Forschungsziel
Unser übergeordnetes Ziel ist es, pharmakologisch neue Agonisten und Antagonisten für die vier Subtypen von Adenosinrezeptoren (ARs) und acht Subtypen von P2Y-Rezeptoren zu entwickeln, chemisch zu synthetisieren und zu charakterisieren und ihr Potenzial für behandlung menschlicher Krankheitszustände.
Aktuelle Forschung
Ich bin ein medizinischer Chemiker mit Interesse an der Struktur und Pharmakologie von Rezeptoren und an der Entwicklung von Arzneimitteln, die als Agonisten oder Antagonisten von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR) wirken. Mein aktueller Fokus liegt auf Rezeptoren für Purine, die sowohl Adenosinrezeptoren als auch P2-Rezeptoren umfassen, die durch ATP, UTP und andere extrazelluläre Nukleotide aktiviert werden. Mein Labor hat einen interdisziplinären Ansatz verfolgt, um die chemischen und biologischen Aspekte dieser Rezeptoren zu untersuchen. Wir haben konvergente Modellierungs-, Mutagenese- und Strukturaktivitätsansätze verwendet, um Informationen über die dreidimensionale Struktur der Rezeptoren und ihre Beziehung zu Bindungs- und Aktivierungsfunktionen zu sammeln. Die Bestimmung der röntgenkristallographischen Strukturen des P2Y1-Rezeptors und eines an Agonisten gebundenen A2A-Adenosinrezeptors durch unser Labor in Zusammenarbeit mit Ray Stevens vom Scripps Research Institute bietet einen neuen Weg zur Entwicklung von Arzneimitteln, die an diesen Rezeptoren wirken. Wir haben einen funktionalisierten Kongener-Ansatz für das Arzneimitteldesign entwickelt, der die Einbeziehung von Reportergruppen wie Fluorophoren ermöglicht. Neuartige Liganden (kleine Moleküle) für diese Rezeptoren werden mit klassischen synthetischen Ansätzen und auch mit semirativen Methoden entwickelt, die auf molekularer Modellierung und Template-Design basieren. Rezeptoren werden durch Homologie zu GPCRs bekannter Struktur computermodelliert, und die Modelle für die Ligandenerkennung werden unter Verwendung von ortsgerichteter Mutagenese der Rezeptorproteine getestet und verfeinert. In jüngster Zeit wurde die Beteiligung extrazellulärer Schleifen von GPCR an der Rezeptorbindung kleiner Moleküle beteiligt. Wir sind daran interessiert, die Struktur von Rezeptoren und kleinen molekularen Arzneimitteln mit pharmakologischen Eigenschaften zu korrelieren.
Substanzen, die als potente und selektive Wirkstoffe entwickelt wurden, die über Adenosin- und P2-Rezeptoren wirken, haben sich als pharmakologische Sonden bewährt und haben Potenzial zur Behandlung von Erkrankungen des Zentralnervensystems, des Immunsystems und des Herz-Kreislauf-Systems. Zu den jüngsten Errungenschaften gehören das Design und die Synthese der hochpotenten und selektiven A3-Adenosinrezeptoragonisten und -antagonisten unter Verwendung einer Kombination aus Bibliotheksscreening und Optimierung bekannter Adenosinrezeptorliganden. Diese Substanzen haben sich in Behandlungsmodellen für Glaukom, Krebs, Schlaganfall und Herzischämie als wirksam erwiesen. Zwei in unserem Labor entwickelte selektive A3-Adenosinrezeptoragonisten befinden sich derzeit in klinischen Studien für hepatozelluläres Karzinom, Glaukom, Psoriasis und rheumatoide Arthritis. Wir haben kürzlich in Zusammenarbeit mit Daniela Salvemini von der St. Louis University die schützende Wirkung von A3-Agonisten in Tiermodellen neuropathischer