Inhibidor de metaloproteasas - Metalloprotease inhibitor
Los inhibidores de metaloproteasas son inhibidores celulares de las metaloproteinasas de la matriz (MMP). Las MMP pertenecen a una familia de endopeptidasas neutras dependientes de zinc . Estas enzimas tienen la capacidad de descomponer el tejido conectivo . La expresión de MMP aumenta en diversas afecciones patológicas como afecciones inflamatorias , enfermedad ósea metabólica, invasión del cáncer , metástasis y angiogénesis . Ejemplos de enfermedades son periodontitis , hepatitis , glomerulonefritis , aterosclerosis , enfisema , asma , trastornos autoinmunes de la piel y fotoenvejecimiento dérmico, artritis reumatoide , osteoartritis , esclerosis múltiple , enfermedad de Alzheimer , ulceraciones crónicas, involución uterina, defectos del epitelio corneal , resorción ósea y progresión tumoral. y metástasis. Debido al papel de las MMP en las condiciones patológicas, los inhibidores de las MMP pueden tener potencial terapéutico. Varias otras proteínas tienen efectos inhibidores similares, sin embargo ninguna es tan eficaz (netrinas, potenciador de proteinasa del extremo C del procolágeno (PCPE), proteína rica en cisteína inductora de reversión con motivos Kazal (RECK) e inhibidor de la vía del factor tisular (TFPI-2)). Pueden tener otras actividades biológicas que aún se han caracterizado completamente.
Los inhibidores de MMP se pueden subdividir en general en no sintéticos (por ejemplo, endógenos ) o sintéticos . Se han identificado varios inhibidores potentes de MMP, incluidos hidroximatos, tioles , carbamoilfosfonatos , hidroxiureas , hidrazinas , β-lactámicos , ácidos escuáricos y ligandos nitrogenados.
Hay tres clases de inhibidores de las metaloproteinasas que se utilizan habitualmente .
- In vitro , EDTA , 1,10-fenantrolina y otros compuestos quelantes reducen la concentración de metal hasta el punto en que el metal se elimina del sitio activo de la enzima .
- Los inhibidores de bloqueo y llave clásicos, como el fosforamidón y la bestatina, se unen estrechamente al aproximarse al estado de transición de la hidrólisis del péptido, evitando que actúe sobre otros sustratos.
- Se sabe que los inhibidores de proteínas como la α2- macroglobulina actúan con las metaloproteinasas.
Historia
La primera generación de inhibidores de MMP se basó en la estructura de la molécula de colágeno . Este grupo de inhibidores contiene un grupo hidroxamato (-CONHOH) que une el átomo de zinc en el sitio activo de la enzima MMP. Los primeros inhibidores de MMP que se probaron en pacientes fueron Ilomastat y Batimastat , inhibidores de MMP a base de hidroxamato. Sin embargo, ninguno de los compuestos mostró una buena biodisponibilidad oral .
Hasta ahora, Periostat (el ingrediente activo es el ciclato de doxiciclina) es el único inhibidor de MMP que ha sido aprobado por la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA). Se utiliza para el tratamiento de la periodontitis. Otros inhibidores de MMP han mostrado efectos secundarios graves durante los ensayos preclínicos . Estos efectos secundarios son causados por una selectividad insuficiente . La mayoría de los inhibidores de MMP no pueden apuntar a MMP específicas conectadas a condiciones patológicas específicas . En cambio, inhiben múltiples MMP, algunas de las cuales tienen funciones protectoras o no están relacionadas con la patología.
Las MMP se han considerado objetivos prometedores para la terapia del cáncer. Los estudios preclínicos que investigan la eficacia de la supresión de MMP en modelos tumorales fueron alentadores. Tras estos resultados, se llevaron a cabo estudios clínicos que resultaron decepcionantes. Estudios recientes han demostrado que las MMP pueden incluso tener funciones paradójicas en la progresión tumoral. Las MMP parecen tener efectos promotores de tumores así como efectos supresores de tumores que dependen de diferentes contextos.
Mecanismo de acción
La mayoría de los inhibidores de MMP son agentes quelantes . El inhibidor se une al zinc en el centro activo de la enzima, bloqueando así su actividad. Son posibles otros mecanismos inhibidores.
