NO-Donor-Tacrine Hybrids as Hepatoprotective Anti-Alzheimer Drug Candidates - - - - Jochen Lehmann Friedrich-Schiller-Universität Jena

Womit haben wir uns bisher beschäftigt? Bioaktivierung der Nitrate Unterschiede bei den Nitraten ROS, RNS Neue Anwendungsbereiche für Nitrate Nitrattoleranz

Womit haben wir uns bisher beschäftigt? Bioaktivierung der Nitrate Unterschiede bei den Nitraten ROS, RNS Neue Anwendungsbereiche für Nitrate Nitrattoleranz Heute: Nitrate als „Zugabe“ zu anderen Arzneistoffen  Nitrat-Hybridmoleküle

Warum? NO Donor (Nitrat) - Hybrid Verbindungen: Bioactive part 2 (NO-Donor, z.B. Nitrat) Bioactive part 1 Spacer Warum? Der NO Donor soll nachteilige Nebenwirkungen von part 1 kompensieren. Der NO Donor soll part 1 neue Eigenschaften verleihen und die Wirkung verstärken.

2 C6H6N3O11  N2 + 4 NO + 6 H2O + 12 CO (schnell) Baumwolle O H O H O H O H O O H O H O O O O H O H O O O O H O H O H O H 2 C6H6N3O11  N2 + 4 NO + 6 H2O + 12 CO (schnell) 2 C6H6O5 + 7 O2  6 H2O + 12 CO (langsam) H2SO4, HNO3 Kohlenhydrat-Nitrat-Hybrid (Schießbaumwolle) Itzehoer Wochenblatt, 1846, 1626 f.

      Magenepithel der Ratte nach Behandlung mit Naproxen und dem Nitrat-Naproxen-Hybrid LE-EK 011   Analgesie (AcOH writhing) 100 115 Hyperalgesie (Carrageenan induced) 100 130 Entzündungshemmung (Rat paw) 100 130 Gastrointestinale Toxizität control  

ß-Blocker-nitrate-hybrids for a better treatment of cardiac diseases. (M. Decker, A. König, E. Glusa, J. Lehmann, Biorg. Med. Chem. Lett. 2004, 4995) Propanolol Nitrat- Propanolol Hybrid Cardioprotektiv bei viraler Myocarditis (Coxsackievirus B3 in Mäusen) Absenkung des viralen Titers Fibrosereduktion Reduzierte Pankreasdestruktion

Ketoconazole-NO-donor-hybrids - better antifungal drugs! Ketoconazol-Nitrate-Hybrid Aspergillus fumigatus 62.5 2000 3.13 Aspergillus terreus 31.3 2000 1.56 Aspergillus niger 62.5 2000 1.56 Fusarium oxysporum 500 2000 25 Candida albicans 25 25 6.25 Candita glabrata 12.5 50 3.13 Penicillum notatum 8 250 8 J. Konter, U.Möllmann, J. Lehmann, Bioorg. Med. Chem., 2008, -Patent 2007 Ketoconazol Deacetyl-Ketoconazol Antifungal Activities (MIC, mM)

Was ist die „ Alzheimer-Demenz (AD)? Chronisch fortschreitende Erkrankung, mit irreversiblen morphologischen und biochemischen Veränderungen des Gehirns. Sie führt zu totalem Verlust von intellektuellen und praktischen Fähigkeiten und zur absoluten Pflegebedürftigkeit.

Aggregiertes Aß42-Proteine Virchow: Die Plaques sind mit Iod anfärbbar, also Stärke, also Amyloid! Wenig später..... Kekule: Die Elementaranalyse zeigt viel Stickstoff und etwas Schwefel, also Protein

-Sekretase spalteten APP zu löslichem, nicht amyloidogenem sAPP ß-Sekretase und -Sekretase spalten APP zu amyloidogenem Aß38-42

Vereinfachte Pathologie Extrazelluläre -Amyloid Plaques aus APP) + Intrazellulläre neurofibrilläre Bündel aus hyperphosphoryliertem Tau-Protein Kommunikationsverlust“ Neuronaler Zelluntergang

Therapie?

