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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft die Gebiete der Therapie und der pharmazeutischen
Zusammensetzungen für die
Behandlung verschiedener Krankheiten, insbesondere Krankheiten,
die durch erhöhte
Plasma-Chitotriosidase-Spiegel gekennzeichnet sind, wie Morbus Gaucher.
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Hintergrund
der Erfindung
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Ceramid, ein sekundärer Botenstoff
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In
den letzten Jahren wurde die Bedeutung von Ceramid als sekundärer Botenstoff
bei der Signaltransduktion erkannt. Es wurde klar, dass die durch
mehrere Cytokine induzierte Signalgebung durch Veränderungen
der intrazellulären
Konzentration dieses Lipids vermittelt wird [1, 2]. Entscheidend
für die
Transduktion des von TNF-α (Tumornekrosefaktor α) ausgelösten Signals
nach der Bindung an seinen Rezeptor sind lokale Veränderungen
der Ceramidkonzentration in speziellen Bereichen oder Einstülpungen
der Plasmamembran. Nach der Bindung des Cytokins an seinen Rezeptor
katalysiert eine Sphingomyelinase die Umwandlung von Sphingomyelin
in Phosphorylcholin und Ceramid. Das auf diese Weise erzeugte Ceramid
pflanzt das Signal fort, indem es spezifische Protein-Kinasen und Phosphatasen
aktiviert, was zu einer zellulären
Reaktion führt. 1 gibt
einen Überblick über den
Signalgebungsmechanismus von TNF-α und
anderer Cytokine, wie Interferon-γ und
Interleukin-6.
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Es
gibt jetzt überzeugende
experimentelle Beweise für
die Rolle von Ceramid bei der Signalgebung. Es hat sich gezeigt,
dass die Wirkungen von TNF-α experi mentell
nachgeahmt werden können,
indem man ein durchdringungsfähiges
Ceramid mit verkürzter
Fettacyleinheit verabreicht, oder alternativ dazu, indem man durch
die Behandlung von Zellen mit einer bakteriellen Sphingomyelinase
Ceramid an der Zelloberfläche
erzeugt (siehe z.B. Lit. 2).
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Der
oben beschriebene Signaltransduktionsvorgang ist höchstwahrscheinlich
ein hochgradig lokales Ereignis, das in der Nähe des Cytokinrezeptors stattfindet.
Die Konzentration von Ceramid in der Plasmamembran ist unter normalen
Bedingungen vermutlich sehr gering. Beträchtliche Mengen an Ceramid
sind jedoch in der Plasmamembran als Baustein für Sphingomyelin vorhanden.
Die Hydrolyse von Sphingomyelin würde eine beträchtliche
lokale Veränderung
in der Ceramidkonzentration und anschließenden Signalausbreitung ermöglichen.
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Über die
Wirkung einer spezifischen Transferase kann Ceramid durch Übertragung
der Phosphorylcholin-Einheit von Phosphatidylcholin (PC) in Sphingomyelin
zurückverwandelt
werden, was zur gleichzeitigen Bildung von Diacylglycerin führt. Der
gesamte Weg, der unter dem Strich zu einer Hydrolyse von Phosphatidylcholin
zu Phosphorylcholin und Diacylglycerin führt, wird Sphingomyelin-Zyklus genannt [2].
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Ceramid und
Sphingolipidstoffwechsel
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Offensichtlich
beeinflussen nicht alle Fluktuationen in der intrazellulären Ceramidkonzentration
die Signaltransduktion. Ceramid wird in Zellen in großem Umfang
metabolisiert. Das Lipid wird an der Membran des Endoplasmatischen
Retikulums aus Acyl-CoA und Sphingosin synthetisiert. Es kann im
Golgi-Apparat in Sphingomyelin, Glucosylceramid und verwandte komplexe
Ganglioside oder in Galactosylceramid und verwandte Globoside und
Sulfatide umgewandelt werden. Sphingomyelin und Glycosphingolipide
werden auch im lysosomalen Kompartiment von Zellen zu Ceramid und
andere Komponenten katabolisiert. Das intralysosomal gebildete Ceramid
kann lokal durch die Wirkung von lysosomaler Ceramidase zu Sphingosin
und Fettsäure
hydrolysiert werden, oder es kann zum Cytosol exportiert und für die Synthese
von Sphingolipiden wiederverwendet werden. Ein schematischer Überblick
des Ceramidstoffwechsels ist in 2 gezeigt.
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Sphingolipidosen: Morbus
Gaucher
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Beim
Menschen kommen mehrere erbliche Störungen des lysosomalen Sphingolipid-Katabolismus vor,
die sogenannten Sphingolipidosen (siehe Tabelle 1). Ein erblicher
Mangel der lysosomalen Sphingomyelinase liegt zum Beispiel der Niemann-Pick-Krankheit
zugrunde, und eine mangelhafte Aktivität der lysosomalen Ceramidase
verursacht die Farber-Krankheit. Die am häufigsten vorkommende Sphingolipidose
ist Morbus Gaucher [3]. Die metabolische Grundlage dieser Störung ist
ein Mangel der lysosomalen β-Glucosidase
Glucocerebrosidase (E.C. 3.2.1.45). Dieses Enzym katalysiert die
Hydrolyse von Glucosylceramid (Glucocerebrosid) zu Glucose und Ceramid.
Bei Patienten mit Morbus Gaucher sammelt sich Glucosylceramid in
röhrenförmigen Aggregaten
an, insbesondere in Lysosomen von Makrophagen. Die lipidbeladenen
Makrophagen haben eine typische Morphologie und werden gewöhnlich als "Gaucher-Zellen" bezeichnet. Im Verlaufe
der klinischen Manifestation des Morbus Gaucher können sich
die abnormen Makrophagen in großen
Mengen in verschiedenen Stellen des Körpers ansammeln, wie dem Knochenmarkskompartiment,
der Milz, der Leber, der Niere und den Lungen. Die am stärksten ausgeprägten klinischen
Symptome, die mit Morbus Gaucher einhergehen, sind progressive Splenomegalie,
Hepatomegalie und Skelettbeeinträchtigungen.
Die meisten Morbus-Gaucher-Patienten entwickeln keine neurologischen
Komplikationen. Die häufige
nichtneuronopathische Form der Krankheit wird Morbus Gaucher Typ
1 genannt. In sehr schweren Fällen
von Morbus Gaucher können
auch charakteristische neurologische Abnormitäten auftreten, die im Kindes-
(Typ 2) oder Jugendalter (Typ 3) zu letalen Komplikationen führen [3].
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Gaucher-Zellen
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Die
mit Glucosylceramid beladenen Gaucher-Zellen spielen vermutlich
eine entscheidende Rolle in der Pathophysiologie. Ihre massive Anwesenheit
an verschiedenen Stellen des Körpers
führt vermutlich
zu einer lokalen Pathologie.
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Gaucher-Zellen
sollten nicht als inerte Behälter
für Glycosphingolipid
angesehen werden. Die Speicherzellen sind lebensfähig, und
das, es sich um aktivierte Makrophagen handelt, sezernieren sie
tatsächlich große Mengen
spezifischer Proteine, wie Hydrolasen und Cytokine. Diese Faktoren
wirken wiederum als pathogenetische Agentien, die lokale Gewebeschäden und
Gewebeerneuerung verursachen. Außerdem fördern von Gaucher-Zellen stammende
Faktoren, wie Cytokine, die Rekrutierung von zusätzlichen aktivierten Makrophagen
(siehe 3 wegen einer schematischen Übersicht).
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Vor
kurzem wurde von uns ein empfindlicher Marke für Gaucher-Zellen entdeckt [4].
Unter Verwendung der Technik der in-situ-Hybridisierung beobachteten
wir, dass Gaucher-Zellen große
Mengen des sekretorischen Enzyms Chitotriosidase, des humanen Analogons
von Chitinasen, die in verschiedenen Spezies vorhanden sind, synthetisieren.
Dies erklärt
die drastische Erhöhung
der Plasma-Chitotriosidase-Spiegel
bei klinisch betroffenen Gaucher-Patienten. Im Mittel sind die Chitotriosidase-Spiegel
im Plasma dieser Patienten etwa 1000mal so hoch wie bei entsprechenden
normalen Probanden. Bei präsymptomatischen
oder asymptomatischen Individuen mit einem vererbten Glucocerebrosidase-Mangel
liegen die Plasma-Chitotriosidase-Spiegel (fast) im normalen Bereich
(siehe Tabelle 2). Interessanterweise wurde erhöhte Plasma-Chitotriosidase-Spiegel
auch bei Patienten mit anderen Sphingolipidosen festgestellt, insbesondere
bei Niemann-Pick-Krankheit [5].
