Antidiabetikus cukorszármazékok Bokor Éva Debreceni Egyetem, Szerves Kémiai Tanszék Kémiai Glikobiológiai Kutatócsoport Ezerarcú szénhidrátok Magyar Tudományos Akadémia Budapest, 2014. november 5.

Cukorbetegség: statisztikai adatok-2013 2011 2013 Előrejelzés 2035-re Cukorbetegek száma a világon (20-79 év) 300 millió 382 millió 592 millió Cukorbetegek száma Magyarországon 568 ezer 573 ezer Anyagi terhek (USD/év) 378 milliárd 548 milliárd 627 milliárd IDF DIABETES ATLAS, 6. Ed., 2013; www.idf.org/diabetesatlas; ISBN:2-930229-85-3.

Cukorbetegség: hiperglikémia és ami mögötte van 1. Abnormális inzulinkiválasztás (hasnyálmirigy β-sejtek) Visszaszorul a glikogén szintézis és a szövetek glükóz felvétele Következmény: megemelkedett vércukorszint (hiperglikémia, > 7 mM glükóz) a) I. Típusú diabetes mellitus (5 %) Teljes inzulinhiány Kezelés: külső inzulinbevitel b) II. Típusú diabetes mellitus (95 %) Elégtelen inzulintermelés és / vagy a szövetek inzulin érzékenységének csökkenése Kezelés: diéta, testmozgás, orális hipoglikémiás szerek 2. Fokozott glükagon kiválasztás (hasnyálmirigy α-sejtjek) 3. Fokozott glükóztermelés (máj) 4. Csökkent inkretin hatás (vékonybél) 5. Fokozott lipolízis (zsírszövetek) 6. Fokozott glükóztranszport (vese) 7. Csökkent glükózfelvétel (izom) 8. Neurotranszmitter aktivitás zavar (agy) Szövődmények látószervi veseműködési idegrendszeri szív és érrendszeri komplikációk A világon 5,1 millió, Magyarországon 7514 haláleset 2013-ban. R. A. DeFronzo, Diabetes, 2009, 58, 773-795. IDF DIABETES ATLAS, 6. Ed., 2013.

Antidiabetikus szerek fő típusai Szulfonilkarbamidok (szulfonilkarbamid receptor) Glinidek (K+-ATP csatorna) GLP-1 receptor agonisták (GLP-1 receptor) HASNYÁLMIRIGY DPP-4 inhibitorok PTP-1B inhibitorok INZULIN Tiazolidindionok (PPAR-g receptor) Inkretin Metformin MÁJ IZOM ZSÍRSZÖVET GP inhibitorok VÉRCUKOR VESE BÉL α-Glükozidáz inhibitorok SGLT2 inhibitorok Forrás: C. J. Bailey, Trends Pharm. Sci., 2011, 32, 63-71. Gyakori mellékhatások: hipoglikémia, testsúlynövekedés, emésztési zavarok. A betegek 30-40 %-nál hatástalanok. A. S. Wagman, J. M. Nuss, Curr. Pharma. Design, 2001, 7, 417-450.

α-Glükozidáz enzimek gátlása: biokémiai háttér A táplálékkal bevitt szénhidrátok (pl. keményítő, szacharóz) glükózzá történő lebontásának visszaszorítása a szénhidrátok hidrolízisét katalizáló enzimek gátlásával. Hatás helye: vékonybél. Enzimek: α-amiláz: keményítő, maltodextrinek lebontása kisebb oligoszacharidokká α-glükozidáz: kisebb oligoszacharidok lebontása monoszacharidokká (glükóz). Forrás: V. H. Lillelund, H. H. Jensen, X. Liang, M. Bols, Chem. Rev., 2002, 102, 515-553.

α-Glükozidáz inhibitorok Patkány vékonybél α-glükozidáz (IC50 [μM]) Szacharáz Maltáz 0.56 0.35 0.07 0.11 1.3 0.21 0.13 0.1 1.4 4.6 24 0.00055 - 2.2 2.4 Akarbóz (Glucobay®) Voglibóz (Basen®) Miglitol (Glyset®) 1-Dezoxi-nojirimycin L-DMDP Australine Castanospermine Salacinol L. Somsák et al., In Topics in the Prevention, Treatment and Complications of Type 2 Diabetes; Zimering, M. B. Ed.; InTech Open Access Publisher: Rijeka, 2011; pp. 103-126.

SGLT2 gátlása: fiziológiai és biokémiai háttér Hatás helye: vese (SGLT: sodium dependent glucose cotransporter) (~180g szűrt glükóz/nap) A véráramba történő glükóz visszaszívás csökkentése a glükózt szállító transzporterek gátlása révén. Glükóz felesleg Glükóz felesleg Glomerulus Glomerulus Proximális tubulus Proximális tubulus Glükóz transzport Glükóz SGLT2 gátlás SGLT2 (SGLT1) (Véráram) (Véráram) Vizeletürítés Glükózürítés a vizelettel Forrás: http://www.uendocrine.com Nátrium-függő glükóz kotranszporterek SGLT1 SGLT2 Előfordulás vékonybél, vese, szív vese Lokalizáció a vesében (proximális tubulus) S3 szegmens S1 szegmens Glükóz-affinitás nagy (Km = 4 mM) kicsi (Km = 2 mM) Glükóztranszport kapacitás kicsi nagy Hozzájárulás a glükóztranszport 10 % 90 % C. J. Bailey,Trends Pharm. Sci., 2011, 32, 63-71.