+ Psychopharmaka (Antidepressiva, Neuroleptika, Anxiolytika) Medikamentöse Alzheimer-Therapie heute: Target Wirkstofftyp Wirkstoff Cholinerges System Acetylcholin- esterasehemmer Tacrin (Cognex), Donepezil (Aricept), Rivastigmin (Exelon), Galantamin (Reminyl) Calciumhomöostase Calciumkanalblocker Nimodipin (Nimotop) Calciumhomöostase Glutaminerges System NMDA-Rezeptor-Antagonisten Memantin (Akanitol, Axura , Ebixa) Zentraler Energiestoffwechsel, Blugefäße Nootropika Piracetam (Nootrop, Normabrain, etc) Pyritinol (Encephabol), Dihydroergotoxin (Hydergin, etc.) Nicergolin (Sermion, etc) Multifaktorell Ginkgo triloba L. (Tebonin , Rökan , etc.) ROS Antioxidanzien Vitamin C + Vitamin E + Psychopharmaka (Antidepressiva, Neuroleptika, Anxiolytika)

+ Allosterisch potenzierender Ligand am ACh-Rezeptor Ausgleich einer Acetylcholinmangel-Symptomatik nach neuronalem Synapsenverlust durch Inhibitoren der Acetylcholinesterase 1998 1997 + Allosterisch potenzierender Ligand am ACh-Rezeptor 1999 1995

Aggregation von Aß1-42 Aggregation von Aß42 + AChE Die zwei Funktionen der Acetylcholinesterase Die zentrale AcCh- Bindungsstelle katalysiert den Abbau des Neurotransmitters Eine periphere anionische Bindungsstelle (PAS,  18Å) katalysiert die ß-Amyloidaggregation Aggregation von Aß1-42 Aggregation von Aß42 + AChE Projektionsbahnen des cholinergen Systems

Bessere Therapeutika?

NO-Donor-Tacrin Hybride Zusätzliche Vasodilatation Gleiche oder bessere ChE-Inhibition Geringere Lebertoxizität Bessere Kognition Weniger Amyloidaggregation durch bessere Anbindung an die PAS?

NO-Donor-Tacrin-Hybride Zusätzliche Vasodilatation Gleiche oder bessere ChE-Inhibition Geringere Lebertoxizität Bessere Kognition Weniger Amyloidaggregation durch bessere Anbindung an die PAS?

NO-Donor-Tacrin-Hybride Cholinesterase-Inhibition?

ChE inhibitory activities Compd. IC50 (nM) ± SEM Selectivity ratio AChE BChE 1 28.2±4.0 13.5±3.1 2.1 8 11.1±2.4 13.8±0.9 0.8 2 93.0±37 28.0±14 3.3 9 5.6±0.7 9.9±1.1 0.6 3 22.6±7.4 12.1±3.1 1.9 10 18.1±3.6 10.8±1.5 1.7 4 45.7±14 15.1±3.2 3.0 11 35.5±3.8 15.3±4.7 2.3 5 10.0±2.3 5.2±1.4 12 50.7±7.5 41.0±5.6 1.2 6 6.4±1.5 5.5±1.8 13 69.5±9.2 5.5±1.3 12.6 7 6.3±1.6 21.7±9.7 0.3 14 226.0±91 7.3±2.0 31.0 tacrine 45.1±6.9 5.1±1.0 8.8 21 21.0±2.7 36.5±3.7 Lebertoxizität?

Hepatotoxizität? Einfluss von Tacrin und Verbindung 9 auf die Aktivitäten von Aspartat-Aminotransferase (ASAT) im Serum, Lactatdehydrogenase (LDH) im Serum Albuminkonzentration im Serum, Proteinsynthese im Lebergewebe. ASAT [µmol/s] Albumin [g/l] LDH [µmol/s] Protein [mg/g] tacrine 9 tacrine tacrine 9 tacrine 9 tacrine 9 12 h 4.5±0.8 2.3±0.2 -49% 16.0±0.4 16.6±0.5 +4% 5.5±0.9 4.4±0.6 -20% n.d. n.d 20 h 3.4±0.3 2.8±0.4 -20% 15.0±0.2 17.1±0.6 +14% 10.0±3.2 5.6±0.3 -44% 118±4 143±1 +21% 36 h 3.1±0.4 2.1±0.2 -32% 13.1±0.3 15.1±0.7 +15% 6.5±1.5 4.1±0.4 -37% 92 ± 2 123±9 +37% F. Lei, C. Roegler, Appenroth, C. Fleck, J.Lehmann; J. Med. Chem., 2008

(Degeneration der Hepatozyten, Histopathologie (nach 24h) der Leber - Ratte, Haematoxylin/Eosin-Färbung - Kontrolle Behandelt mit Tacrin (6µmol/100g) (Degeneration der Hepatozyten, Nekrose) Behandelt mit Nitrat-Tacrin Hybrid (6µmol/100g) Aspartattransaminase Kognition?