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Es
wurde beobachtet, dass die Konzentration an Glucosylceramid in kultivierten
Makrophagen, die von Monocyten des peripheren Bluts abgeleitet sind,
allmählich
zunimmt. Die Zunahme des Glycolipids ist stärker ausgeprägt, wenn
Zellen in Gegenwart von Condurit-B-epoxid, eines potenten irreversiblen
Inhibitors von Glucocerebrosidase, gezüchtet werden. Nach ungefähr 7 Tagen
Kultur beginnen die Makrophagen Chitotriosidase-mRNA zu produzieren
und das Enzym zu sezernieren [4, 6]. Die Expression des Chitotriosidase-Gens nimmt
anschließend
drastisch zu: nach etwa drei Wochen bildet Chitotriosidase fast
1% des gesamten synthetisierten Proteins, was sich durch den Einbau
von radioaktiv markiertem Methionin zeigt [7]. Die ständige Anwesenheit
von Glucosylceramid oder von Condurit-B-epoxid (einem irreversiblen
Inhibitor von lysosomaler Glucocerebrosidase) im Kulturmedium fördert die
Expression von Chitotriosidase.
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Therapeutischer
Eingriff bei Morbus Gaucher
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Die
spärlichen
und aus Einzelfällen
stammenden Informationen über
die natürliche
Vorgeschichte von Morbus Gaucher deuten darauf hin, dass sich die
klinischen Symptome zwar progressiv entwickeln, die Manifestation
der Krankheit jedoch gewöhnlich
kein allmählicher
Vorgang ist. Im Falle der meisten Patienten entwickeln sich Abnormitäten in einem
bestimmten Alter in einem speziellen Gewebe schnell, können sich
anschließend
für eine
beträchtliche
Zeit stabilisieren, um danach wieder schnell voranzuschreiten. Mit
anderen Worten, der Fortschritt der Krankheit hat ein lokales und
chaotisches Merkmal. Höchstwahrscheinlich
spielen Gaucher-Zellen eine entscheidende Rolle bei diesen lokalen
pathogenetischen Vorgängen.
Die Anwesenheit der aktivierten Speicherzellen induziert lokale
Gewebeschäden
und Gewebeerneuerungen und fördert
die Rekrutierung von aktivierten Makrophagen an diesen Stellen,
was eine chaotische Kaskade von pathologischen Ereignissen einleitet
(siehe 3). Gemäß diesem
Konzept sollte die Unterbrechung oder Verhinderung der pathologischen
Kaskade eine große
günstige
Wirkung haben. Die verschiedenen therapeutischen Ansätze für Morbus
Gaucher, die in Betracht gezogen wurden, werden im Folgenden diskutiert.
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Enzymersatztherapie
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Seit
mehr als dreißig
Jahren wird der Zusatz von humaner Glucocerebrosidase für Makrophagen
von Gaucher-Patienten ernsthaft als therapeutische Option in Erwägung gezogen.
Bemühungen,
eine Therapie für Morbus
Gaucher zu entwickeln, waren wegen der Nichtverfügbarkeit ausreichender Mengen
an reiner humaner Glucocerebrosidase und der schlechten Zielsteuerung
des intravenös
verabreichten Enzyms zu Lysosomen von Gewebemakrophagen viele Jahre
lang weitgehend erfolglos. Erst seit 1990 steht ein effektiver therapeutischer
Eingriff für
Morbus Gaucher zur Verfügung,
der auf der chronischen Versorgung von Patienten mit humaner Glucocerebrosidase
beruht [8]. Durch intravenöse
Infusion wird eine humane Glucocerebrosidase verabreicht, die in
ihren N-gebundenen
Glycanen so modifiziert ist, dass Mannosereste terminal exponiert sind.
Die Modifikation begünstigt
die Aufnahme über
Mannose-Rezeptoren. Die verbesserte Zielsteuerung des modifizierten
("mannoseterminierten") Enzyms zu Lysosomen
von Gewebemakrophagen erfolgt über
eine Mannoserezeptorvermittelte Endocytose. Zur Zeit werden verschiedene
Dosisanweisungen verwendet, die in Bezug auf die Gesamtdosis (15-240
E/kg Körpergewicht/Monat)
und die Häufigkeit
der Verabreichung (dreimal die Woche bis alle zwei Wochen) variieren
(siehe z.B. Lit. 9). Aus humaner Plazenta isolierte Glucocerebrosidase
(Ceredase; Alglucerase) und in CHO-Zellen rekombinant produziertes
Enzym (Cerezym; Imiglucerase) erwiesen sich als gleich wirksam bei
der Umkehrung einiger der klinischen Symptome, die mit der Krankheit verbunden
sind [10].
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Die
am stärksten
ausgeprägten
günstigen
Wirkungen der Enzymersatztherapie sind die Reduktionen des Leber-
und Milzvolumens und die Verbesserungen der hämatologischen Parameter, wie
Hämoglobin-Konzentration
und Thrombocyten- und
Leukocytenzahlen. Ausgeprägte
interindividuelle Unterschiede gibt es in der Geschwindigkeit und
dem Ausmaß der
klinischen Reaktion, selbst unter verwandten Patienten, die mit
derselben Dosierungsvorschrift behandelt werden [9]. Im Allgemeinen
treten die am stärksten
ausgeprägten
klinischen Verbesserungen innerhalb des ersten Jahrs der Behandlung
auf; sie gehen mit einer ausgeprägten
Korrektur der biochemischen Serumabnormitäten einher. Eine vollständige Umkehrung
der klinischen Symptome und eine vollständige Normalisierung der Serumabnormitäten, wie
der erhöhten
Konzentrationen des Angiotensin-konvertierenden Enzyms, der tartratresistenten
Sauren Phosphatase und Chitotriosidase, werden durch die Enzymtherapie
nicht erreicht, nicht einmal im Falle von Patienten, die mehrere
Jahre lang eine hohe Glucocerebrosidase-Dosis erhalten [11]. Die partielle Korrektur
nach der Enzymtherapie steht im Gegensatz zur vollständigen Korrektur,
die bei Patienten festgestellt wird, die einer erfolgreichen Knochenmarkstransplantation
unterzogen wurden.
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Es
gibt noch unvereinbare Ansichten in Bezug auf die optimale Dosierungsvorschrift
für die
Enzymtherapie. Während
Vorschriften mit niedriger Dosierung bei der Erzeugung von hämatologischen
Verbesserungen (fast) genauso erfolgreich sein können wie Vorschriften mit hoher
Dosierung, ist dies in Bezug auf einen Eingriff bei der Knochenkrankheit
noch fraglich.
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Zur
Zeit erhalten mehr als 1500 Patienten eine Enzymtherapie. Diese
neuere Entwicklung hat beträchtliche
wissenschaftliche und öffentliche
Aufmerksamkeit erregt, auch aufgrund der hohen Kosten und der potentiellen
Gefahren, die es dabei gibt. Die mit einer erfolgreichen Therapie
verbundenen Kosten waren bisher außergewöhnlich hoch (100 000 $ bis
400 000 $ pro Jahr pro Patient), was zu der Annahme führt, dass die
Enzymtherapie bei Morbus Gaucher die teuerste Medikamentenbehandlung
für irgendeine
Krankheit ist. Es ist zwar bekannt, dass das Alglucerase-Präparat kleinere
Mengen an HCG und anderer Verunreinigungen enthält, doch deutet die bisherige
Erfahrung darauf hin, dass die Enzymtherapie unbedenklich ist.
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Die
Enzymtherapie bei Morbus Gaucher gilt als Modellfall für die zukünftige Entwicklung
von Behandlungen für
andere seltene genetische Störungen,
ein Punkt, der vielleicht am besten dadurch veranschaulicht wird,
dass im Februar/März
1995 eine Technology Assessment Conference an den National Institutes
of Health in Bethesda, USA, organisiert wurde, die speziell Morbus
Gaucher gewidmet war. Diese Art von Konferenz wird nur organisiert,
wenn es ein außergewöhnlich dringendes
Bedürfnis
im Gesundheitswesen gibt. Während
der Durchführung
der Konferenz befragte ein Gremium von 12 unabhängigen Experten führende Wissenschaftler und Ärzte auf
dem Gebiet von Morbus Gaucher; das Gremium kam zu dem Schluss, dass
die Enzymtherapie eine Umkehrung von mehreren klinischen Symptomen
bewirkt, die mit Morbus Gaucher einhergehen. Weiterhin wurde betont,
dass eine Reduktion der Kosten und der potentiellen Gefahren, die
mit der humanen Proteinersatztherapie verbunden sind, entscheidende
Probleme unter dem Gesichtspunkt der Patienten- und Gesundheitsökonomie
sind [12].
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Andere therapeutische
Ansätze
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Eine
erfolgreiche Behandlung von Morbus Gaucher durch Knochenmarkstransplantation
wurde bei einer begrenzten Zahl von jugendlichen Gaucher-Patienten
erreicht. Die Einführung
der normalen genetischen Information für Glucocerebrosidase in hämatopoetische
Stammzellen führt
zur Bildung von Blutzellen, die Glucosylceramid mit normaler Geschwindigkeit
hydrolysieren können.
Die Tatsache, dass klinische Abnormitäten bei Gaucher-Patienten nach
einer erfolgreichen Knochenmarkstransplantation verschwinden, weist
darauf hin, dass die Anwesenheit von Blutzellen mit normaler Glucocerebrosidase-Aktivität ausreicht,
um die Krankheitssymptome zu verhindern. Leider ist die Anwendbarkeit
der Knochenmarkstransplantation als Behandlung für Morbus Gaucher aufgrund der
beschränkten
Verfügbarkeit
von Knochenmark von passenden Spendern und der beträchtlichen
Morbidität,
die mit diesem Eingriff einhergeht, insbesondere im Falle von Erwachsenen, stark
eingeschränkt.