La α2-macroglobulina (α2M) es un inhibidor de proteasa que inhibe las MMP activadas. α2M y MMP forman un complejo que puede inactivar la MMP.
Las MMP están asociadas con la superficie celular o unidas a la matriz extracelular, lo que evita que se difundan y mantiene las MMP bajo el control de la célula. Un mecanismo para inhibir la actividad de las MMP es desalojar las enzimas de sus receptores . Las sales de oro se unen a un sitio de metales pesados distinto del centro activo que contiene zinc, lo que inhibe su actividad. La actividad de MMP se puede reducir uniéndose al sitio de escisión en el sustrato, por ejemplo, catequina .
Dos características moleculares de la mayoría de los inhibidores de MMP son responsables de la afinidad . Uno es un resto quelante que interactúa con el ión zinc y el otro es una extensión hidrófoba del sitio catalítico que se proyecta en el bolsillo S1 '(grupo P1') de la metaloproteinasa. La diferencia estructural MMP 'se encuentra principalmente en el lado S1' y modificando el grupo P1 ', se puede desarrollar la selectividad del inhibidor.
Desarrollo de fármacos
En las siguientes secciones se explicarán varios inhibidores potenciales de MMP, incluida información sobre su desarrollo, relación estructura-actividad y farmacocinética.
Estructuras de hidroxamato pioneras
La primera generación de inhibidores de MMP se basó en la estructura de la molécula de colágeno. En el diseño de estos inhibidores, se mantiene el esqueleto proteico básico del colágeno, pero el enlace amida se reemplaza por un grupo de unión al zinc. Este grupo de inhibidores contiene un grupo hidroxamato (-CONHOH) que une el átomo de zinc en el sitio activo de la enzima MMP, por lo que este grupo se denomina "inhibidores de MMP basados en hidroxamato". Un ejemplo se puede ver en Marimastat , una primera generación inhibidor, que tiene un formato de cadena lateral y columna vertebral similar al colágeno.
Ilomastat y batimastat fueron los dos primeros inhibidores de MMP que se probaron en pacientes. Ambos son inhibidores de MMP basados en hidroxamato y tienen estructuras generales similares.
Los inhibidores de MMP basados en hidroxamato muestran una excelente actividad anticancerígena en las células tumorales, pero los resultados clínicos de estos compuestos fueron decepcionantes. Un factor que contribuyó a esta decepción fue que son inhibidores de amplio espectro de muchos subtipos de MMP que en muchos casos también pueden inhibir a miembros de la familia de proteasas ADAM. Cuando se probaron en pacientes, indujeron dolor muscular y esquelético limitante de la dosis en varios pacientes. Solo cuando las estructuras de los inhibidores de MMP pudieran ajustarse para impartir selectividad y abolir la toxicidad , lograrían un impacto clínico en la quimioterapia contra el cáncer.
Inhibidores basados en hidroxamato de nueva generación
Los inhibidores pioneros basados en hidroxamato fueron seguidos por un conjunto de moléculas de "nueva generación" con características que incluyen un arilo sustituido , una sulfonamida y un grupo de unión a zinc hidroxamato .
En MMI-270 también hay un sustituyente de tipo cadena lateral de aminoácido en el carbono que es α para el hidroxamato, junto con una cadena lateral en la sulfonamida (que luego se demostró que era innecesaria). El hidroxamato de N-arilsulfonil-α-aminoácido de MMI-270 imita el motivo succinato de marimastat . Cipemastat , que se desarrolló como un inhibidor de la colagenasa MMP-1 , -3 y -9 para el tratamiento de la artritis reumatoide y la osteoartritis , también tiene el motivo succinato de marimastat. Su ensayo clínico terminó prematuramente.
