nieuw ontwikkelde inverse agonisten. Verder onderzoek wees namelijk uit dat wanneer THIQs en 2-methoxyphenylpiperazines voorzien worden van een zijketen met daaraan gekoppeld een arylsulfonamide groep dit wel potente inverse agonisten oplevert voor de 5-HT 7 receptor. Vergelijking van de CoMFA modellen voor 5-HT 7 receptor agonisten en inverse agonisten maakt het bovendien aannemelijk dat beide klassen van verbindingen interacties aangaan met dezelfde aminozuurresiduen van de binding site van de receptor. Deze constatering roept de vraag op welke structuureigenschappen van een ligand nu bepalend zijn voor de werkzaamheid als agonist of inverse agonist. Helaas lukt het niet om op basis van de resultaten van dit onderzoek daarop een antwoord te kunnen geven. Het vermoeden bestaat dat moleculaire interacties tussen grote hydrofobe substituenten aan het positief geladen stikstofatoom van de zijketen van inverse agonisten verhinderen dat TM6 een conformatieverandering zou kunnen ondergaan, waardoor de receptor in een inactieve conformatie blijft. Dit is echter slechts een van de vele mogelijke verklaringen. Om het exacte mechanisme van activeren of blokkeren van een receptor, en van de 5-HT 7 receptor in het bijzonder, te kunnen ophelderen is nog veel onderzoek nodig. 186

5 Appendix Chapter 8 Samenvattend kan gesteld worden dat dit onderzoek veel aan het licht heeft gebracht op het gebied van SARs van reeds bekende en nieuwe agonisten en inverse agonisten van de 5-HT 7 receptor. Door gebruik te maken van geavanceerde softwarepakketten zijn 2 gedetailleerde 3D modellen opgesteld waarin de voorwaarden zijn vastgelegd waaraan zowel agonisten als ook inverse agonisten moeten voldoen om interacties aan te kunnen gaan met de 5-HT 7 receptor. Bovendien maakt vergelijking van deze modellen het aannemelijk dat beide klassen van liganden interacties aangaan met dezelfde aminozuurresiduen van de binding site van de receptor. De resultaten van dit onderzoek kunnen een belangrijke bijdrage leveren aan de ontwikkeling van nieuwe 5-HT 7 liganden, het werkingsmechanisme en het ophelderen van de biologische functie van de 5-HT 7 receptor. 187