In vivo Kognitionsanalyse - Inhibition des Scopolamin-induzierten Kognitionsverlustes 8-armiger Radial Maze (RAM) Zwei Parameter: 1. Errors (Rückkehr in leeren Arm) 2. Gelaufene Strecke Water Maze

In vivo-Aktivität gegen Scopolamine-induzierten Kognitionsverlust Einfluss äquimolarer Dosierungen von Tacrin (tac) und Verbindung 9 (FL38) auf die Zahl der Irrtümer. Einfluss äquimolarer Dosierungen von Tacrin (tac) und Verbindung 9 (FL38) auf die Laufstrecken. Transgene „Alzheimermäuse“

NO-Donor-Hybride – Bifunktionelle Statine zur Behandlung von AD? (NO kann enzymmodulierende, antioxidative, vasoaktive und neuroprotektive Eigenschaften haben!) Hydrolyse Relactonisierung, Schützen 1. Nitratosäure, CDI 2. Entschützen

Zahl der Patente NO-Donor Hybride „Quo vadis?

Danke! Vorbeugen? Dr. Lei Fang (Tacrinhybride – Synthese) Prof. Fleck, C.Appenroth, A. König (Tacrinhybride – Pharmakologie) Dr. J. Konter, Dr. A. König, Dr. U. Möllmann (Ketokonazol – Hybride) C. Lengfelder, C. Rögler, Prof. K. Abouzid (Statinhybride) Prof. E. Glusa (Vasorelaxationsexperimente) Vorbeugen?

Musik und Tanz Novartis Stiftung Gerontologie 2003 Alkohol (mäßig!) The Honolulu-Asia Aging Study. Amer. Journal of Pub. Health, 2000; Rotterdamstudie Östrogene (Menopause) Lancet 1996 Rauchen (nur für APOE4-Gen-Träger) Lancet, 1998 Denken! Hochschulbildung „Reservekapazitäten“ an Kognition bei gleichviel Amyloid Neurology 1999 Fisch (über Cholesterinreduktion?) British Med. Journal 2002 Viel Geld und gute Freunde Verschiedene Studien zum Einfluss sozioökonomischer Faktoren Chinese sein Von 100 Personen über 65, in China 0,6%. In Massachusetts10,3 %.

Warum bekommen wir AD? Genetische Faktoren, Mutationen (Early-Onset AD, Dow Syndrom) Alter Veränderungen der Genexpression Lebensumstände modifizieren die Genexpression (Transkriptionsfaktoren). Dies führt zu Veränderungen im Proteinstoffwechsel und in der Folge zu morphologischen und funktionellen Veränderungen.

Inhibierung der ß-Sekretasen und -Sekretasen Leider: Bislang nur relativ hochmolekulare oder cytotoxische oder peptidähnliche Inhibitoren gefunden  Keine ZNS-Gängigkeit, Proteaseempfindlichkeit, Immunreaktionen Aber: HMG-CoA-Reduktase-Inhibitoren (Statine) vermindern die Amyloidbildung* Warum? Die Aktivität der Sekretasen wird durch de-novo synthetisiertes Cholesterol und Cholesterolester mitreguliert. ß-Amyloid-Plaques enthalten auch Cholesterol Statine stimulieren die NO-Synthase  (verbesserte Durchblutung und Neuroprotektion durch NO (!) * G.P. Gellermann1, K. Ullrich1, A. Tannert1, Ch. Unger1, G. Habicht2,S.R.N. Sauter3, P. Hortschansky2, U. Horn2, U. Möllmann2, M. Decker4, J. Lehmann4, M. Fändrich*: J. Mol. Biol. (2006), 360, 251-257: Alzheimer-like plaque formation by human macrophages is reduced by fibrillation inhibitors and lovastatin

Neurofibrilläre Bündel (tangles) Interview durch Alois Alzheimer (1901) „Wie heißen Sie?“ „Auguste“ „Familienname?“ „Wie heißt Ihr Mann?“ „Ich glaube Auguste“ „Ihr Mann?“ „Ach so mein Mann...“ „Sind Sie verheiratet?“ „Zu Auguste....“ Alzheimer Alois (1864-1915) Plaques Neurofibrilläre Bündel (tangles)

Womit haben wir uns bisher beschäftigt? Bioaktivierung der Nitrate Unterschiede bei den Nitraten

Nitrates on the market: 2 2 2 2 O O O N O O N O 2 2 O N O O O 2 O N O O N O H O O N O 2 2 GTN PETN ISMN 2 ISDN ISOSORBID-5-MONONITRATE ISOSORBID-DINITRATE GLYCEROLTRINITRATE PENTAERYTHRITYLTETRANITRATE 20 - 60 mg 10 - 80 mg 0.2 – 2.5 mg 50 - 80 mg Typical clinical single dosages: In vitro vasodilator potency (PGF2 precontracted pulmonary arteries, pig, EC50 (nM) ): 33200 960 35 7 A. König, K. Lange, J. Konter, A. Daiber, D. Stalleiken, E. Glusa, J. Lehmann, J. Cardiovasc. Pharmacol. 2007, in print