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In
den letzten Jahren wird die Option einer Gentherapie für Morbus
Gaucher intensiv untersucht. Im Allgemeinen wird der folgende Ansatz
ins Auge gefasst. Pluripotente hämatopoetische
Stammzellen werden isoliert und mit einem Vektor transduziert, der
humane Glucocerebrosidase-cDNA enthält. Nach der erfolgreichen
Transduktion werden die Stammzellen wieder in den Patienten eingeführt. Obwohl
mit Tierversuchen erhaltene Daten vermuten lassen, dass Morbus Gaucher
ein attraktiver Kandidat für
die Gentherapie ist, müssen noch
mehrere große
Probleme gelöst
werden, bevor ein effizienter Eingriff in dieser Art erwartet werden
kann. Ein großer
Nachteil besteht darin, dass die "genetisch korrigierten" Stammzellen und
ihre Nachkommen höchstwahrscheinlich
keinen selektiven Vorteil haben. Es wird daher angenommen, dass
die Gentherapie, um effektiv zu sein, zu einer stabilen Korrektur
eines größeren Anteils
der pluripotenten Stammzellen führen
muss. Wegen einer kritischen Bewertung des Standes der Technik in
Bezug auf die Gentherapie, siehe Lit. 13.
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Ein
gesonderter therapeutischer Ansatz, der für Morbus Gaucher vorgeschlagen
wurde, ist die sogenannte "Substratentzugstherapie" [14–16]. Es
wird argumentiert, dass eine merkliche Reduktion der Synthese von
Glucosylceramid eine günstige
Wirkung haben kann, da die Menge an Glucosylceramid, das durch Makrophagen
abgebaut werden muss, geringer wäre.
Mehrere Inhibitoren der Glucosylceramid-Synthase wurden entwickelt,
z.B. 1-Phenyldecanoylamino-3-morpholino-1-propanol
(PDMP) und sein Analogon 1-Phenyl-2-hexadecanoylamino-3-morpholino-1-propanol
(PPMP) [14], Butyldesoxynojirimycin [15] und Butyldesoxygalactonojirimycin
[16].
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Ein
Nachteil des "Substratentzugs"-Ansatzes besteht
darin, dass von vornherein nicht nur die Synthese von Glucosylceramid,
sondern auch die von komplexeren Glycosphingolipiden gehemmt wird.
Außerdem ist
bekannt, dass die zur Zeit verfügbaren
Inhibitoren der Glucosylceramid-Synthase mehrere wichtige biologische
Wirkungen haben, die ihre Anwendbarkeit als therapeutisches Mittel
einschränken
können.
Zum Beispiel ist bekannt, dass PDMP bei einigen Zelltypen Apoptose
induziert. Von Butyldesoxynojirimycin ist bekannt, dass es auch
die lysosomale Glucocerebrosidase und die α-Glucosidase I hemmt, ein ER-Enzym,
das eine entscheidende Rolle beim Zurechtschneiden von N-verknüpften Glycanen
bei neu gebildeten Glycoproteinen und somit bei der Qualitätskontrolle
der Proteinfaltung spielt. Die antivirale Wirkung von Butyldesoxynojirimycin wird
vermutlich durch dessen inhibitorische Wirkung auf die Glycoprotein-Modifikation
verursacht. Außerdem wurde
vor kurzem berichtet, dass Glucosylceramid-Synthase-Inhibitoren die Synthese des
Enzyms induzieren. Folglich müssten
diese Inhibitoren Gaucher-Patienten chronisch verabreicht: werden,
da ihr Entzug einen abnorm hohen Wert der Glucosylceramid-Synthase-Aktivität und eine
erhöhte
Belastung mit Glucosylceramid zur Folge hätte [14].
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Kurzbeschreibung
der Erfindung
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Diese
Erfindung stellt ein Desoxynojirimycin-Derivat mit einer großen hydrophoben, über eine
Spacergruppe mit dem Stickstoffatom von Desoxynojirimycin verknüpften Gruppe
und dessen Salze bereit, wobei die große hydrophobe Gruppe von einem
polycyclischen Alkohol abgeleitet ist, der drei oder mehr Ringe
enthält, die
je zwei oder mehr Kohlenstoffatome mit einem anderen Ring gemeinsam
haben, und in der Lage ist, sich in Lipid-Doppelschichten einzufügen, und
wobei die Spacergruppe eine Polyalkylenkette mit drei bis acht Kohlenstoffatomen,
vorzugsweise 3 bis 6 Kohlenstoffatomen, am meisten bevorzugt 5 Kohlenstoffatomen,
ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht
die Spacergruppe aus einer Gruppe mit der Struktur -(CH2)n-, wobei n eine ganze Zahl von 3 bis 8,
vorzugsweise 3 bis 6, am meisten bevorzugt 5, ist.
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Die
große
hydrophobe Gruppe ist von einem polycyclischen Alkohol abgeleitet,
der drei oder mehr Ringe enthält,
die jeweils zwei oder mehr Kohlenstoffatome mit einem anderen Ring
gemeinsam haben. Die große hydrophobe
Gruppe ist in der Lage, sich in Lipid-Doppelschichten einzufügen.
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Vorzugsweise
ist die große
hydrophobe Gruppe von einer Verbindung abgeleitet, die aus der Gruppe ausgewählt ist,
die aus Adamantanmethanol, Cholesterin, β-Cholestanol, Adamantanol und
9-Hydroxyphenanthren besteht.
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Diese
Erfindung stellt weiterhin eine pharmazeutische Zusammensetzung
bereit, die ein solches Desoxynojirimycin-Derivat enthält, und
gibt eine Vielzahl von Verwendungen des Desoxynojirimycin-Derivats
für die
Herstellung eines Medikaments für
mehrere therapeutische Verwendungen an.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein schematischer Überblick
der Signalgebung über
Ceramid. TNF-α (Tumornekrosefaktor α), IL-1 (Interleukin-1),
NGF (Nervenwachstumsfaktor), IFN (Interferon-γ) binden an ihre Rezeptoren,
woraufhin eine neutrale Sphingomyelinase Ceramid aus Sphingomyelin
erzeugt. Ceramid aktiviert Protein-Kinasen und Phosphatase, was zu einer
zellulären
Reaktion führt.
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2 zeigt
eine schematische Übersicht
des Stoffwechsels von Ceramid. Dort verwendete Abkürzungen:
Chol = Cholin; Glc = Glucose; GlcCer = Glucosylceramid; GSL = komplexes
Glycosphingolipid; LacCer = Lactosylceramid; SM = Sphingomyelin.
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3 zeigt
die Pathophysiologie von Morbus Gaucher. Lipidbeladene Makrophagen
("Gaucher-Zellen") sezernieren Hydrolasen
und Cytokine, die Gewebeschäden
und Gewebeerneuerung verursachen und die die Rekrutierung von Makrophagen
fördern
und dadurch eine pathologische Kaskade verursachen.
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4 zeigt
ein hypothetisches Modell für
die Pathogenese von Morbus Gaucher und einen Angriffspunkt für einen
Eingriff. Aufgrund der lysosomalen Beeinträchtigung des Katabolismus von
GC (Glucosylceramid) in den Lysosomen ist die Aktivität der nichtlysosomalen
Glucosylceramidase erhöht.
Dies führt
zu einer erhöhten
Produktion von Ceramid (C) und einer damit verbundenen Signalgebung
an den Zellkern. Dies führt zu
einer Produktion und Sekretion von spezifischen Faktoren, die die
pathologische Kaskade fortsetzen. Ein Eingriff in den pathogenetischen
Mechanismus sollte möglich
sein, indem man die Aktivität
von Glucosylceramidase spezifisch hemmt.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Ein neuer therapeutischer
Ansatz: Hemmung der Makrophagenaktivierung
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Zur
Zeit sind enorme Kosten mit der Enzymtherapie verbunden, und die
Wirksamkeit dieses Ansatzes erweist sich als intraindividuell hochgradig
variabel. Die vorliegenden Alternativen für einen therapeutischen Eingriff
sind entweder nur auf eine begrenzte Zahl von Fällen anwendbar (Knochenmarkstransplantation), oder es
wurde tatsächlich
noch nicht gezeigt, dass sie wirksam und unbedenklich sind (Gentherapie
und Substratentzug). Dies hat uns dazu bewogen, nach einer neuen
Option für
den therapeutischen Eingriff zu suchen, die zusätzlich zur Enzymtherapie verwendet
werden kann.
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Gemäß unserer
Ansicht über
die Pathogenese von Morbus Gaucher (siehe 3) bildet
die Aktivierung von Makrophagen, die zur Freisetzung von Hydrolasen
und Cytokinen führt,
einen idealen Angriffspunkt für
einen Eingriff.
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Ein
Mittel, das die Aktivierung von Gaucher-Zellen verhindern kann,
sollte einen therapeutischen Wert haben und sollte überdies
in der Lage sein, die Wirksamkeit der Enzymtherapie zu erhöhen.