MMI-166 tiene un grupo de unión a zinc N-arilsulfonil-α-aminocarboxilato, diferente del grupo de unión a hidroxamato-zinc que se observa en MMI-270 y Cipemastat. También tiene una sustitución de triarilo que las otras estructuras no tenían. ABT-770 y Prinomastat también tienen una sustitución de arilo. En ABT-770 los dos anillos de fenilo están conectados directamente, pero en Prinomastat los dos anillos de fenilo están conectados por un átomo de oxígeno , formando un difeniléter . Estas tres permutaciones dirigen el SAR lejos de MMP-1 y hacia las MMP de "bolsillo profundo" como las gelatinasas . ABT-770 muestra actividad anticancerígena en modelos animales, pero se metaboliza fácilmente a un metabolito de amina que causa fosfolipidosis . MMI-166 ha mostrado actividad anticancerígena en numerosos modelos animales, pero no hay datos disponibles de su desempeño clínico. Prinomastat, por otro lado, es uno de los inhibidores de MMP mejor estudiados. Mostró una excelente eficacia preclínica contra el cáncer en animales , pero una limitación recurrente de estos hidroxamatos (Prinomastat en particular) es el metabolismo del fármaco, incluida la pérdida del grupo que se une al hidroxamato de zinc.
Estos inhibidores fueron seguidos por el siguiente grupo de inhibidores basados en hidroxamato, que se centran en la supresión del metabolismo, la minimización de la actividad inhibidora de MMP-1 y el control de la selectividad del subtipo, mediante un diseño basado en la estructura. El tetrahidropirano en RS-130830 introduce un bloqueo estérico que suprime el metabolismo, lo que solucionaría el problema que mostraba la generación anterior de inhibidores. El resultado de su evaluación clínica aún no se ha revelado. 239796-97-5 ha mejorado las propiedades de selectividad de ADME y MMP-1 y ha demostrado una excelente eficacia oral en un modelo animal de osteoartritis. Aunque, el objetivo terapéutico de estos inhibidores no es el cáncer, como lo ha sido para la mayoría de los inhibidores de MMP.
Inhibidores basados en tiol de nueva generación
Rebimastat es un inhibidor de MMP de amplio espectro con un grupo de unión a tiol zinc. Tiene biodisponibilidad oral y es un mimético de colágeno no peptídico. Rebimastat tiene cierta selectividad, ya que no inhibe todas las operaciones de MMP. Las metaloproteinasas que liberan TNF-alfa , TNF-II, L-selectina , IL-1-RII e IL-6 , por ejemplo, no son inhibidas por Rebimastat.
En la fase I de los ensayos clínicos , no hubo signos de toxicidad articular dependiente de la dosis ni estabilización de la enfermedad. Se observó artralgia en los primeros ensayos de fase II de cáncer de mama , que se relacionó con la toxicidad del inhibidor de MMP. Rebimastat se utilizó en un tratamiento con Paclitaxel / Carboplatino en la fase III. Los resultados del ensayo fueron una mayor incidencia de reacciones adversas , sin beneficio de supervivencia.
Los ensayos clínicos de Tanomastat , un alfa - ((feniltio) metil) carboxilato, mostraron resultados similares. Mostró buena estabilidad y tolerancia a la enfermedad en ensayos de tumores sólidos de fase I y buena tolerancia en cáncer avanzado en combinación con etopósido . Sin embargo, no se demostró que su eficacia fuera adecuada. Tanomastat mostró una hepatotoxicidad significativa en una terapia contra el cáncer combinada con cisplatino y etopósido, aunque en un tratamiento con doxorrubicina mostró buena tolerancia y menor toxicidad con 5-fluorouracilo y leucovorina .
Muchos compuestos en los grupos que se unen a tiol zinc tienen buena solubilidad en agua y son estables al aire en el plasma y estos grupos continuarán en el diseño de inhibidores de MMP.
Inhibidores basados en pirimidina
Ro 28-2653 es altamente selectivo para MMP-2 , MMP-9 y membrana tipo 1 ( MT-1 ) -MMP. Es un agente antitumoral y antiangiogénico con biodisponibilidad oral. La inhibición de TACE y MMP-1 está relacionada con los efectos secundarios musculoesqueléticos observados en los inhibidores de hidroxamato metaloproteinasa, pero este compuesto evita las enzimas. Se ha demostrado que disminuye el crecimiento tumoral en el cáncer nasal en ratas, así como en cultivos de células de cáncer de próstata . El compuesto solo tiene un efecto moderado sobre el tejido adiposo de los ratones y ninguna alteración en las articulaciones. En base a esto, se concluye que es menos probable que una clase de inhibidores desencadene efectos adversos neuromusculares . En el sitio activo de la estructura hay una quelación de pirimidintriona y la sección de fenilo y piperidinilo ocupa los bolsillos de unión S1 'y S2' de MMP-8 .