Wahrscheinliche Alzheimer-Genese Genetische Mutionen (APP, PS1, PS2), veränderte Genexpression Veränderte Proteolyse (-, - und -Sekretasen) des Amyloid-Vorläufer-Proteins (APP) Verstärkte Produktion des ß-Amyloids Aß42 Anreicherung von Aß42 in der Gehirnflüssigkeit Ablagerung von Aß42 als diffuse Plaques Aggregation von Aß40 auf die Aß42 Plaques, zusammen mit Cu2+, Zn2+ Aktivierung ungewöhnlicher Kinasen, Auslösung entzündlicher Reaktionen (Zellauflösungen, Mediatorfreisetzungen) Fortschreitende neuronale Schädigung Neuronale Dysfunktion, Zelltod, Signaltransduktions-Defizite Demenz

Warum bekommen wir AD? Genetische Faktoren, Mutationen (Early-Onset AD, Dow Syndrom) Alter Veränderungen der Genexpression Lebensumstände modifizieren die Genexpression (Transkriptionsfaktoren). Dies führt zu Veränderungen im Proteinstoffwechsel und in der Folge zu funktionellen und organischen Veränderungen. Noch in der Diskussion: Gestörte Calciumhomöostase, ROS, entzündliche Prozesse, Apoptose-Induktoren, Cholesterin, Störung der cholinergen, glutaminergen oder dopaminergen Transmitter- oder Transportersysteme, Metallionen, Umwelt, etc……..

-Sekretase-Stimulatoren - und -Sekretase-Inhibitoren Wahrscheinliche Alzheimer-Genese Genetische Mutionen (APP, PS1, PS2), veränderte Genexpression Veränderte Proteolyse (-, - und -Sekretasen) des Amyloid-Vorläufer-Proteins (APP) Verstärkte Produktion des ß-Amyloids Aß42 Anreicherung von Aß42 in der Gehirnflüssigkeit Ablagerung von Aß42 als diffuse Plaques Aggregation von Aß40 auf die Aß42 Plaques, zusammen mit Cu2+, Zn2+ Auslösung entzündlicher Reaktionen (Zellauflösungen, Mediatorfreisetzungen) Fortschreitende neuronale Schädigung Neuronale Dysfunktion, Zelltod, Ca2+-Ungleichgewicht Signaltransduktions-Defizite Demenz -Sekretase-Stimulatoren - und -Sekretase-Inhibitoren Aktuelle Therapie

Screening auf antidementive Wirkung Organbad-Assays Vasodilatation Enzym-Assays Sekretasen Cholinesterasen Kinasen ß-Amyloidaggregations-Assays Isoliertes monomeres ß-Amyloid Amyloidose in Makropagen In vivo-Assays Kognition bei Ratten (water maze, radial maze) Transgene „Alzheimer-Mäuse“ G.P. Gellermann1, K. Ullrich1, A. Tannert1, Ch. Unger1, G. Habicht2,S.R.N. Sauter3, P. Hortschansky2, U. Horn2, U. Möllmann2, M. Decker4, J. Lehmann4, M. Fändrich*: J. Mol. Biol. (2006), 360, 251-257:

-Sekretase-Stimulatoren Wahrscheinliche Alzheimer-Genese Genetische Mutionen (APP, PS1, PS2), veränderte Genexpression Veränderte Proteolyse (-, - und -Sekretasen) des Amyloid-Vorläufer-Proteins (APP) Verstärkte Produktion des ß-Amyloids Aß42 Anreicherung von Aß42 in der Gehirnflüssigkeit Ablagerung von Aß42 als diffuse Plaques Aggregation von Aß40 auf die Aß42 Plaques Auslösung entzündlicher Reaktionen (Zellauflösungen, Mediatorfreisetzungen) Fortschreitende neuronale Schädigung Neuronale Dysfunktion, Zelltod, Signaltransduktions-Defizite Demenz -Sekretase-Stimulatoren - und -Sekretase-Inhibitoren Statine Aggregationshemmer, Aß-D-4-Proteine NSAIDs

-Sekretase-Stimulatoren Wahrscheinliche Alzheimer-Genese Genetische Mutionen (APP, PS1, PS2), veränderte Genexpression Veränderte Proteolyse (-, - und -Sekretasen) des Amyloid-Vorläufer-Proteins (APP) Verstärkte Produktion des ß-Amyloids Aß42 Anreicherung von Aß42 in der Gehirnflüssigkeit Ablagerung von Aß42 als diffuse Plaques Aggregation von Aß40 auf die Aß42 Plaques , zusammen mit Cu2+, Zn2+ Auslösung entzündlicher Reaktionen (Zellauflösungen, Mediatorfreisetzungen) Fortschreitende neuronale Schädigung Neuronale Dysfunktion, Zelltod, Signaltransduktions-Defizite Demenz -Sekretase-Stimulatoren - und -Sekretase-Inhibitoren Statine, NO-Donoren? Aggregationshemmer