FWF - Metalloproteinase - Entwicklung neuer Matrix-Metalloproteinase-13-Inhibitoren

Arthrose, die Rückbildung der Gelenksknorpel, ist die am häufigsten vorkommende chronische Gelenkserkrankung und zählt zu den fünf führenden Ursachen für dauerhafte körperliche Beeinträchtigungen in der westlichen Welt. Trotz intensiver Forschung in den vergangenen Jahren ist die medizinische Behandlung vor allem auf schmerzstillende Maßnahmen beschränkt. Es besteht ein dringender Bedarf an Wirkstoffen, die den Krankheitsverlauf beeinflussen und dadurch Symptome lindern, um die Lebensqualität von Arthrosepatienten maßgeblich zu erhöhen. Im Verlauf der Krankheit kommt es in Folge des Abbaus von Kollagen Typ II durch Zink-Metallopeptidasen zur Rückbildung des Gelenksknorpels. Die Matrix-metalloprotease-13 (MMP-13) ist hauptverantwortlich für den beschriebenen Prozess. Wirkstoffe der ersten Generation riefen durch ihre Zink-chelierenden Eigenschaften verschiedene Nebenwirkungen hervor, die allgemein als „Musculoskeletal Syndrome“ zusammengefasst werden. Als Konsequenz daraus wurden in folgenden Studien Verbindungen untersucht, die mit sekundären Bindungsstellen, sogenannten „Subsites“, in Wechselwirkung treten. Vor allem jene, die mit der MMP-13 S1’ Subsite interagieren zeigten vielversprechende inhibierende Eigenschaften und Selektivitätsprofile. Einige potentielle Wirkstoffe wurden in klinischen Studien untersucht, doch in keinem Fall konnte die Wirkstoffentwicklung bis hin zur Markteinführung erfolgreich abgeschlossen werden. Das Auffinden von neuen sekundären Bindungsstellen, die in weiterer Folge als Grundlage für das Design von neuen Wirkstoffen dienen sollen, war der Ausgangspunkt für die Durchführung eines High-Throughput Screenings (HTS) unter der Verwendung eines speziell entwickelten Assays (triplehelical peptide (THP) fluorescence resonance energy transfer (FRET) assay). THP-FRET Assays sind nicht auf die Identifizierung von MMP-13 Inhibitoren beschränkt. Die Methode kann in zukünftigen Studien als Ausgangspunkt für die stukturbasierte Wirkstoffentwicklung von Subsite-bindenden Verbindungen der noch verbleibenden menschlichen Collagenasen (MMP-1, -8 und -14) verwendet werden. Diese spielen entscheidende Rollen in der Tumorentwicklung und Metastasierung. Als Ergebnis des HTS konnten drei Verbindungen identifiziert werden, die vielversprechende MMP-13 Inhibitor-Eigenschaften zeigen. Zusätzlich konnte mittels Co-Kristallstrukturanalyse eine bisher unbekannte Bindungsstelle innerhalb der MMP-13-Kollagen-Bindungstasche identifiziert werden. Basierend auf diesen vielversprechenden Ergebnissen ist das Ziel des Forschungsprojektes die Entwicklung von neuen MMP-13 Inhibitoren durch die Anwendung von strukturbasiertem Wirkstoffdesign, ausgehend von den drei bereits identifizierten Hits aus dem HTS. Als Ausgangspunkt für die Synthese von optimierten Inhibitoren werden, unter der Berücksichtigung der positiven Eigenschaften von bekannten Inhibitor Bindungsarten, sogenannte „Hybrid-Inhibitoren" (fused inhibitors) entworfen. Die entwickelte, Fragment-basierte Synthese erlaubt einen modularen und schnellen Zugang zu einer großen Anzahl an Inhibitor-Strukturen. Die synthetischen Studien werden durch molekulare Modellierung unterstützt und um den Optimierungsprozess zu überprüfen und zu bestätigen werden umfassende in vitro Studien durchgeführt. Der Output des Projektes leistet einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung von neuen Wirkstoffen zur Behandlung von Arthrose.