Korai SGLT2 inhibitorok Metabolitikus stabilitás növelése N-glikopiranozil és C-glikopiranozil vegyületek Szerkezet-hatás összefüggések vizsgálata 1) Cukorvázon végzett módosítások hidroxil-csoportok helyettesítése, konfigurációjának változtatása gyűrűs oxigén helyettesítése → tiocukrok anomer centrumon történő (spiro)ciklizáció 2) Aglikon szerkezeti elemeinek vizsgálata Phlorizin (természetes vegyület) T-1095A (R = H; aktív forma) Sergliflozin-A (R = H; aktív forma) W. N. Washburn, In New Therapeutic Strategies for Type 2 Diabetes: Small Molecule Approaches, Jones, R. M., Ed. Royal Society of Chemistry: 2012; pp 29-87. Remogliflozin (R = H; aktív forma)

Engedélyezett és klinikai III. fázisban vizsgált SGLT2 inhibitorok Empagliflozin előállítása tonnás tételben EC50 [nM] (SGLT1/SGLT2 szelektivitás) 1.1 (1200) 2.9 (2900) 2.2 (410) 1.8 (20) 7.4 (254) 2.3 (1770) 3.1 (2700) 0.9 (2200) Wang X-J. et al., Org. Lett., 2014, 16, 4090-4093. Dapagliflozin (2013; Forxiga®) Tofogliflozin (2014; Apleway®) Összesített hozam: 50 % (4 + 3 lépésre) (a köztitermékek izolálása nélkül) Canagliflozin (2013; Invokana®) Sotagliflozin/LX4211 Ipragliflozin (2014; Suglat®) Luseogliflozin Empagliflozin (2014; Jardiance®) Ertugliflozin W. N. Washburn, In New Therapeutic Strategies for Type 2 Diabetes: Small Molecule Approaches, Jones, R. M., 6. Ed. RSC: 2012; pp 29-87; Y. Fujita, N. Inagaki, J. Diabetes Investig. 2014, 5, 265-75.; R. M. Poole, J. E. Prossler, Drugs, 2014, 74, 939-944.

P: foszforilezés; DP: defoszforilezés + aktiválás; ‒ dezaktiválás PTP-1B enzim gátlása: biokémiai háttér + + + + ‒ + G-1-P Inzulin IR IRS PI3K PKb GSK3 GSa P P P P P Glikogén ‒ ‒ DP DP IR: inzulin receptor IRS: inzulin receptor szubsztrát PI3K: foszfatidil-inozitol 3-kináz PKb: protein kináz b GSK3: glikogén szintáz kináz-3 GSa: glikogén szintáz a (nem foszforilált, aktív) PTP-1B: protein tirozin foszfatáz-1B PTP-1B P: foszforilezés; DP: defoszforilezés + aktiválás; ‒ dezaktiválás N. Morral, Trends Endocrin. Metab., 2003, 14, 169-175. R. He et al., In New Therapeutic Strategies for Type 2 Diabetes: Small Molecule Approaches, Jones, R. M., Ed. Royal Society of Chemistry: 2012; pp 29-87. IC50 = 2.4 nM IC50 = 1.6-29 mM IC50= 1.3 μM Ertiprotafib Trodusquemine

Szénhidrát alapú PTP-1B inhibitorok (IC50 [μM]) 4.8 5.1 0.77 0.19 0.62 (Cosmospora sp. SF-560) (Paeonia lactiflora) J-P. Praly et al., Tetrahedron Lett., 2005, 46, 7081-7085. R. He et al., In New Therapeutic Strategies for Type 2 Diabetes: Small Molecule Approaches, Jones, R. M., Ed. Royal Society of Chemistry: 2012; pp 29-87.

Terápiás célpontok a máj glükóztermelésének csökkentésére GLIKOGÉN GLÜKÓZ GLIKOLÍZIS GLIKOGENOLÍZIS UDP-GLÜKÓZ C-3 PREKURZOROK GLÜKÓZ-1-FOSZFÁT GLÜKÓZ-6-FOSZFÁT GLÜKONEOGENEZIS Célpont Funkció Glukagon Növeli a máj glükóztermelését GCK Katalizálja a glikolízis első lépését 6PF-2-K/F-2,6-P2-áz Szabályozza a glikolízis és a glükoneogenezis sebességét F-2,6-P2 termelése révén G-6-P-áz Katalizálja a glükoneogenezis utolsó lépését F-1,6-P2-áz Szabályozza a glükoneogenezis sebességét GSK3 Gátolja a glikogén szintázt Glikogén foszforiláz Katalizálja a glikogén lebontását G-1-P monomerekre Forrás: N. Morral, Trends Endocrin. Metab., 2003, 14, 169-175. Forrás: L. Johnson et al., J. Mol. Biol., 1990, 211, 645-661.

