Arbeitsgebiete / Forschung

Chemische, biochemische, pharmakologische und toxikologische Aspekte der Biotransformation stickstoffhaltiger funktioneller Gruppen


Fast alle organischen Arzneistoffe enthalten Stickstoffe in Form der verschiedensten funktionellen Gruppen. Somit sind metabolische Änderungen an Stickstoff-Funktionen von großer Bedeutung. Neben oxidativen Prozessen (N-Oxidation bzw. N-Oxygenierung) sind gerade Reduktionen der Stickstoffe in den Mittelpunkt unseres Interesses gerückt.
Die folgende Übersicht gibt stichwortartig die Durchführung der einzelnen Studien mit den verschiedensten Aspekten wieder:
 

Aspekt Vorgehen
A. Chemische

1. Synthese möglicher Produkte der N-Oxygenierung bzw. der N-Reduktion 
2. Analytik der möglichen Metaboliten

B. Biochemische

3. In-vitro Metabolisierungsstudien (Hepatozyten, mikrosomale Fraktionen, gereinigte Enzyme in rekonstituierten Systemen) 
4. An neuen Metabolismuswegen beteiligte Enzyme (Identifizierung, ggf. Reinigung, molekularbiologische Gewinnung) 
5. Strukturabhängigkeit von neuen N-Oxygenierungen bzw. der N-Reduktionen 
6. Mechanismen der N-Oxygenierung bzw. der N-Reduktion 
7. Konzepte der Vorhersagbarkeit der N-Oxygenierung bzw. der N-Reduktion 
8. Metabolismus in den verschiedenen Zellkompartimenten und Organen

C. Pharmakologische

9. In- vivo Metabolismusstudien 
10. Wirksamkeit von neuen Metaboliten,

D. Toxikologische

11. Toxische Eigenschaften neuer Metaboliten

Innerhalb der Metabolismusstudien werden vornehmlich humane Enzymquellen aber auch solche aus dem Schwein eingesetzt. Schweineleber zu Metabolismusstudien wurde als Modell etabliert.

Eine Reduktion der korrespondierenden N-hydroxylierten Derivate konnte sowohl für Amidine, Guanidine, Amidinohydrazone und Hydroxylamine aufgefunden werden. Das dafür verantwortliche Enzymsystem wird mittlerweise als Benzamidoxim-Reduktase bezeichnet. Es besteht aus Cytochrom b5, Cytochrom b5-Reduktase und einem weiterem dritten Enzym. Für das mitochondriale Enzymsystem konnte das dritte Enzym als ein Molybdoenzym identifiziert werden. Das Reduktase-Enzymsystem trägt durch Reduktion zur Entgiftung von Hydroxylaminen bei. Das Molybdoenzym war bisher völlig unbekannt und seine Funktion im Menschen wird zur Zeit untersucht.
 

Prodrugs    

    
Es wurden Derivate des Pentamidins und ähnlicher Verbindungen synthetisiert, die N-hydroxylierte Derivate der Arzneistoffe darstellen. Diese N-hydroxylierten Derivate eignen sich hervorragend als Prodrugs der zugehörigen nicht N-oygenierten Stickstoffderivate. Die N-hydroxylierten Derivate haben den Vorteil, dass sie unter physiologischen Bedingungen nicht protoniert vorliegen und einer Absorption aus dem Gastrointestinaltrakt durch Diffusion unterliegen. In der Leber und anderen Organen werden sie dann durch die Benzamidoxim-Reduktase in die eigentliche Wirkform überführt. Bei allen Studien zeigt sich immer wieder, dass – vor allem bei stark basischen stickstoffhaltigen funktionellen Gruppen – die Reduktion der N-oxygenierten Verbindungen gegenüber der N-Hydroxylierung dominiert. Mittlerweile nutzen ca. 50 Arzneistoffkandidaten weltweit das Prodrug-Prinzip Amidoxime (N-Hydroxyamidine) an Stelle von Amidinen. Ximelagatran erreichte Marktreife, viele finden sich in fortgeschrittenen klinischen Studien. An der Entwicklung vieler dieser Verbindungen (z.B. Ximelagatran, WX-671) war und ist der Arbeitskreis beteiligt.

 NO-Stoffwechsel und dessen Modulierung   


N-Hydroxylierte Derivate von Amidinen, Guanidinen und Amidinohydrazonen werden durch P450-Enzyme auch in Stickstoffmonoxid (NO) und entsprechende Amide, Harnstoffe und Semicarbazone überführt. Diese Reaktion kann man in Analogie zur physiologischen Freisetzung von NO aus N-Hydroxy-L-arginin durch NO-Synthasen ansehen. Es wurden Konzepte entwickelt, die zeigen, dass die Mechanismen von NO-Synthasen und fremdstoffmetabolisierenden P450-Enzymen vergleichbar sind. In vivo spielt diese Reaktion aber keine Rolle, da die Reduktion von N-Hydroxyguanidinen analog zur Reduktion von Amidoximen (N-Hydroxyamidine) absolut dominierend ist. Es wurde auch erstmalig, in Analogie zu der Reduktion von nicht-physiologischen Verbindungen, die Reduktion von N-Hydroxy-L-arginin zu Arginin aufgefunden. Hierdurch wird der NO-Stoffwechsel signifikant beeinflusst.

Zur Modulierung des NO-Stoffwechsels werden Inhibitoren von NO-Synthasen, Arginase und Dimethylarginindimethylaminhydrolase (DDAH) synthetisiert und getestet. Hierbei sind vor allen Dingen N δ-alkylierte Verbindungen von Argininderivaten in den Mittelpunkt des Interesses gerückt. Für diese Verbindungsklasse wurden neue synthetische Konzepte entwickelt.

 Neue Phenanthridine

  
Die Prognose des Pankreasadenokarzinoms ist bis heute unverändert schlecht und es ist dringend notwendig, neue Wirkstoffe zu erforschen. Unser Augenmerk ist auf Benzo[c]phenanthridine gerichtet, bei denen wir bereits in-vitro-Effekte auf Pankreaskarzinomzellen entdecken konnten.
Die synthetische Herstellung und biologische Testung von solchen Verbindungen ist von großem Interesse, weil die Isolierung aus pflanzlichen Materialien nur in sehr geringen Mengen möglich ist. Im Gegensatz zu den bereits bekannten Synthesen lassen sich Benzo[c]-phenanthridin-Derivate über einen von uns entwickelten sehr kurzen und effizienten Syntheseweg herstellen.
Es sollen weitere Derivate synthetisiert und beim NCI (National Cancer Institute, Bethesda, Maryland, USA) auf ihre biologische Aktivität getestet werden, um eine umfassende Übersicht über die Struktur-Wirkungs-Beziehungen zu erhalten. Die besten Verbindungen sollen auf ihre Effekte auf Pankreaskarzinomzellen untersucht und Wirkmechanismen aufgeklärt werden.
Ein weiterer Aspekt ist die Erhöhung der Wasserlöslichkeit der Benzo[c]phenanthridin-Derivate, da eine gute Löslichkeit sowohl für den Einsatz der Verbindungen in Testsystemen als auch für einen eventuellen therapeutischen Einsatz in der Krebstherapie von Vorteil wäre.