El compuesto 556052-30-3 es similar al Ro 28-2653 pero incorpora una cadena lateral de 4 - ((2-metilquinolin-4-il) metoxi) fenilo que es selectiva para TACE.
La 5- (espiropirrolidin-5-il) pirimidinetriona es un compuesto llamado 848773-43-3 que es un potente inhibidor de MMP-2, MMP-9 y MMP-13 que evita MMP-1 y TACE.
Sustituyendo 1,3,4-oxadiazol-2-ilo heteroarilo en C-4 'del segmento de difeniléter para lograr la selectividad de MMP-13 sobre MT-1 MMP, se obtuvo el compuesto 420121-84-2. El compuesto tiene IC 50 (media máxima concentración inhibitoria) de 1 nM para la MMP-13.
Se han elaborado pirimidinetrionas radiactivas con I125 que tienen una estructura similar para su uso en la aterosclerosis elevada de MMP-9 y cánceres elevados de MMP-2 y MMP-9.
Esta clase de inhibidores de MMP es fácil de sintetizar y son lo suficientemente potentes para la valoración clínica.
El compuesto 544678-85 es el último inhibidor basado en pirimidina, el compuesto es una pirimidina-4,6-dicarboxamida que es muy potente y selectiva para MMP-13. El compuesto tiene un bucle de especificidad que dentro del bolsillo S1 'y su grupo 3-metil-4-flúor es lo suficientemente próximo al zinc como para cambiar la entidad de agua. Estos compuestos tienen una buena biodisponibilidad oral y propiedades que los promueven para ser un buen candidato para un subtipo inhibidor de enfermedades basadas en MMP-13 y desarrollo futuro.
Las pirimidina dicarboxamidas son inhibidores de MMP-13 altamente selectivos. En el bolsillo S1 'de MMP-13 hay un bolsillo lateral S1' que es exclusivo de la metaloproteiasa de la matriz. Las pirimidina dicarboxamidas se unen a este bolsillo lateral, lo que aumenta la selectividad. El papel de MMP-13 es escindir el colágeno fibrilar a pH neutro y se detectan niveles más altos de ARNm de MMP-13 en el carcinoma de mama y las articulaciones con osteoartritis.
El ejemplo del inhibidor de pirimidina dicarboxamida en la imagen no interactúa con el ion de zinc catalítico sino que se une al bolsillo lateral S1 '. Un brazo de piridilo está situado en la entrada del bolsillo S1 'mientras que el otro brazo de piridilo pasa por el bolsillo S1' hacia el bolsillo lateral.
Inhibidores a base de hidroxipirona
Se han desarrollado inhibidores potentes y selectivos de MMP-3 utilizando una hidroxipirona como grupo de unión al zinc. Al unir un esqueleto de arilo a la posición 2 del anillo de pirona , se ganó más selectividad. En el anillo de hidroxipirona, hay tres posiciones disponibles para unir la columna vertebral, posición 2, 5 y 6.
Los inhibidores de MMP basados en hidroxipirona se corresponden estructuralmente con las pirimidinetrionas. Un inhibidor reciente es el compuesto 3-hidroxipiran-4-ona denominado 868368-30-3. Es selectivo de MMP-3 y su quelación 0,0- bidentada de zinc es la parte estructural propuesta para ser responsable del reconocimiento de MMP .