Schmerzen veröffentlicht. Dieser Zustand kann die Behandlung mit Chemotherapeutika gegen Krebs begleiten. Somit könnten A3-Agonisten diese Nebenwirkung möglicherweise reduzieren und die lebensrettende Krebsbehandlung fortsetzen. Wir haben hochspezifische A3-Agonisten entdeckt, die neuropathische Schmerzen bei Maus und Ratte reduzieren und deren Entwicklung verhindern. Wir haben kürzlich einen A1-Adenosin-Rezeptor-Agonisten gefunden, der Antiseizure-Effekte bei Mäusen ohne einige der Nebenwirkungen hat, die mit solchen Agonisten in der Vergangenheit verbunden waren. Wir haben die ersten P2Y1-rezeptorselektiven Antagonisten durch Funktionalisierung von Adeninnukleotiden synthetisiert. Die Antagonisten wurden mit Hilfe der Rezeptorhomologiemodellierung optimiert. Diese Substanzen haben sich in Modellen der antithrombotischen Behandlung aufgrund der Blockade der proaggregatorischen Wirkungen von ADP als wirksam erwiesen. Die in unserem Abschnitt entwickelten pharmakologischen Sonden wurden verwendet, um den Zusammenhang zwischen Purinrezeptoren und Apoptose (programmierter Zelltod) nachzuweisen. A3-Adenosinrezeptoragonisten in niedrigen Konzentrationen und P2Y6-Rezeptoragonisten haben antiapoptotische Wirkungen. Darüber hinaus fördern P2Y6-Agonisten die Insulinfreisetzung in Pankreasinselzellen. Wir untersuchen derzeit die Rolle verschiedener P2Y-Rezeptoren in der Maus.
Eine weitere mögliche Methode, die schützenden Effekte der AR-Aktivierung zu nutzen, wurde durch Rezeptorengineering erreicht. Konstitutiv aktive mutierte A3-Adenosinrezeptoren könnten prinzipiell durch gewebsgerichtete Vektoren für die Gentherapie abgegeben werden. Darüber hinaus haben wir den Ansatz der Neozeptoren eingeführt, der auch für die spätere Verwendung in der Gentherapie vorgesehen ist, bei dem die mutmaßliche Agonistenbindungsstelle neu gestaltet wird, um nur komplementär veränderte Agonistenmoleküle aufzunehmen. Einblicke in die Erkennung von Agonisten durch die Rezeptoren können durch ortsgerichtete Mutagenese und molekulare Modellierung gewonnen werden. Wir erforschen diesen Ansatz konzeptionell mit maßgeschneiderten Agonistenliganden („Neoliganden“), die für den Neozeptor und nicht für den nativen Rezeptor selektiv sind, in Kombination mit Rezeptormutagenese. Das Neozeptor-Konzept wurde bisher auf A1-, A2A- und A3-Adenosinrezeptoren angewendet.
Anwendung unserer Forschung
Unsere selektiven Rezeptorliganden werden als pharmakologische Sonden für die Rolle extrazellulärer Nukleoside und Nukleotide im Gehirn und in peripheren Geweben eingesetzt. Mehr als 35 Verbindungen aus unserem Labor sind kommerziell als Forschungswerkzeuge erhältlich und werden verwendet, um die Forschung in Hunderten von Labors voranzutreiben (PDF, 175,4 KB) . Unsere eigenen internen Studien und externen Kooperationen umfassen Studien zur Rolle dieser Rezeptoren und möglichen Behandlungen für Thrombose, Parkinson, entzündliche Erkrankungen, Krebs, Diabetes, chronische neuropathische Schmerzen und Epilepsie.
Bedarf an weiteren Studien
Die Beziehung zwischen Wirkstoffstruktur und biologischer Aktivität erfordert weitere Untersuchungen. Die Untersuchung von GPCR, einschließlich purinerger Rezeptoren, bietet vielversprechende Möglichkeiten für die Entwicklung neuer Arzneimitteltherapien zur Behandlung chronischer Krankheiten.
