Die dritte Generation von Histamin-H2-Rezeptor-Antagonisten wie Cimetidin, Ranitidin und Famotidin wird häufig zur Behandlung von Zwölffingerdarm- und Magengeschwüren, gastroösophagealer Refluxkrankheit und pathologischen hypersekretorischen Störungen wie dem Zollinger-Ellison-Syndrom eingesetzt.
Famotidin enthält eine Sulfonamid-Einheit, ein Bioisoster der Sulfonamid-Gruppe, eine zinkbindende Gruppe, die in Carboanhydrase-Inhibitoren (AC, EC 4.2.1.1) (IAC) vorhanden ist. Die Auswirkungen von Famotidin auf diese Zinkmetalloenzyme wurden jedoch nur wenig untersucht. ACs sind allgegenwärtige Metalloenzyme, die die reversible Hydratation von Kohlendioxid zu Bicarbonat und Protonen katalysieren.
Beim Menschen gibt es 15 verschiedene α-Isoformen mit sehr unterschiedlicher subzellulärer Lage und Gewebeverteilung.
Es gibt mehrere zytosolische Isoformen (hAC I−III, VII, XIII), vier membrangebundene Isoenzyme (AC IV, IX, VI, abgesehen von drei katalytischen (AC VIII, X und XI).
Diese Enzyme haben wesentliche physiologische/pathologische Funktionen bei der Säure-Basen-Homöostase, der Elektrolytsekretion und dem Ionentransport, da sie Bikarbonat liefern und den pH-Wert bei der Produktion von Magensäure in den Belegzellen des Magens sowie bei der Produktion von Galle regulieren. Pankreassaft, intestinaler Ionentransport, Schutz des Verdauungstrakts vor extremen pH-Werten (zu sauer oder zu basisch).
In diesem speziellen Kontext untersuchten die Autoren, ob Famotidin AC-hemmende Wirkungen zeigt. In die Studie wurden alle katalytisch aktiven Isoformen von AC vom Menschen (hAC I–XIV) sowie die beiden ACs des Bakteriums Helicobacter pylori (α-HpAC, β-HpAC), dem ätiologischen Erreger der Magengeschwüre, einbezogen . Sie berichten auch über die Struktur von Famotidin, die durch Röntgenstrahlen im Komplex mit hCA I und hCA II bestimmt wurde, was es ermöglicht, interessante Aspekte im Zusammenhang mit seinem Mechanismus der AC-Hemmung zu entschlüsseln.
Das Hemmprofil der zytosolischen Isoformen war bei Famotidin sehr unterschiedlich. Die Isoform, die mit diesem Arzneimittel am empfindlichsten auf die Hemmung reagierte, war hAC VII mit einer Hemmkonstante K i von 3,0 nM. Allerdings zeigten die beiden am weitesten verbreiteten zytosolischen Isoformen hAC I und hAC II mit dieser Verbindung eine sehr unterschiedliche Hemmung: hAC II wurde effektiv gehemmt (K i 57,9 nM), während hAC I mehr als zehnmal weniger empfindlich auf die Hemmung mit Famotidin reagierte im Verhältnis zu hAC II, mit einem K i von 922,4 nM.
Famotidin war ein mäßiger Inhibitor der hAC XIII-Isoform (K i 171,5 mM) und verlor seine gesamte Aktivität gegen hAC III mit einem K i > 10 μM. Die beiden mitochondrialen Isoformen (hAC VA und VB) wurden durch dieses Sulfamid-Arzneimittel im mikromolaren Bereich nur schwach gehemmt (K beträgt 1,4 bzw. 5,3 μM).
Die membrangebundenen Isoformen zeigten wie die oben genannten zytosolischen ein heterogenes Hemmmuster. hAC
Das zweite in hypoxischen hAC IX-Tumoren überexprimierte Enzym wurde jedoch durch Famotidin mit einem K i von 126,3 nM weniger gehemmt. Die letzten beiden mit der Membran assoziierten hAC-Isoformen IV und XIV wurden dagegen durch dieses Medikament im hohen nanomolaren Bereich (K i 938,8 und 677,2 nM) schwach gehemmt.
H. pylori , ein gramnegatives Bakterium, das bei einem relativ neutralen pH-Wert gedeiht, ist nachweislich die Ursache für chronische Gastritis, Magengeschwüre und in jüngerer Zeit auch Magenkrebs. Dieses Magenbakterium kodiert für zwei AC-Klassen, eine α- und eine β-Klasse. Beide Enzyme sind für ihr Überleben im sauren Milieu des Magens unerlässlich und neuere Studien zeigten, dass Sulfonamide das Wachstum des Keims in vitro und in vivo blockieren.
Im Falle einer Störung dieser Enzyme könnte Famotidin als neues pharmakologisches Mittel zur Behandlung resistenter H. pylori eingesetzt werden . Aus diesem Grund wurden Hemmstudien an den beiden bakteriellen ACs durchgeführt. Das Enzym der α-Klasse wurde durch diese Verbindung wirksam gehemmt, mit einer Hemmkonstante von 20,7 nM, vergleichbar mit dem in der Klinik verwendeten Acetazolamid (AAZ).
Allerdings wurde hpβCA durch Famotidin weniger wirksam gehemmt (K i von 49,8 nM), aber auch bei diesem Enzym war die Aktivität mit der von AAZ vergleichbar. Famotidin war gegen H. pylori-Enzyme wirksamer als die beiden dominanten humanen zytosolischen Isoformen (hAC I und hAC II), während AAZ für beide ein wirksamer Inhibitor war.