A glikogén foszforiláz szerkezete és kötőhelyei Katalitikus centrum glükóz glükózanalógok Allosztérikus kötőhely AMP, glükóz-6-foszfát acil-karbamidok dihidropirin-disavak, ftálsavak pentaciklusos triterpenoidok Inhibitor kötőhely flavopiridol, indirubin származékok Glikogén kötőhely maltopenta- és -heptaóz ciklodextrinek Új allosztérikus kötőhely indol-karboxamidok Benzimidazol kötőhely 2-β-D-glükopiranozil-benzimidazol A glükóz, mint fiziológiás inhibitor Ki [μM] α 1700 β 7400 Forrás: S. R. Sprang et.al., Biochemistry, 1982, 21, 5364-5371. N. G. Oikonomakos, L. Somsák, Curr. Opin. Invest. Drugs, 2008, 9, 379-395. Nyúl vázizom GP (RMGP)

Glükózanalóg GP inhibitorok vezérszerkezetei Ki [μM] (RMGPb) R = 2-Naftil X = O 3.1 X = S 5.1 X = S 76 X = NH 8.6 10 0.35 L. Somsák, CR Chimie, 2011, 14, 211-223. NH‒His377(CO) H-kötés 0.63 R = 2-Naftil v.d.W. kölcsönhatások 0.16 K. A. Watson et al., Acta Cryst., 1995, D51, 458-472. N. G. Oikonomakos et al., Bioorg. Med. Chem., 2002, 10, 261-268. N. G. Oikonomakos et al., Eur. J. Biochem., 2002, 269, 1684-1696. E. D. Chrysina et al., Prot. Sci., 2005, 14, 873-888. V. Nagy et al. Bioorg. Med. Chem., 2009, 17, 5696-5707. M. Benltifa et al. Bioorg. Med. Chem., 2009, 17, 7368-7380.

N-Acil-glükopiranozil-aminok NHCO egységének heterociklusos bioizoszter helyettesítései Ref. 10 13 Györgydeák et al., Bioorg. Med. Chem. 2004, 12, 4861-4870. E. D. Chrysina et al., Tetrahedron: Asymm. 2009, 20, 733-740. É. Bokor et al., Bioorg. Med. Chem. 2010, 18, 1171-1180. M. Tóth et al., Bioorg. Med. Chem., 2009, 17, 4773–4785. É. Bokor et al., ACS Med. Chem. Lett., 2013, 4, 612. L. Somsák, É. Bokor et. al., Glycogen phosphorylase inhibitors. PCT/HU 2012/000116 nemzetközi szabadalmi bejelentés. Linker 16 36 2.4 0.41 0.031 R =

N-Glükopiranozil-azolkarboxamidok RMGPb gátló hatása – gyógyszerszerű molekulák Ki [μM] Szabályok megsértése Lipinski Jorgensen 104 1 33 30 M. Polyák et al., Bioorg. Med. Chem., 2013, 21, 5738-5747. J. Begum et al., Med. Chem. Commun., 2014, doi: 10.1039/c4md00335g.

Szérum glükóz (mmol/l) Glükopiranozilidén-spiro-tiohidantoin (TH) hatásának vizsgálata diabéteszes patkányokban TH Ki = 5.1 μM Szérum glükóz (mmol/l) Máj glikogén (mg/máj) Hatás: 1) Sztreptozotocin-indukált diabéteszes patkányok kontroll diabétesz TH-val kezelt diabétesz Szérum glükóz Máj glikogén 2) Elhízott Zucker diabéteszes patkányok Jelentősen csökkent az aktív glikogén foszforiláz enzim (GPa) szintje és egyidejűleg gyorsult a glikogén szintáz (GS) aktiválódása. T. Docsa et al., Mol. Med. Rep., 2011, 4, 477-481.

Glükózanalóg inhibitorok metabolikus hatásának vizsgálata TH Ki = 5.1 μM KB228 Ki = 0.93 μM C B NV50 Ki = 3.3 μM NV76 Ki = 0.35 μM A GP-inhibitorok májsejtekben (A) növelik a glikogén szintet; májsejtekben (B) és patkányokban (C) UCP2 (uncoupling protein-2) expresszió növekedést váltanak ki; patkányokban mTORC2 komplexet (mammalian target of rapamycin complex) indukálnak. L. Nagy et al. PLoS ONE, 2013, 8, e69420.

Köszönöm szépen a figyelmet. Összefoglalás A forgalomban lévő antidiabetikus szerek nyolc fő típusa közül kettő szénhidrát alapú: α-Glükozidáz gátlók (3 engedélyezett gyógyszerhatóanyag) SGLT2 inhibitorok (5 engedélyezett gyógyszerhatóanyag) További ígéretes, cukorszármazékokat is vizsgáló kutatási területek: PTP-1B enzimgátlás GP enzimgátlás Köszönöm szépen a figyelmet.