Inhibitors of Human and Malaria Parasite Dihydroorotate Dehydrogenase

Abstract: Popular Abstract in Swedish Pyrimidiner är DNA-byggstenar som är essentiella för cellens överlevnad och delning. I mänskliga celler finns pyrimidiner att tillgå antingen genom återupptag eller genom biosyntes (nysyntes). Biosyntesen av pyrimidiner sker i flera steg och i ett av dem spelar enzymet Dihydroorotat dehydrogenas (DHODH) en avgörande roll genom att katalysera en oxidationsreaktion. När cellen är i vila tillgodoses cellens behov av pyrimidiner huvudsakligen via återupptag men när celldelningen är mycket omfattande fylls behovet genom biosyntes. Om nysyntesen hämmas t.ex. genom att blockera DHODH, bromsas den snabba celldelning, vilket kan utnyttjas för utveckling av läkemedel för att t.ex. bota cancer eller undertrycka oönskat immunsvar vid autoimmuna sjukdomar eller transplantation. I delarbete I och II vidareutvecklades kemiska fragment som visat sig hämma humant DHODH. Programmet omfattade design och syntes av expanderade fragment följt av analys av de tillverkade substansernas förmåga att hämma DHODH-enzymet. Potenta hämmare (s.k. inhibitorer) identifierades inom tre substansklasser, där de bästa substanserna kan betraktas som mycket lovande läkemedelskandidater. Malaria parasitens DHODH är ett attraktivt mål för läkemedelsutveckling. Parasiten, till skillnad från människan, kan inte ta upp pyrimidiner från omgivningen och biosyntesen av pyrimidiner är därmed livsnödvändig. En oroväckande snabb utveckling av resistens hos malariaparasiten mot befintliga läkemedel utgör ett stort globalt problem och understryker ett behov att finna nya malarialäkemedel med nya verkningsmekanismer, där DHODH är ett tänkbart målenzym. Det övergripande målet för doktorandarbetet var att identifiera nya substansklasser som är verksamma mot malaria genom att selektivt blockera DHODH hos malaria parasiten Plasmodium falciparum (Pf). För att hitta nya kemiska startpunkter mättes hämningen av P. falciparum parasitens DHODH på cirka 150 humana enzyminhibitorer, bl.a. de som identifierade i delarbete I och II. Med hjälp av dessa data och med kännedom om hur substanserna binder till enzymet öppnades möjligheten att syntetiskt modifiera och omvandla funna startmolekyler till malaria hämmare. I delarbete III optimerades en substansklass, salicylamider, från att vara mediokra hämmare av både humant och parasitiskt enzym till att selektivt hämma P. falciparum DHODH. Med en salicylamid som kemisk startpunkt, syntetiserades substanser med metodiskt varierade kemiska grupper i olika positioner. Hämning av malaria enzymet mättes och resultatet utvärderades i en datormodell, där strukturen hos substanserna kunde jämfördes med dess passform i enzymets bindningsficka. Strukturen hos parasitens enzym har nyligen kartlagts (2005) och kan nu jämföras med strukturen hos det humana, vilket banar väg för design av nya molekyler med selektiv verkan mot P. falciparum DHODH. I delarbete IV beskrivs framtagandet av två nya klasser enzyminhibitorer, 4-aminopyranoner och 4-aminokumariner. Dessa designades med P. falciparum enzymets struktur som utgångspunkt, s.k. ”de novo” design. En ny kemisk startpunkt togs fram som i en datormodell bedömdes ha god passform i enzymets bindningsficka och därmed hypotetiska möjligheter att hämma P. falciparum DHODH. Syntesen av olika derivat utifrån den nya kemiska startpunkten ledde till tre olika klasser, varav 4-aminopyranoner och 4-aminokumariner innehöll substanser som hämmade enzymet vid koncentrationer runt en mikro-molar och därunder. Selektiviteten för P. falciparum DHODH jämfört med humant DHODH var mycket god, över 100 gånger för de bästa hämmarna. Förmågan hos några substanser att hämma parasiternas tillväxt i celler från humant blod bestämdes också, och visade även här en god aktivitet. Slutligen konstaterades att toxiciteten på en typ av immunceller (Jurkat T-celler) var låg. Sammanfattningsvis, uppnåddes doktorandarbetets mål genom att potenta hämmare av P. falciparum DHODH enzymet upptäcktes som visar lovande resultat på levande celler utan att riskera undertrycka människans immunförsvar via det humana DHODH enzymet. 4-Aminopyranonerna och 4-aminokumarinerna är lovande läkemedelskandidater redo att gå vidare för utvärdering av andra läkemedelsrelevanta egenskaper, såsom t.ex. metabolisk och kemisk stabilitet, vilket sannolikt kommer leda till att ytterligare designarbete och syntes.