Rationales Design von hoch aktiven und selektiven Liganden für α5β1‐ und αvβ3‐Integrine

Abstract

Integrine sind heterodimere Zelladhäsionsrezeptoren, die an einer Vielzahl pathologischer Prozesse wie der Metastasierung von Tumoren, Thrombose, Entzündungen und Osteoporose beteiligt sind.[3] Sie sind daher seit geraumer Zeit wichtige Ziele in der pharmazeutischen Industrie.[4] Seit Brooks et al. berichteten, dass das von uns entwickelte[5a] das die Integrine avb3 und avb5 bindet, durch Angiogenese-Inhibierung das Tumorwachstum hemmt, [6] wurden viele avb3-Liganden entwickelt, von denen einige bereits klinische Tests durchlaufen.[7] So befindet sich das cyclische, N-methylierte Pentapeptid c(-RGDf[NMe]V-) [5b] als "Cilengitide" derzeit in der klinischen Phase II für die Behandlung von Glioblastomen.In jüngster Zeit wurde die proangiogenetische Wirkung der av-Integrine durch Knock-out-Experimente ernsthaft infrage gestellt. So zeigten av-Knock-out-Mäuse verstärkt Angiogenese, während b3/b5-defizitäre Mäuse keine signifikanten Veränderungen aufwiesen. [8,9] Dagegen konnte die proangiogenetische Funktion des a5b1-Rezeptors klar nachgewiesen werden, was den Forschungsschwerpunkt immer mehr Richtung a5b1 verlagerte. [10,11] Anders als im Fall der Integrine avb3 und aIIbb3, deren aufgeklärte Kristallstrukturen detaillierte Einblicke in die Bindung von Liganden ermöglichten, [12,13] gibt es vom a5b1-Integrin nur unzureichende Daten zu Struktur und Bindungsverhalten. [14] Der Mangel an Liganden [15,16] für das a5b1-Integrin bewog uns, diesen Rezeptor näher zu untersuchen. Erste Anhaltspunkte für die Struktur neuer möglicher a5b1-Liganden lieferte das Homologiemodell des a5b1-Integrins im Komplex mit dem kürzlich publizierten Liganden SJ749. [2,16] Die große ¾hnlichkeit zwischen den Integrinen avb3 und a5b1 (53 % Übereinstimmung von av mit a5, 55 % Über-einstimmung in der Kopfgruppe von b3 mit b1) sollte es ermöglichen, die Qualität unseres Modells durch die Synthese einer Bibliothek maßgeschneiderter Liganden zu prüfen. Analog zu anderen RGD-ähnlichen Liganden enthalten unsere Verbindungen ein Carboxylat und eine basische funktionelle Gruppe im Abstand von ca. 13 . Beim Vergleich beider Bindungstaschen fallen zwei Regionen auf, deren Mutationen zum Erreichen von Selektivität zwischen a5b1-und avb3-Integrinen genutzt werden können: In der bUntereinheit sind (b3)-Arg 214 und (b3)-Arg 216 durch (b1)-Gly 217 bzw. (b1)-Leu 219 ersetzt, was zu einer Aufweitung der a5b1-Bindungstasche führt (die wichtigen Mutationen sind in Abbildung 1 hervorgehoben). Dadurch sollte a5b1 im Unterschied zu avb3 Liganden tolerieren, an deren Grundgerüst sich sterisch anspruchsvolle Reste befinden. Des Weiteren sorgt die Mutation von (av)-Asp 150 zu (a5)-Ala 159 für eine schwächer saure Bindungsstelle in der a5-Untereinheit, deren Gestalt zusätzlich dadurch verändert ist, dass (av)-Thr 212 gegen (a5)-Gln 221 ausgetauscht ist. Damit könnte auch durch eine ¾nderung der basischen Gruppe Selektivität induziert werden.Basierend auf dem Tyrosingrundgerüst, das bereits erfolgreich in Integrinliganden zum Einsatz gekommen war, [17] wurde eine Reihe v...

Conformational Control of Integrin‐Subtype Selectivity in isoDGR Peptide Motifs: A Biological Switch

“…To understand the selectivity profile of the most interesting peptides, we determined the three-dimensional structures of peptides 11 and 13 by solution-state NMR spectroscopy and molecular dynamics (MD) calculations [22,23] (Figure 1) and docked each to both the avb3 receptor (X-ray structure of the Cilengitide-avb3 complex [24] ) and the a5b1 receptor (homology model [25] ; see the Supporting Information). (A detailed description of the structure calculations is given in the Supporting Information.…”

Breaking the Dogma of the Metal‐Coordinating Carboxylate Group in Integrin Ligands: Introducing Hydroxamic Acids to the MIDAS To Tune Potency and Selectivity

“…These findings motivated us to systematically elucidate the potential of hydroxamic acids as integrin ligands as well as the structural and electronic aspects of the observed selectivity. In our previous studies we found that the spatial orientation of the aromatic moiety in the vicinity of the carboxylic acid determines the selectivity of the ligand; a mesitylene carboxamide unit led to α5β1 selectivity, while a sulfonamide group yielded biselective ligands 14b–d. We were expecting that the replacement of the carboxylate by a hydroxamate should have a high impact on the positioning of this group, so six pairs of ligands, all containing a 2‐aminoyridine group as the basic moiety, were synthesized and evaluated for their activity and selectivity profile.…”

“…Furthermore, we prepared the hydroxamate analogue of an αvβ3 selective ligand based on an elongated β‐homotyrosine. We also preapared another compound library based on a lead structure comprising a tetrahydropyrimidine as the basic moiety and a benzosulfonamide substituent, which was previously found to give ligands with high affinity for αvβ3 and moderate affinity for α5β1 14b,c. Variations of the carboxylic acid function including an ester, amide, acylhydrazine, and N ‐methyl hydroxamic acid should reveal, whether other carboxylic acid derivatives lead to changes in affinity and selectivity comparable to hydroxamic acids.…”

“…The synthesis of all the ligands started from known precursors ( 1 , 3 , 4 , and 11 ) 14b,c. After Boc removal with diluted aqueous HCl in dioxane, the resulting amines were acylated with either aromatic carboxylic acids or aromatic sulfonyl chlorides according to the desired selectivity profile.…”

Selektive Bildgebung der angiogenetisch relevanten Integrine α5β1 und αvβ3

“…Kürzlich haben wir RGD-basierte Integrinantagonisten entwickelt, die spezifisch entweder a5b1 oder avb3 adressieren, während keine Aktivität gegenüber dem Blutplättchenintegrin aIIbb3 vorliegt. [11] Diese Peptidmimetika (1 und 2) wurden mit 1-((1,3-Dicarboxy)propyl)-4,7-(carboxymethyl)-1,4,7-triazacyclononan (NODAGA), einem weitverbreiteten difunktionellen Chelator, [12] funktionalisiert, wodurch die a5b1-selektive Verbindung 3 und die avb3-selektive Verbindung 4 erhalten wurden (Tabelle 1). Die Bestimmung der IC 50 -Werte in einem kürzlich beschriebenen, kompetitiven Integrinbindungsassay [13] Die a5b1-selektive Verbindung 3 adressierte spezifisch den a5b1-exprimierenden Tumor in der rechten Schulter der Maus (Abbildung 1 A).…”