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Entwicklung
eines Eingriffs auf der Basis der Hemmung der Makrophagenaktivierung
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Identifizierung
des Angriffspunkts für
den Eingriff
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Um
das gewünschte
therapeutische Mittel entwickeln zu können, musste zuerst der Mechanismus
aufgeklärt
werden, nach dem Gaucher-Zellen in ihren charakteristischen aktivierten
Zustand getrieben werden.
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Im
Verlaufe unserer Untersuchungen erhielten wir zwei entscheidende
Ergebnisse, die es uns ermöglichten,
das ins Auge gefasste Mittel zu entwickeln.
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Erstens
fanden wir einen empfindlichen Marker für den charakteristischen aktivierten
Zustand von Gaucher-Zellen, d.h. die massive Synthese und Sekretion
von Chitotriosidase durch diese Zellen (siehe oben). Dabei ist wichtig,
dass das Potential von Mitteln zur Verhinderung der relevanten Aktivierung
von Makrophagen durch die Analyse ihrer Fähigkeit, die Produktion und
Sekretion von Chitotriosidase durch Makrophagen in Zellkultur zu
hemmen, empfindlich getestet werden kann.
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Zweitens
fanden wir heraus, dass humane Zellen neben der lysosomalen Glucocerebrosidase
noch ein gesondertes Enzym enthalten, das Glucosylceramid zu Glucose
und Ceramid hydrolysieren kann [17].
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Nichtlysosomale
Glucosylceramidase
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Die
Glucosylceramidase unterscheidet sich in vielerlei Hinsicht von
der lysosomalen Glucocerebrosidase. Das Enzym ist im Gegensatz zu
Glucocerebrosidase nicht in Lysosomen lokalisiert; im Gegensatz
zu Glucocerebrosidase besteht bei Morbus Gaucher kein Mangel daran;
es verhält
sich wie ein integrales Membranprotein, während Glucocerebrosidase die
Merkmale eines membranassoziierten Proteins zeigt; und schließlich unterscheidet
es sich von Glucocerebrosidase durch die Spezifität für künstliche
Substrate, Inhibitoren und Aktivatoren. Zum Beispiel kann die Glucosylceramidase
im Gegensatz zu Glucocerebrosidase keine künstlichen β-xylosidischen Substrate hydrolysieren.
Glucocerebrosidase kann durch Condurit-B-epoxid irreversibel gehemmt
werden, im Gegensatz zu Glucosylceramidase, die gegenüber dieser
Verbindung unempfindlich ist. Das lysosomale Aktivatorprotein Saposin
C stimuliert stark die enzymatische Aktivität von Glucocerebrosidase, ist
jedoch ohne Wirkung auf Glucosylceramidase.
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Zur
Funktion von Glucosylceramidase wurde eine wichtige Beobachtung
gemacht. Unter Verwendung einer relativ neuen Technik zur subzellulären Fraktionierung
wurde herausgefunden, dass Glucosylceramidase an der Plasmamembran
oder in frühen
endosomalen Strukturen vorliegt. Mit anderen Worten, die enzymatische
Aktivität
von Glucosylceramidase führt
zur Bildung von Ceramid in der Plasmamembran oder speziellen Ausstülpungen
dieser Membran. Es ist bekannt, dass in der Plasmamembran tatsächlich erhebliche
Mengen an Glucosylceramid vorhanden sind. Folglich könnte die
Aktivität
von Glucosylceramidase zu relevanten Änderungen der Ceramidkonzentration
in solchen zellulären
Membranen führen,
die an der Ceramid-vermittelten Signalgebung beteiligt sind.
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Unter
Verwendung von aus Zellen und Geweben präparierten Membransuspensionen
wurde weiterhin beobachtet, dass das durch die Aktivität der lysosomalen
Glucocerebrosidase aus Glucosylceramid gebildete Ceramid kaum in
Sphingomyelin umgewandelt wird; im scharfen Gegensatz dazu steht
die effiziente Umwandlung des durch die Wirkung von Glucosylceramidase
gebildeten Ceramids in Sphingomyelin. Anscheinend wird das durch
die Glucosylceramidase-Aktivität
gebildete Ceramid innerhalb derselben Membranen schnell weiter metabolisiert,
wie bei einem Lipid, das als vorübergehender
sekundärer
Botenstoff wirkt, zu erwarten ist.
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Auf
der Grundlage dieser Ergebnisse postulieren wir einen neuen Mechanismus
für die
pathologische Aktivierung von Makrophagen bei Morbus Gaucher. In
diesem Modell, wie es in 4 abgebildet ist, wird vorgeschlagen,
dass die lysosomale Beeinträchtigung
des Abbaus von Glucosylceramid bei Individuen mit Glucocerebrosidase-Mangel
auch zu einer erhöhten
Konzentration dieses Glycolipids in Membranen, die Glucosylceramidase
enthalten, führt.
Folglich liegt das Glycolipid dort in einem abnorm hohen Anteil
zu Ceramid hydrolysiert vor. Dieses Ceramid aktiviert Protein-Kinasen
und Phosphatasen, was zur charakteristischen Aktivierung des Makrophagen
und der entsprechenden Produktion und Freisetzung von pathogenetischen
Faktoren führt.
Ein experimenteller Beweis für
dieses Modell, in dem die konstitutiv stimulierte Glucosylceramidase-Aktivität die Makrophagenaktivierung
stimuliert, ist im Folgenden beschrieben.
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Glucosylceramidase-Aktivität als Angriffspunkt
für einen
therapeutischen Eingriff
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Glucosylceramidase
ist ein idealer und neuer Angriffspunkt für die Verhinderung der Aktivierung
von Makrophagen bei Morbus Gaucher. Eine spezifische Hemmung der
Enzymaktivität
würde die
weitere Freisetzung von pathogenetischen Faktoren verhindern und
die pathologische Kaskade unterbrechen, was zu einer therapeutischen
Wirkung führen
würde.
Man kann hoffen, dass die Kombination dieses Ansatzes mit der Enzymersatztherapie
die Wirksamkeit des therapeuti schen Eingriffs merklich verbessern
kann und inzwischen zu einer erheblichen Reduktion der damit verbundenen
Kosten führt.
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Gestaltung
eines spezifischen Inhibitors der Glucosylceramidase-Aktivität
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Die
Eigenschaften der in Membransuspensionen und intakten Zellen vorhandenen
Glucosylceramidase wurden sorgfältig
analysiert, um einen geeigneten Inhibitor für das Enzym zu identifizieren.
In diesem Zusammenhang wurden mehrere wichtige Ergebnisse erzielt.
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Es
wurde beobachtet, dass das Enzym fest in die Membran integriert
ist und sein Substrat Glucosylceramid höchstwahrscheinlich hydrolysiert,
während
dieses ebenfalls in die Membran eingefügt ist. Die Identifizierung
der Lokalisierung von Glucosylceramidase in (Ausstülpungen)
der Plasmamembran ist ebenfalls von Bedeutung.
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Weiterhin
wurden mehrere bekannte Glucosidase-Inhibitoren (D-Gluconolacton,
Castanospermin, Desoxynojirimycin und Butyldesoxynojirimycin) auf
ihre Fähigkeit
getestet, die Glucosylceramidase-Aktivität zu hemmen. Die vielversprechendsten
Inhibitoren waren Desoxynojirimycin und insbesondere Butyldesoxynojirimycin.
Ihre Spezifität
sowie die der anderen getesteten Inhibitoren war jedoch gering.
Zum Beispiel ist die lysosomale Glucocerebrosidase ebenfalls sehr
empfindlich gegenüber
den Inhibitoren, so dass diese für
die Verabreichung an Gaucher-Patienten, die bereits an einem Glucocerebrosidase-Mangel
leiden, unattraktiv sind. Die Inhibitoren würden überdies aufgrund ihrer inhibitorischen
Wirkung auf die verabreichte Alglucerase oder Imiglucerase die Enzymtherapie
von Patienten ernsthaft stören.
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Es
wurde festgestellt, dass die Inkubation von intakten Zellen mit
Desoxynojirimycin oder Butyldesoxynojirimycin in ihrer IC50-Konzentration für Glucosylceramidase (20 bzw.
0,3 μM)
ebenfalls zu einer signifikanten Hemmung der Glucocerebrosidase-Aktivität (etwa
20 bzw. 10%) und zu einer Hemmung der Glucosyl ceramid-Synthase-Aktivität (etwa
30 bzw. 20%) führte.
In demselben Konzentrationsbereich wurde auch eine merkliche Hemmung
der Aktivität
von ER-α-Glucosidase I (Zurechtschneiden
der N-gebundenen Glycane) für mehrere
Zelltypen beschrieben [15].
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Die
negativen Ergebnisse mit bekannten Glucosidase-Inhibitoren bewogen
uns dazu, einen neuen, spezifischeren Inhibitor für Glucosylceramidase
zu gestalten, wobei wir uns die gewonnenen Informationen über die
Merkmale des Enzyms zu Nutze machten.
-
Wir
stellten uns vor, dass der gewünschte
starke und spezifische Inhibitor für die Glucosylceramidase die
folgenden Merkmale haben sollte:
- 1) eine Desoxynojirimycin-Struktureinheit;
ein erwiesener, relativ starker Inhibitor der enzymatischen Aktivität von Glucosylceramidase.