Unter Berücksichtigung der reichlichen Lokalisierung von zytosolischem hAC I und II im Verdauungstrakt sowie ihrer wesentlichen Funktionen bei der pH-Regulierung wurden hochauflösende Röntgenkristallstrukturen von Famotidin-Addukten mit diesen Enzymen erhalten, um die Bindung im Detail zu kennen Wirkungsweisen der Droge.
Die Untersuchung der anfänglichen Fo-Fc-Elektronendichtekarten beider aktiver Zonen zeigte eine wohldefinierte Elektronendichte, die vollständig mit der Anwesenheit von Famotidin vereinbar ist, und enthüllte überraschenderweise zwei mögliche Konformationen des Arzneimittels für beide Addukte.
Famotidin koordiniert das katalytische Zinkion der beiden AC-Isoformen über ein Stickstoffatom der Sulfonamidgruppe und verdrängt dabei das an das Zink-/Hydroxidion gebundene Wassermolekül, wodurch wie bei anderen Sulfonamidverbindungen eine teraedrische Metallionenkoordinationsgeometrie entsteht.
Der hAC I/Famotidin-Komplex zeigte zwei unterschiedliche Orientierungen des Inhibitors. Die erste, grün dargestellt, zeigte verschiedene Wasserstoffketten, die das Enzym-Inhibitor-Addukt stabilisierten, wie zum Beispiel diejenigen, die den Guanidinschwanz und Asn69 oder das Stickstoffatom in der Nähe der Sulfonamidfraktion sowie Thr199 und His200 beeinflussen. Hydrophobe Wechselwirkungen waren in diesem Komplex jedoch nahezu nicht vorhanden.
Es wurde nur eine solche Wechselwirkung zwischen Leu198 und der Methylenkette von Famotidin gefunden. Die entgegengesetzte Ausrichtung der zweiten Struktur (in Lila) zeigte überraschenderweise keine Wechselwirkung mit den Proteinseitenketten.
Eine völlig andere Situation wurde bei der Analyse der hCA II-Aktivzone beobachtet. Es wurden erneut zwei mögliche Ausrichtungen von Famotidin beobachtet, die beide im hydrophoben Bereich liegen, der durch eine kleine Tasche begrenzt wird, die durch die Seitenketten von Phe131, Leu198 und Pro201 ausgerichtet ist. Der Thiazolring einer Orientierung von Famotidin bildete starke hydrophobe Wechselwirkungen mit diesen Resten und eine Wasserbrücke mit Pro201 über das Stickstoffatom von Azomethin.
Dieser Teil des Moleküls war in zwei Konformationen unterschiedlich ausgerichtet: In der einen ist das Stickstoffatom mit Thr199 und Thr200 an mehreren Wasserstoffketten beteiligt. Im zweiten Fall wurde eine entgegengesetzte Ausrichtung des Stickstoffs beobachtet, ohne Wechselwirkungen mit dem Protein. Schließlich ist der Sulfonamid-Sauerstoff mit Thr200 an einer verzweigten Sauerstoffkette beteiligt. Für den Guanidinschwanz der Konformation fehlte die Elektronendichte und wurde im komplexen Modell nicht dargestellt.
Die strukturelle Überlagerung zwischen den hAC I- und hAC II-Komplexen zeigt, dass die Sulfa-Einheiten von Famotidin zwar durchaus überlagerbar sind, die beiden aliphatischen Schwänze jedoch unterschiedliche Orientierungen und folglich unterschiedliche Wechselwirkungen mit den Aminosäureseitenketten der beiden aktiven Zonen aufweisen. Es wurde festgestellt, dass Phe131 in hCA II für die Platzierung von Famotidin in der lipophilen Seite des Hohlraums des aktiven Zentrums essentiell ist, was stark mit der Hemmwirkung dieses Arzneimittels gegen hCA II zusammenhängt.
Das Vorhandensein von Leu131 in hCA I führte jedoch zu einer lockeren Wechselwirkung der Van-der-Waals-Kräfte, die Famotidin nicht in Richtung der lipophilen Seite der aktiven Zone drückte, was zu zwei entgegengesetzten Orientierungen der Struktur und wenigen hydrophoben Wechselwirkungen führte. mit der aktiven Zone. Diese Eigenschaften spiegeln den Verlust der Hemmwirkung gegenüber dieser Isoform im Vergleich zu hCA II wider.
Zusammenfassend wurde das Hemmmuster von Famotidin gegen alle aktiven menschlichen ACs analysiert . Besondere Wirksamkeit zeigt das Medikament bei den zytosolischen Isoformen hAC II und hAC VII. Darüber hinaus wurden auch bakterielle Enzyme von zwei Klassen von H. pylori (hp α AC und hp β AC) durch dieses Arzneimittel stark gehemmt, was die Möglichkeit erhöht, dass die wirksame antiulzerative Wirkung von Famotidin nicht nur auf seine antagonistische Wirkung zurückzuführen ist. des H2-Rezeptors, sondern auch, weil durch die Hemmung der bakteriellen AC das Überleben des Keims in der Magennische beeinträchtigt wird, wie bereits für Acetazolamid gezeigt wurde. Diese Verbindung wurde mit einigem Erfolg als Mittel gegen Geschwüre eingesetzt, aber ihre Nebenwirkungen aufgrund der Hemmung von AC in anderen Geweben schlossen eine Verbreitung ihres klinischen Einsatzes aus. Famotidin ist ein deutlich isoformselektiveres IAC als Acetazolamid und hemmt außerdem wirksam bakterielle AC. Daher schlagen die Autoren dieses Artikels es als neues Beispiel für die Entwicklung von Antiinfektiva mit einem multifaktoriellen Wirkmechanismus vor. |