Inhibidores a base de fósforo
Investigación sobre inhibidores de MMP con grupos de unión de zinc basados en fósforo centrada en α-bifenilsulfonilamino fosfonatos. Estos inhibidores se unen a través de dos átomos de fosfonato de oxígeno. Se han desarrollado inhibidores de fosfonato que exhiben selectividad por MMP-8 sobre otras MMP. Los inhibidores selectivos de MMP-8 podrían ser útiles en el tratamiento de la enfermedad hepática aguda y la esclerosis múltiple Se ha informado que los inhibidores de MMP fosfínicos se dirigen a MMP-11 y MMP-13. MMP-13 juega un papel en la degradación del cartílago en la osteoartritis. Estos inhibidores de fosfinato MMP contienen segmentos de fenilo que se cree que son responsables de la selectividad a MMP-13. El grupo fosfínico de esos inhibidores (R 1 R 2 (O) OH) se une como ligando de zinc. Los sustituyentes R 1 y R 2 afectan la potencia de inhibición.
Se han desarrollado inhibidores de fosfinato que mostraron una alta selectividad por MMP-11. Los derivados basados en anillos de fenilo mostraron la mejor selectividad. MMP-11 podría ser un objetivo útil para la tumorgénesis en el cáncer de mama.
Los inhibidores a base de fósforo con grupos de unión a zinc carbamoil fosfonato no se unen a través de dos oxígeno del fosfonato. Los grupos de unión de carbamoil fosfonato de zinc unen Zn 2+ a través del oxígeno del fosfonato y el oxígeno del alfa carbonilo al fosfonato. Esta unión forma un anillo quelante de 5 miembros que se parece a la unión del ácido hidroxámico.
El enlace amida del carbamoil fosfonato proporciona un donante de enlace de hidrógeno para interacciones de proteínas y el grupo amida tiene una capacidad de donación de electrones que proporciona una fuerte quelación de Zn 2+ . Los grupos de unión de carbamoilfosfonato de zinc tienen una carga negativa neta que dificulta la penetración celular de estos inhibidores y los restringe al espacio extracelular . Esta prevención de la penetración celular contribuye a la baja toxicidad de estos inhibidores. Los inhibidores con un grupo de unión a zinc carbamoil fosfonato son selectivos para MMP-2 . MMP-2 podría ser un objetivo útil para la invasión tumoral y la angiogénesis . Se ha desarrollado un inhibidor de carbamoil fosfonato que afecta a MMP-2 y MMP-9 sin afectar a otras MMP. Este compuesto mostró actividad inhibidora sobre la invasión celular y la colonización de tumores . En estudios in vivo , este inhibidor mostró eficacia con la dosificación oral y la administración en la cavidad abdominal (intraperitoneal). Muestra absorción lenta , rápida eliminación y baja biodisponibilidad oral . La absorción prolongada contribuye a una eficacia sostenida. Los inhibidores con grupos de unión de carbamoil fosfonato de zinc son solubles en agua a pH fisiológico .
Inhibidores basados en tetraciclina
Las tetraciclinas son antibióticos que también exhiben actividad inhibidora de MMP. Quelatan el ión Zn 2+ , inhibiendo así la actividad de las MMP. Se cree que las tetraciclinas también afectan la expresión de MMP y la actividad proteolítica.
La doxiciclina es una tetraciclina semisintética que se ha estudiado para aplicaciones dentales y médicas. Se han investigado sus efectos sobre enfermedades como la periodontitis y el cáncer. La doxiciclina se absorbe casi por completo con una biodisponibilidad de alrededor del 95% en promedio y una reducción del 20% con la coadministración de alimentos. Su volumen de distribución es de 50 a 80 L (0,7 L / kg). La unión a proteínas es del 82 al 93%. Se excreta por la orina y las heces. La doxiciclina está disponible en forma oral e intravenosa . La doxiciclina exhibió actividad inhibidora sobre MMP-2 y MMP-9. La expresión y actividad de MMP-2 y MMP-9 a menudo están elevadas en el cáncer humano. El aumento de expresión y actividad se correlaciona con el estadio avanzado del tumor, aumento de metástasis y pronóstico .
Se han desarrollado tetraciclinas
químicamente modificadas (CMT) para explorar su potencial inhibitorio. La mayoría de los estudios en tetraciclinas y CMT mostraron que pueden inhibir la actividad de las MMP.
Se ha demostrado que una CMT llamada COL-3 o metastat es un potente inhibidor de la MMP. COL-3 presenta un andamio de tetraciclina que no está sustituido en las posiciones C4-C9.