- 2) eine N-Alkyl-Spacergruppe; es zeigte sich, dass die N-Alkylierung
von Desoxynojirimycin dessen Fähigkeit
zur Hemmung von Glucosylceramidase erhöht.
- 3) an die Spacergruppe gekoppelt eine große hydrophobe Gruppe, die sich
leicht in eine Lipid-Doppelschicht, vorzugsweise (Ausstülpungen
der) Plasmamembran, einfügt;
die präferentielle
Einfügung
des Inhibitors in Glucosylceramidase enthaltende Membranen sollte
die in-vivo-Fähigkeit
und Spezifität
des Inhibitors erhöhen.
-
Synthese von
Desoxynojirimycin-Analoga
-
Durch
chemische Synthese wurde eine Reihe von Desoxynojirimycin-Derivaten
hergestellt, um das Konzept zu testen und den idealen Inhibitor
für Glucosylceramidase
zu entwickeln. Auf der Grundlage der oben genannten Merkmale wurde
eine Reihe von Derivaten von Desoxynojirimycin (DNM) des folgenden
Typs synthetisiert (
1):
-
In
dieser Struktur ist X eine gesättigte
Alkankette, und R ist eine große
apolare Gruppe. Verbindungen dieses Typs können synthetisiert werden,
indem man DNM·HCl,
das leicht in sieben Schritten aus der kommerziell erhältlichen
Tetrabenzylglucopyranose [18] erhalten werden kann, in einer reduktiven
Aminierungsreaktion [19] mit dem geeigneten Aldehyd umsetzt (Schema
1).
-
-
Die
Strategie wird beispielhaft anhand der Synthese der folgenden beiden
Verbindungen beschrieben: N-(5-Cholesteroloxypentyl)desoxynojirimycin
(9) und N-(5-Adamantan-1-ylmethoxypentyl)desoxynojirimycin (10)
(Schema 2). Glutaraldehyd (1) wurde also zuerst zum Monoacetal (2)
umgesetzt [20], wobei man einen Ionenaustausch-Katalysator verwendete.
Nach der Reduktion des Monoacetals zum entsprechenden Alkohol (3)
und Umwandlung zum Mesylat (4) lieferte eine Reaktion mit dem geeigneten
Alkohol, wobei ROH Cholesterin bzw. Adamantanmethanol ist, unter
basischen Bedingungen die Acetate 5 und 6. Nach der Freisetzung der
zweiten Aldehydfunktion, d.h. der Bildung der Verbindungen 7 und
8, lieferte eine reduktive Aminierung mit DNM·HCl die Zielverbindungen
9 und 10.
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Quantifizierung
der inhibitorischen Wirkungen von Desoxynojirimycin-Analoga
-
Die
inhibitorischen Wirkungen der verschiedenen Desoxynojirimycin-Analoga
auf die relevanten Enzymaktivitäten
wurden in vitro und in intakten Zellen analysiert.
-
In-vitro-Experimente
-
Zuerst
wurden in-vitro-Experimente mit gereinigten humanen Enzymen und
Membransuspensionen von humanem Gewebe durchgeführt. Die Aufmerksamkeit wurde
auf die Hemmung der Aktivitäten
von lysosomaler Glucocerebrosidase und Glucosylceramidase und derjenigen
der lysosomalen α-Glucosidase
konzentriert. Als Quelle für
Glucosylceramidase wurde eine Membranfraktion aus menschlicher Milz
verwendet. Die Glucosylceramidase-Aktivität wurde als hydrolytische Aktivität gegenüber 4MU-β-Glucosid
in der Membransuspension gemessen, die mit Condurit-B-epoxid vorbehandelt
worden war, um die Aktivität
von Glucocerebrosidase zu beseitigen. Als Quelle für Glucocerebrosidase
diente humanes Plazentaenzym (Ceredase, Genzyme Corp., Boston, USA),
das in der Enzymtherapie verwendet wird. Alternativ dazu wurde die
Glucocerebrosidase-Aktivität in einer
Membranfraktion aus menschlicher Milz bestimmt. Die Glucocerebrosidase-Aktivität wurde
als Hydrolyse von 4MU-β-Glucosid
gemessen, die durch Condurit-B-epoxid hemmbar ist. Die Aktivität der lysosomalen α-Glucosidase
wurde als hydrolytische Aktivität
gegenüber
4MU-α-Glucosidase,
die ein gereinigtes α-Glucosidase-Präparat zeigt,
gemessen.
-
Die
Tabellen 6 und 7 zeigen die Strukturen der getesteten Verbindungen.
Tabelle 3 gibt einen Überblick über die
scheinbaren Ki-Werte der Inhibitoren.
-
Man
erkennt in Tabelle 3, dass Glucosylceramidase durch N-Alkyl-Derivate
von Desoxynojirimycin stark gehemmt wird. Eine optimale Hemmung
wurde für
das N-Pentyl-Derivat festgestellt. N-Hexyldesoxynojirimycin war
ein weniger starker Inhibitor (nicht in Tabelle 3 gezeigt). Die
Anwesenheit einer Carbonylgruppe in der Spacergruppe beeinflusst
die Inhibitionsfähigkeit
negativ.
-
Die
Kopplung einer großen
hydrophoben Gruppe, wie Adamantan (P21) oder Cholesterin (P24),
an eine N-Pentyl-Spacergruppe erhöht die Fähigkeit der Verbindung zur
Hemmung der Glucosylceramidase-Aktivität drastisch.
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Im
Falle einiger Inhibitoren wurden auch IC50-Werte
bestimmt. Die scheinbaren IC50-Werte für P21 und P24
sind äußerst niedrig,
1 nM bzw. 0,1 μM.
Zum Vergleich betragen die IC50-Werte für Desoxynojirimycin
und Butyldesoxynojirimycin 20 μM
bzw. 0,3 μM.
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Tabelle
3 zeigt, dass Glucocerebrosidase im Allgemeinen weniger empfindlich
gegenüber
Desoxynojirimycin-Derivaten ist als Glucosylceramidase.
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Reine
Glucocerebrosidase in Lösung
(Ceredase) und membranassoziiertes Enzym zeigen eine unterschiedliche
Empfindlichkeit gegenüber
den Inhibitoren. Anscheinend unterscheiden sich die kinetischen
Eigenschaften des Enzyms in diesen beiden verschiedenen Zuständen, wie
auch durch den Unterschied im scheinbaren Km-Wert für 4MU-β-Glucosid
nahegelegt wird.
-
Sowohl
die lösliche
als auch die membranassoziierte Glucocerebrosidase werden am stärksten durch Desoxynojirimycin-Analoga
mit einer N-Pentyl-Spacergruppe mit einer daran gekoppelten großen hydrophoben
Gruppe gehemmt.
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Für lösliche Glucocerebrosidase
(Ceredase) betrug der scheinbare IC50-Wert
von P21 0,2 μM,
und der von P24 betrug 0,8 μM;
für die
membranassoziierte Glucocerebrosidase betrugen die scheinbaren IC50-Werte von P21 und P24 0,06 bzw. 0,7 μM.
-
In
Bezug auf die lysosomale α-Glucosidase
zeigte sich, dass Substitutionen bei Desoxynojirimycin im Allgemeinen
eine relativ geringe Wirkung hatten. Die Verbindungen P4, P11, P16,
P9 und P13 waren jedoch sehr schlechte Inhibitoren.
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In-vivo-Experimente
-
Dann
wurde die Fähigkeit
der Desoxynojirimycin-Analoga zur Hemmung der Aktivitäten von
Glucosylceramidase und Glucocerebrosidase in intakten Zellen untersucht.
Die Enzymaktivitäten
wurden so gemessen, wie es in Lit. 17 beschrieben ist. Kurz gesagt,
die Hydrolyse von 4MU-β-Glucosid
durch kultivierte Melanomzellen, die mit und ohne Condurit-B-epoxid
vorinkubiert wurden, wurde bestimmt. Die gegenüber Condurit-B-epoxid empfindliche
Aktivität
kann Glucocerebrosidase und die unempfindliche Aktivität Glucosylceramidase
zugeschrieben werden. Die Ergebnisse dieser Studie sind in Tabelle
4 gezeigt.
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Ein
Vergleich von Tabelle 3 und Tabelle 4 zeigt, dass die Hemmung der
Glucosylceramidase-Aktivität durch
Desoxynojirimycin-Analoga in intakten Melanomzellen ähnlich der
Hemmung ist, die man bei in-vitro-Experimenten unter Verwendung
von Milzmembranpräparaten
beobachtet. Die stärksten
Inhibitoren sind P21 und P24 mit IC50-Werten
von etwa 0,3 nM und 50 nM. Bei diesen oder zehnmal so großen Konzentrationen
ist keine signifikante Hemmung der Glucocerebrosidase-Aktivität nachweisbar,
siehe Tabelle 4.
