Hybridverbindungen aus dem Superagonisten Iperoxo und konventionellen inversen Agonisten zeigen Partialagonismus am muskarinischen Acetylcholin-Rezeptor M₂ in CHO-Zellen

Abstract

Der muskarinische Acetylcholin-Rezeptor vom Subtyp M₂ dient seit langem als maßgebliches Modellsystem auf dem Gebiet der pharmakologischen Forschung an G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR), weil er über jeweils eine gut charakterisierte orthosterische und allosterische Bindungsstelle verfügt. Die klassischen dualsterischen Liganden umfassen einen orthosterischen Baustein und einen allosterischen Molekülteil, welche über eine Zwischenkette aus Kohlenwasserstoffen kovalent miteinander verbunden sind. Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Hybridliganden unterscheiden sich maßgeblich von den klassischen Hybridliganden vergangener Untersuchungen, da sie aus zwei orthosterisch bindenden Molekülteilen bestehen. Als agonistischer Baustein fungierte der Superagonist Iperoxo, der antagonistische Baustein war entweder der Antagonist Atropin oder Scopolamin. Die Zwischenkette hatte eine Länge von 4, 6, 8 bzw. 10 Kohlenwasserstoffen. Ziel der Untersuchungen war es, die Art der Rezeptorbindung und -funktion dieser neuartigen Hybride aufzuklären und ihren Bindungsmodus zu eruieren. In Radioligand-Bindungsversuchen zeigten sich erste Hinweise, dass die untersuchten Iperoxo-Atropin Hybride mit zunehmender Kettenlänge sehr wahrscheinlich vermehrt antagonistisch binden. Die Hybridsubstanzen aus Iperoxo und Scopolamin bevorzugten alle den agonistischen Bindungsmodus. Alle Hybride zeigten nur eine vernachlässigbar geringe allosterische Affinität. Auf dem Gi- und auf dem Gs-Signalweg wiesen die Iperoxo-Atropin Hybride einen Kettenlängen-abhängigen Partialagonismus auf, der mit zunehmender Kettenlänge abnahm. Die Iperoxo-Scopolamin Hybride zeigten dies nur auf dem Gs-Signalweg. Der Atropin-Baustein war in der Lage orthosterisch zu binden und einen fixen durch Iperoxo ausgelösten agonistischen Effekt zu antagonisieren. Scopolamin als antagonistischer Baustein vermochte dies nicht zu erreichen. Die Berechnung des „Ligand-Bias“ deckte einen Gi-Bias von Iperoxo-6-Scopolamin und dem Fragment Iperoxo-8 auf. Wahrscheinlich aufgrund der ähnlichen Affinitäten von Iperoxo und Atropin für die allosterische Bindungsstelle des M₂-Rezeptors sind zwei unterschiedliche Bindungsmodi der Iperoxo-Atropin Hybride möglich. Abhängig von der Länge der Zwischenkette bindet entweder vermehrt Iperoxo oder Atropin orthosterisch. Eine kurze Verbindungskette dirigiert den Bindungsmodus hin zu einem orthosterisch gebundenen Iperoxo-Baustein. Dies resultiert in einem starken Partialagonismus des Hybrides. Eine längere Zwischenkette lässt vermehrt auch Atropin orthosterisch binden, was sich in einem schwächeren Partialagonismus dieser Hybridsubstanzen niederschlägt. Somit trägt die vorliegende Arbeit dazu bei, den Bindungsmodus der untersuchten neuartigen Hybridliganden aus einem Agonisten und zwei unterschiedlichen kompetitiven Antagonisten besser zu verstehen, um damit das Ausmaß der Aktivierung unterschiedlicher Signalwege zu erklären. Dies öffnet die Türen für das Design weiterer neuartiger rein orthosterischer Hybridsubstanzen aus Agonisten und Antagonisten, welches, durch Variation der Bausteine mit unterschiedlichen Affinitäten und durch Veränderung der Länge der Zwischenkette, zu Agonisten mit potentiell kalkulierbarer partialagonistischer Wirkung und Signalwegselektivität am M₂-Rezeptor führen kann.