Las ventajas de la CMT sobre las tetraciclinas convencionales son que el uso crónico no produce toxicidad gastrointestinal y se pueden lograr niveles plasmáticos más altos durante un período de tiempo prolongado, lo que reduce la frecuencia de administración .
Se ha estudiado la farmacocinética de COL-3 en ratas. COL-3 se absorbe lentamente en el tracto gastrointestinal. El 3% se excreta a través del tracto urinario mientras que el 55-66% se excreta en las heces. El fármaco es altamente lipofílico y puede atravesar la barrera hematoencefálica en dosis más altas. COL-3 se acumula en mayor concentración en el tejido cardíaco y en los testículos . En ensayos clínicos, se ha demostrado que la unión a proteínas plasmáticas es alta (~ 94,5%). La mayoría de COL-3 se une a la albúmina sérica .
Inhibidores endógenos
La actividad de las MMP está regulada a varios niveles, por ejemplo, por inhibidores endógenos como α2-macroglobulina y los inhibidores tisulares de metaloproteinasas (TIMP).
La α2-macroglobulina regula un amplio espectro de proteasas , mientras que los TIMP son inhibidores endógenos de MMP más específicos. La α2-macroglobulina es una proteína plasmática abundante que actúa en los fluidos tisulares. La glicoproteína plasmática consta de cuatro subunidades. La α2-macroglobulina no inhibe la activación de las MMP o las MMP mismas. Atrapa proteinasas como las MMP y forma un complejo con ellas. El complejo es endocitosado y aclarado por una proteína relacionada con el receptor de lipoproteínas de baja densidad .
En humanos , se han encontrado 4 TIMP diferentes. Son proteínas secretadas de bajo peso molecular . Los TIMP se unen de forma no covalente al sitio activo de las MMP. Se considera que los cambios en los niveles de TIMP desempeñan un papel en las condiciones patológicas asociadas con actividades de MMP desequilibradas. Los TIMP constan de 184-194 aminoácidos. Estos inhibidores se subdividen en dos dominios N-terminal y C-terminal . Las regiones N-terminales de los cuatro TIMP comparten una estructura común. Todos contienen doce residuos de cisteína que forman seis enlaces disulfuro . Estos enlaces son críticos para la conformación del N-terminal y sus actividades inhibidoras de MMP. Los terminales C de los TIMP se diferencian entre sí. La subunidad N-terminal es capaz de inhibir las MMP. La forma de la molécula TIMP encaja en el sitio activo de una MMP. El TIMP contacta con la hendidura catalítica del MMP de manera similar como sustrato. Los TIMP inhiben todas las MMP excepto TIMP-1 que no inhibe MT-1-MMP.
Existen algunas diferencias en las preferencias inhibitorias de los TIMP. TIMP-1, por ejemplo, favorece la inhibición de MMP-9. Otros ejemplos son TIMP-2 y TIMP-4, que son inhibidores de MMP-2 más potentes que los inhibidores de MMP-9.
Los TIMP podrían ser potencialmente útiles contra enfermedades como las enfermedades cardiovasculares y el cáncer. La aplicación de los TIMP como instrumento terapéutico a través de la terapia génica o la aplicación directa de proteínas aún se encuentra en etapas tempranas de desarrollo. Es preferible inhibir las MPP específicas que desempeñan un papel en las condiciones patológicas. Dado que los TIMP inhiben múltiples MMP, es deseable desarrollar TIMP modificados genéticamente con especificidad alterada.
Estado actual
El objetivo principal del diseño de inhibidores de MMP es la selectividad. Se espera que la selección de MMP específicas mejore la eficacia y prevenga efectos secundarios como el síndrome musculoesquelético (MSS). Las estructuras 3D de los inhibidores de MMP proporcionan una fuente de información sobre las relaciones estructurales para la selectividad. El cribado de alto rendimiento también puede aumentar las posibilidades de descubrir inhibidores con alta selectividad.
Ver también
- Metaloproteinasa de matriz
- Inhibidores de MMP
- Colágeno
- Cáncer
- Periodontitis
- Artritis
- Artritis Reumatoide
- Osteoartritis
- Tetraciclina
- Periostato