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Die
inhibitorischen Konstanten von Desoxynojirimycin-Analoga wurden
auch durch die Analyse des Stoffwechsels von C6-NBD-Glucosylceramid
in Melanomzellen bestimmt, wobei wiederum Condurit-B-epoxid eingesetzt
wurde, um zwischen den Aktivitäten
der unempfindlichen Glucosylceramidase und der empfindlichen Glucocerebrosidase
zu unterscheiden. Die mit C6-NBD-Glucosylceramid
als Substrat erhaltenen Ergebnisse waren fast identisch mit denjenigen,
die mit dem fluorogenen 4MU-β-Glucosid-Substrat
erhalten wurden (nicht gezeigt).
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Es
wurde untersucht, bis zu welchem Grad andere Reaktionen gehemmt
wurden, indem man Zellen mit P21 oder P24 in ihrer IC50-Konzentration
für die
Glucosyl ceramidase-Aktivität
inkubierte. Unter diesen Bedingungen wurde bei Rattenhepatocyten
keine Hemmung der Glycogen-Synthase festgestellt; bei kultivierten Melanomzellen
wurde keine Hemmung der Glucosylceramid-Synthase-Aktivität oder der
lysosomalen α-Glucosidase
festgestellt.
-
Wegen
der extremen Empfindlichkeit der Glucosylceramidase gegenüber P21
wurde untersucht, ob die Hemmung durch diese Verbindung irreversibel
sein könnte.
Um dies zu testen, wurden Melanomzellen mit oder ohne P21 vorinkubiert
und anschließend
gründlich
gewaschen. Dann wurden die Aktivitäten von Glucocerebrosidase
und Glucosylceramidase mit 4MU-β-Glucosid
als Substrat bestimmt. Es zeigte sich, dass die Vorbehandlung mit
Inhibitor keine signifikante Wirkung auf die Glucocerebrosidase-Aktivität hatte,
aber zu einem irreversiblen Verlust der Glucosylceramidase-Aktivität führte.
-
Pilotstudie: Wert von
Desoxynojirimycin-Analoga für
einen Eingriff in die Makrophagenaktivierung
-
Die
Wirkung von P21 (N-(5-Adamantan-1-yl-methoxypentyl)desoxynojirimycin)
und Butyldesoxynojirimycin auf Makrophagen in Kultur wurde untersucht.
Die Iminozucker, die in einer Konzentration von 10 mM in DMSO gelöst waren,
wurden durch Verdünnung
mit Kulturmedium in verschiedenen Konzentrationen zu kultivierten
Makrophagen gegeben. Es wurde überprüft, dass
die kleineren Mengen an DMSO, die auf diese Weise eingeführt wurden,
keine Wirkung hatten.
-
Tabelle
5 zeigt die Hemmung der Aktivitäten
von Glucocerebrosidase und Glucosylceramidase durch die Desoxynojirimycin-Analoga
in Makrophagen, gemessen mit C6-NBD-Glucosylceramid als Substrat;
die Wirkungen sind mit denjenigen, die für die Enzyme in Melanomzellen
festgestellt wurden, ganz gut vergleichbar. Tabelle 5 zeigt weiterhin
die Wirkung der Desoxynojirimycin-Analoga auf die Sekretion von Chitotriosidase durch
die Zellen. Man erkennt, dass die Chitotriosidase-Sekretion gleichzeitig
mit der Hemmung der Aktivität von
Glucosylceramidase, aber nicht mit der der lysosomalen Glucocerebrosidase,
reduziert wird. Unter Verwendung von C6-NBD-Ceramid als Substrat
wurde die Glucosylceramid-Synthase-Aktivität in kultivierten Makrophagen
ebenfalls bestimmt. Es wurde festgestellt, dass diese Enzymaktivität durch
die Anwesenheit von 5 μM
Butyldesoxynojirimycin im Kulturmedium, eine Bedingung, die eine
reduzierte Chitotriosidase-Sekretion verursacht, nicht signifikant
gehemmt wird. Außerdem
zeigte sich, dass die Hemmung der Glucosylceramid-Synthase durch
die Gegenwart von PDMP oder PPMP ohne Wirkung auf die Chitotriosidase-Sekretion war.
-
Die
Experimente zeigen also, dass niedrige Konzentrationen von Butyldesoxynojirimycin
und insbesondere P21 dank ihrer spezifischen Hemmung der Glucosylceramidase-Aktivität Makrophagen,
die massiv Chitotriosidase sezernieren (und gleichzeitig andere
Hydrolasen und Cytokine), deaktivieren können. Die Pilotstudie war also
erfolgreich.
-
Anwendungen
der Inhibitoren der Glucosylceramidase-Aktivität
-
Eine
Anwendung für
die neu entwickelten, hochspezifischen Inhibitoren ist im therapeutischen
Eingriff in Morbus Gaucher zu finden. Wie oben diskutiert wurde,
kann erwartet werden, dass die Wirkungen der Inhibitoren auf die
Makrophagenaktivierung eine günstige
Wirkung auf die Pathogenese von Morbus Gaucher hat. Die Verabreichung
von Inhibitoren kann die Wirksamkeit der Enzymtherapie verbessern
und folglich zu einer verbesserten klinischen Antwort und einer
merklichen Reduktion der damit einhergehenden Kosten führen.
-
Eine
günstige
Wirkung könnte
auch von Inhibitoren der Glucosylceramidase-Aktivität im Falle anderer Krankheitszustände ausgeübt werden,
die durch erhöhte
Plasma-Chitotriosidase-Spiegel gekennzeichnet sind, wie Niemann-Pick-Krankheit und Sarcoidose
[4, 5]. Weiterhin ist uns bekannt, dass Schaumzellen bei Atherosklerose
Chitotriosidase überproduzieren.
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Wahrscheinlich
werden Ceramid-vermittelte Signalgebungsvorgänge direkt oder indirekt durch
eine Hemmung der Glucosylceramidase-Aktivität beeinflusst. Die potentiellen
Anwendungen für
die entwickelten Inhibitoren können
daher äußerst vielfältig sein.
Von besonderem Interesse sind Entzündungszustände, die durch TNF-α oder andere
proinflammatorische Cytokine, die Signale über Ceramid geben, hervorgerufen
werden. Beispiele in diesem Zusammenhang sind septischer Schock,
rheumatoide Arthritis und Morbus Crohn.
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Die
Auswahl eines geeigneten Verabreichungswegs und geeigneter Zubereitungen
von pharmazeutischen Zusammensetzungen liegt im Bereich des üblichen
handwerklichen Könnens.
Beispiele für
geeignete Verabreichungswege sind parenterale (intravenöse, subkutane,
intramuskuläre)
Injektionen oder Infusionen, orale Aufnahme und topische Applikation.
Besonders attraktiv ist die Verwendung von öligen Trägern, die eine langsame und
nachhaltige Freisetzung aus dem Behälterpräparat ermöglichen. Die Verwendung eines öligen Trägers ist
im Falle der oralen Aufnahme oder der intravenösen Verabreichung nicht möglich. Im
Falle der oralen Aufnahme erfolgt die Resorption der lipophilen
Verbindung spontan im Magen-Darm-Trakt nach Solubilisierung der
Verbindung in gemischten Micellen und anschließender passiver Diffusion durch
die Enterocytenmembran. Im Falle einer intravenösen Verabreichung können Liposomen
verwendet werden, in die die lipophile Verbindung zuvor eingearbeitet
wurde.
-
Experimentelles
-
5,5-Diethoxypentan-1-ol
(3)
-
Ein
Gemisch von 5,5-Diethoxypentanal (1; 3 g, 17 mmol) und NaBH4 (0.65 g, 17 mmol) in 30 ml EtOH wurde 3
h lang bei Raumtemperatur gerührt.
Das Lösungsmittel
wurde verdampft, und der Rückstand
wurde mit 10% NaOH verrieben und mit CH2Cl2 extrahiert. Die organischen Schichten wurden
vereinigt, getrocknet (Na2SO4),
und das Lösungsmittel
wurde verdampft, was Verbindung 2 ergab, die mit Silicagel-Flash-Chromatographie
und Elution mit Petrolether 60–80/Ethylacetat
1:1 gereinigt wurde (Ausbeute 59%).
1H-NMR(CDCl3): δ 4.47
(t, 1H, J = 5.7 Hz, C-1), 3.70–3.58
(m, 4H, C-5, CH2 Acetal), 3.46 (dq, 2H,
J = 7.1 Hz, 2.3 Hz, CH2 Acetal), 1.65-1.50
(m, 4H, C-2, C-4), 1.41 (m, 2H, C-3), 1.18 (t, 6H, J = 7.1 Hz, CH3 Acetal).
-
Methansulfonsäure-5,5-diethoxypentylester
(4)
-
Zu
einer eisgekühlten
Lösung
von Verbindung 2 (0,3 g, 1,7 mmol) und Triethylamin (0,21 g, 2,0
mmol) in 3 ml CH2Cl2 wurde
Methansulfonylchlorid (0,21 g, 1,9 mmol) gegeben. Nach 1 h Rühren bei
Raumtemperatur wurde das Gemisch mit Wasser gewaschen, und nach
Trocknen über
Na2SO4 wurde das
Lösungsmittel
im Vakuum verdampft, was Verbindung 4 ergab (0,43 g, 1,7 mmol, 100%),
die ohne weitere Reinigung für
die anschließende
Reaktion verwendet wurde.
1H-NMR(CDCl3): δ 4.47
(dt, 1H, J = 5.5 Hz, 2.5 Hz, C-1), 4.21 (dt, 2H, J = 6.5 Hz, 2.7
Hz, C-5), 3.63 (m, 2H, CH2 Acetal), 3.48
(m, 2H, CH2 Acetal), 3.00 (s, 3H, OSO2CH3), 1.77 (m, 2H,
C-2), 1.63 (m, 2H, C-4), 1.47 (m, 2H, C-3), 1.20 (t, 6H, J = 7.0
Hz, CH3 Acetal).
-
1-(5,5-Diethoxypentyloxymethyl)adamantan
(5)
-
NaH
(60% disp., 0,108 g, 2,7 mmol) wurde mit Pentan gewaschen und 1
h lang bei Raumtemperatur mit Adamantanmethanol (0,3 g, 1,8 mmol)
in 5 ml DMF gerührt,
was eine Suspension des Natriumsalzes ergab. Verbindung 4 (0,4 g,
1,6 mmol) wurde hinzugefügt,
und das Gemisch wurde 4 h lang bei 70 °C erhitzt und über Nacht
bei Raumtemperatur gerührt.
Das Gemisch wurde mit einigen Tropfen MeOH behandelt, in Eis gegossen
und mit Diethylether (3 × 15
ml) extrahiert. Nach Trocknen über
Na2SO4 wurde das
organische Lösungsmittel
verdampft, und der Rückstand
wurde durch Flash-Chromatographie mit Petrolether 60–80/Ethylacetat
7:3 gereinigt, was die gewünschte
Verbindung 5 als viskoses Sirup ergab.
5: Ausbeute 34%. 1H-NMR (CDCl3): δ 4.48 (t,
1H, J = 5.7 Hz, C-1 Kette), 3.61 (dq, 2H, J = 7.1 Hz, 2.3 Hz, CH2 Acetal), 3.49 (dq, 2H, J = 7.1 Hz, 2.2
Hz, CH2 Acetal), 3.37 (t, 2H, J = 6.5 Hz,
C-5 Kette), 2.94 (s, 2H, CH2 Adamant.),
1.94 (m, 3H, Adamant.), 1.73–1.51
(m, 16H, C-2, C-4 Kette, Adamant.), 1.45–1.35 (m, 2H, C-3 Kette), 1.19
(t, 6H, J = 7.1 Hz, CH3 Acetal).
-
1-(5,5-Diethoxypentyloxy)-17-(dimethylhexyl)-10,13-dimetyl-2,3,4,7,8,9,10,
11,12,13,14,15,16,17-tetradecahydro-1H-cyclopenta[a]phenanthren
(O-5,5-Diethoxypentyl)cholesterin) (6)
-
NaH
(60% disp., 0,12 g, 3 mmol) wurde mit Pentan gewaschen und 45 min
lang bei 65–70 °C mit Cholesterin
(1,16 g, 3 mmol) in DMF (6 ml) erhitzt, was eine Suspension des
Natriumsalzes ergab. 5,5-Diethoxy-O-methansulfonylpentanol (4) (0,508
g, 2 mmol) wurde hinzugefügt,
und das Gemisch wurde 20 h lang auf 70–75 °C erhitzt. Das DMF wurde verdampft,
und der Rückstand
wurde mit Ether und Wasser extrahiert. Die Etherextrakte wurden
getrocknet (Na2SO4),
und der Rückstand
nach dem Eindampfen wurde durch Flash-Chromatographie (PE 60-80/Ethylacetat 5:1)
gereinigt, was das Produkt als viskosen Sirup ergab (0,63 g, 58%).
1H-NMR(CDCl3): δ 5.31 (m,
1H, C-6 Chol.), 4.45 (t, J = 5.5 Hz, 1H, C-1 Kette), 3.61 (dq, 2H,
J = 7.1 Hz, 2.4 Hz, CH2 Acetal), 3.45 (m,
4H, CH2 Acetal, C-5 Kette), 3.10 (m, 1H,
C-3 Chol.), 2.34 (m, 1H, Chol.), 2.16 (m, 1H, Chol.), 2.07-1.70 (bm, 4H), 1.70–0.75 (bm,
46H, Chol., CH3 Acetal), 0.67 (s, 3H, CH3 Chol.).
-
5-[17-(Dimethylhexyl)-10
13-dimethyl-2,3,4,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17-tetradecahydro-1H-cyclopenta(a)phenanthren-3-yl-oxylpentanal
(5-cholesterylpentanal) (7)
-
5-(Adamantan-1-yl-methoxy)pentanal
(8)
-
Ein
Gemisch des geeigneten Acetals 5, 6 (0,2 mmol) in 3 ml Aceton und
1 ml 5% HCl wurde 1 h lang bei Raumtemperatur gerührt. Verdampfen
des Acetons, Extraktion des Rückstands
mit Ether (3 × 7
ml), Trocknen über
Na2SO4 und Eindampfen
ergab den Aldehyd (quant.), der ohne weitere Reinigung im nächsten Schritt verwendet
wurde.
7: Ausbeute 100%. 1H-NMR (CDCl3): δ 9.77
(s, 1H, CHO), 5.33 (m, 1H, C-6 Chol.), 3.46 (t, 2H, J = 6.1 Hz,
C-5 Kette), 3.11 (m, 1H, C-3 Chol.), 2.46 (dt, 2H, J = 7.2 Hz, 1.4
Hz, C-2 Kette) 2.34 (m, 1H, Chol.), 2.16 (m, 1H, Chol.), 2.05–1.75 (bm,
42H, C-3 C-4 Kette, Chol.), 0.67 (s, 3H, CH3 Chol.).
8:
Ausbeute 100%. 1H-NMR (CDCl3): δ 9.76 (t,
1H, J = 1.7 Hz, CHO), 3.38 (t, 2H, J = 6.2 Hz, C-5 Kette), 2.94 (s,
2H, CH2 Adamant.), 2.46 (dt, 2H, J = 7.2
Hz, 1.7 Hz, C-2 Kette), 1.95 (m, 3H, Adamant.), 1.80–1.45 (m,
16H, C-3, C-4 Kette, Adamant.).
-
1-{5-[17-(Dimethylhexyl)-10,13-dimethyl-2,3,4,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17-tetradecahydro-1H-cyclopenta[a]phenanthren-3-yloxy]pentyl}-2-hydroxymethylpiperidin-3
4 5-triol (N-(5-cholesterylpentyl)desoxynojirimycin(9)
-
Der
Aldehyd 7 (0,118 g, 0,25 mmol) wurde in einer kleinen Menge heißem Ethylacetat
gelöst,
mit Ethanol (etwa 4 ml) verdünnt
und zu einer Lösung
von DNM gegeben, die durch 1 h Rühren
von DNJ·HCl
(0,050 g, 0,2 mmol) und Natriumacetat (0,020 g, 0,25 mmol) in Methanol
(0,4 ml) bei Raumtemperatur hergestellt wurde. NaCNBH3 (0,016
g, 0,25 mmol) wurde bei 0 °C
hinzugefügt,
und die Suspension wurde 18 h lang bei Raumtemperatur und schließlich 1
h lang bei 60 °C
kräftig
gerührt.
Nach Abkühlen
auf Raumtemperatur wurde das Gemisch mit HCl (5%) angesäuert (pH < 1), 1 h lang gerührt und
im Vakuum zur Trockne eingedampft. Der feste Rückstand wurde in einem Gemisch
von CH2Cl2 und Methanol
(1/1, 20 ml) suspendiert, und methanolischer Ammoniak (20%, 2 ml)
wurde hinzugefügt,
gefolgt von Kieselsäure
(etwa 5 g). Das Gemisch wurde im Vakuum (vorsichtig) zu einem rieselfähigen Feststoff
eingedampft, der auf eine Kieselsäuresäule aufgetragen wurde, die
mit dem Eluenten CH2Cl2/MeOH/NH3 in MeOH (20%) = 80/15/5 vorbehandelt worden
war. Die Säule wurde
mit einem 80/15/5-, 75/20/5- bzw. 70/25/5-Gemisch dieses Eluenten
eluiert, was nach dem Eindampfen reine Verbindung 9 ergab (Feststoff,
0,081 g, 0,13 mmol, 65%). Hydrochlorid: Verbindung 9 (0,050 g) wurde
in heißem
Ethanol (20–30
ml) gelöst
und mit 3 Tropfen konz. HCl behandelt.
-
Abdampfen
der Lösungsmittel
ergab das Hydrochlorid als kristallinen Feststoff (quant.), Schmp. 235–238 °C (sublimiert
ab ca. 190 °C).
1H-NMR (D2O): δ 5.36 (m,
1H, C-6 Chol.), 4.10 (d, 1H, J = 12.6 Hz, C-6 DNM), 3.92 (d, 1H,
J = 12.6 Hz, C-6 DNM), 3.73 (m, 1H, C-2 DNJ), 3.61 (m, 1H, C-4 DNJ),
3.52 (t, 2H, J = 6.2 Hz, C-5 Kette), 3.47 (dd, JC-1/C-1 = 12.1,
JC-1/C-2 = 4.8, C-1 äqu.
DNM), 3.39 (m, 2H, C-3 DNM, C-1 Kette), 3.29–3.05 (m, 3H, C-1 Kette, C-3 Chol.,
C-5 DNM), 3.00 (scheinbares t, 1H, J = 11.6 Hz, C-1 ax. DNM), 2.34
(m, 1H, C-4 äqu.
Chol.), 2.15 (m, 1H, C-4 äqu.
Chol.), 2.03 (m, 1H, C-2 Chol.), 1.97–0.80 (bm, 43H, C-2 C-4 C-3
Kette, Chol), 0.72 (s, 3H, CH3 Chol.).
HRMS
(FAB) beobachtete Masse 640.4979 (MNa+),
berechnet für
C38H67NO5Na 640.4917; beobachtete Masse 618.5086
(MH+), berechnet für C38H68NO5 618.5097.
-
1-[5-Adamantan-1-ylmethoxy)pentyl]-2-hydroxymethylpiperidin-3,4,5-triol
(N-[5-Adamantan-1-yl-methoxy)pentyl]desoxynojirimycin)
(10)
-
Eine
Lösung
von Desoxynojirimycin-Hydrochlorid (0,030 g, 0,15 mmol) und wenige μl CH
3COOH in MeOH (2 ml) wurden bei 0 °C zu Verbindung
8 (0,056 g, 0,22 mmol) in MeOH (1 ml) gegeben, und dann wurde NaCNBH
3 (0,014 g, 0,22 mmol) hinzugefügt. Nach
Rühren
bei Raumtemperatur über
Nacht wurde die Reaktion konzentriert, mit 5% HCl (2 ml) behandelt,
1. h lang bei Raumtemperatur gerührt,
und festes Na
2CO
3 wurde hinzugefügt. Die
wässrige
Suspension wurde mit CH
2Cl
2 (3 × 7 ml)
extrahiert, die Extrakte vereinigt, getrocknet (Na
2SO
4) und im Vakuum eingedampft. Das Produkt
wurde durch Silicagel-Flash-Chromatographie (CH
2Cl
2/MeOH/8 N NH
3 in MeOH 70:30:4) gereinigt, was reine Verbindung
10 ergab (0,030 g, 0,08 mmol, 50%). Das resultierende Öl wurde
in 5 ml MeOH gelöst,
und 1 ml 30% Salzsäure
wurde hinzugetropft. Die Lösungsmittel
und das überschüssige HCl
wurden durch gemeinsames Abdampfen mit Methanol entfernt.
1H-NMR (D
2O): δ 4.11 (d,
1H, J = 12.5 Hz, C-6 DNM), 3.98 (d, 1H, J = 11.6 Hz, C-6 DNM), 3.82
(m, 1H, C-2 DNM), 3.69 (t, 1H, J = 9.6 Hz, C-4 DNM), 3.62- 3.45 (m, 4H, C-1 äqu., C-3
DNM, C-5 Kette), 3.36 (m, 1H, C-1 Kette), 3.21 (m, 2H, C-5 DNM,
C-1 Kette), 3.08 (m, 3H, C-1 ax. DNM, CH
2 Adamant.),
1.95 (m, 3H, Adamant.), 1.90–1.56
(m, 10H, C-2, C-4 Kette, Adamant.), 1.52–1.30 (m, 8H, C-3 Kette, Adamant.).
HRMS (FAB) beobachtete Masse 420.2745 (MNa
+),
berechnet für
C
22H
39NO
5Na 420.2726; beobachtete Masse 398.2905
(MH
+), berechnet für C
22H
40NO
5 398.2906. Tabelle
1. Übersicht über vererbte
Sphingolipidosen beim Menschen
-
Tabelle 2. Chitotriosidase-Aktivität in Plasma
und Leukocyten
-
Die
Chitotriosidase-Aktivität
in Plasmaproben von Kontrollprobanden, asymptomatischen Morbus-Gaucher-Patienten
und symptomatischen Morbus-Gaucher-Patienten wurde gemäß der Beschreibung in Lit.
4 bestimmt. Individuen mit Chitotriosidase-Mangel sind in der Tabelle
nicht mit enthalten.
-
-
Tabelle 3. Scheinbare
Ki-Werte verschiedener Glycosidasen
-
Ki-Werte
wurden durch Variation der Substratkonzentration bei fester Inhibitorkonzentration
und unter der Annahme einer kompetitiven Hemmung und Michaelis-Menten-Kinetik
bestimmt. Alle Konstanten sind in μM ausgedrückt. (–) impliziert, dass bei einer
Inhibitorkonzentration von 100 μM
keine Hemmung festgestellt wurde. Die Strukturen der getesteten
Inhibitoren sind in den Tabellen 6 und 7 abgebildet.
-
Die
Aktivität
von Ceredase gegenüber
4MU-β-Glucosid
wurde in Anwesenheit von 0,25% (w/v) Natriumtaurocholat und 0.1%
(v/v) Triton X-100 in Citrat/Phosphat-Puffer (pH 5.2) bestimmt.
Die Aktivitäten
von Glucocerebrosidase und Glucosylceramidase in Membransuspensionen
gegenüber
4MU-β-Glucosid
wurden in Citrat/Phosphat-Puffer (pH 5.2) bestimmt. Condurit-B-epoxid
wurde eingesetzt, um zwischen den beiden Enzymen zu unterscheiden.
Die Aktivität
von lysosomaler α-Glucosidase
gegenüber
4MU-α-Glucosid
wurde in Citrat/Phosphat-Puffer bei pH 4,0 bestimmt.
-
-
Anmerkung:
-
Die
scheinbaren IC50-Werte von P21 und P24 für lösliche Glucocerebrosidase
(Ceredase) betrugen 0,2 bzw. 0,8 μM.
-
Die
scheinbaren IC50-Werte von P21 und P24 für Glucocerebrosidase
in Membransuspension betrugen 0,06 bzw. 0,7 μM.
-
Die
scheinbaren IC50-Werte von P21 und P24 für Glucosylceramidase
betrugen 1 nM bzw. 0,1 μM.
-
Tabelle 4 In-vivo-Hemmung
durch Desoxynojirimycin-Analoga
-
Melanomzellen
wurden mit verschiedenen Konzentrationen von Inhibitoren inkubiert,
um ihren IC50-Wert (d.h. die Inhibitorkonzentration,
die zu 50% Hemmung führt)
zu bestimmen. Aktivitäten
von Glucosylceramidase und Glucocerebrosidase wurden gemäß der Beschreibung
in Lit. 17 bestimmt. NI = keine signifikante Hemmung bei 1 μM Inhibitor
nachweisbar.
-
-
Tabelle 5. Wirkung von
DNJ-Analoga auf kultivierte Makrophagen
-
Humane
Makrophagen, die gemäß der Beschreibung
in Lit. 4 erhalten und kultiviert wurden, wurden mit unterschiedlichen
Konzentrationen von Butyldesoxynojirimycin (BDNJ) oder N-5-Adamantan-1-yl-methoxypentyl)desoxynojirimycin
(P21) inkubiert. Nach 4 Tagen Vorinkubation mit Inhibitor wurden
die Aktivitäten von
Glucosylceramidase und Glucocerebrosidase mit C6NBD-Glucosylceramid als
Substrat bestimmt [17], und gleichzeitig wurde die freigesetzte
Chitotriosidase im Medium bestimmt [4]. Die Enzymaktivitäten und
die Chitotriosidase-Sekretion in Gegenwart von DNJs werden auf die
Werte in Abwesenheit von Inhibitor (100%) bezogen.
-
-
Anmerkung:
-
Die
Aktivität
der Glucosylceramid-Synthase wird bei 5 μM B-DNJ oder 1 nM P21 nicht
signifikant gehemmt. Während
die Aktivität
der Glucosylceramid-Synthase in Anwesenheit von PDMP oder PPMP stark
gehemmt wird, führt
letztere nicht zu einer reduzierten Chitotriosidase-Sekretion. Tabelle
6. N-Alkyldesoxynojirimycin-Derivate (Vergleichsbeispiele)
DNJ R = -H
N-Propyl-DNJ R = -(CH
2)
2-CH
3 N-Butyl-DNJ
R = -(CH
2)
3-CH
3 N-Pentyl-DNJ R = -(CH
2)
4-CH
3 N-Hexyl-DNJ
R = -(CH
2)
5-CH
3 N-Pentanoyl-DNJ R = -CO-(CH
2)
3-CH
3
-
Tabelle 7. N-Komplex-Desoxynojirimycin-Derivate
(siehe nächste
Seite)
-
Namen
der großen
apolaren Gruppen: 1. Adamantanmethanol; 2. Adamantanol; 3. 9-Hydroxyphenanthren;
4. Cholesterin; 5. β-Cholestanol;
6. Adamantanmethanol; 7. Cholesterin.
-
In
Struktur 1–5
sind die großen
apolaren Gruppen durch eine Kette, die zwei Carbonylgruppen trägt, mit
DNJ verknüpft.
Diese beiden Gruppen sind in Struktur 6 und 7, die Beispiele gemäß der Erfindung
darstellen, durch Methylengruppen ersetzt.
-
-
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-
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