Pharmazeutische Zeitung online
Phosphodiesterasen

Attraktive Ziele für Arzneistoffe

09.12.2014
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Von Daniel Flesch und Manfred Schubert-Zsilavecz / Phosphodi­esterasen, kurz PDE, sitzen an Schaltstellen wichtiger Signalwege. Daher sind sie vielversprechende Angriffspunkte für Arzneistoffe. Der PDE5-Hemmer Sildenafil hat diese Stoffgruppe berühmt gemacht. Wie spezifisch wirken PDE-Hemmer und welche neuen Entwicklungen gibt es hier?

Die Enzyme der zyklischen Nukleotid-Phosphodiesterase-Familie (PDE) katalysieren die hydrolytische Spaltung der second messenger cAMP und cGMP (zyklisches Adenosin- und Guanosin-monophosphat). Damit sind sie Teil eines Kontrollsystems, das die Aktivität dieser wichtigen Signalmoleküle reguliert, und bedingen eine Abschaltung induzierter Signalkaskaden. Die PDE-Enzyme stellen damit einen Gegenpart zu den Adenylyl- und Guanylylcyclasen dar, durch die (nach Aktivierung) die zykli­schen Nukleotide synthetisiert werden. cAMP und cGMP steuern eine Reihe von Effektorproteinen, unter anderem die Proteinkinase A und G, CNG-(cyclic nucleotide gated)-Ionenkanäle, Transkriptionsfaktoren oder auch PDE-Enzyme, die allosterische Bindungs­stellen zusätzlich zu der katalytischen besitzen.

Die cAMP- und cGMP-Signalsysteme gehören zu den ersten entdeckten Signaltransduk­tions­wegen und steuern eine Vielzahl physiolo­gi­scher und patho­phy­si­olo­gi­scher Vorgänge. Hierzu zählen unter anderem Genexpres­sion, Zellprolife­ra­ti­on und -differenzierung, Apop­to­se, Inflammation, Kohlenhydrat- und Lipid­me­ta­bolismus (1-3).

 

Eine große Zahl von Arzneistoffen greift in dieses Netzwerk an Signalwegen mit Kno­ten­punkt cAMP/cGMP ein. Während beispiels­wei­se Agonisten an Gαs-gekoppelten Rezep­to­ren direkt die Aktivität der Adenylylcyc­la­se und damit die Synthese von cAMP stimu­lie­ren, ist die Wirkung von Koffein unter anderem bedingt durch eine Hemmung der PDE, was ebenfalls zu einem höheren intrazellulären Level an zyklischen Nukleotiden führt. Andere Methylxanthine wie Theophyllin haben historisch schon früh Eingang in die Therapie des Asthmas gefunden, noch bevor der Wirkmechanismus und damit die Beeinflussung der PDE aufgeklärt waren. Mittlerweile ist bekannt, dass diese Stoffklasse als unselektive PDE-Hemmer agiert. Sie wird aufgrund eines ungünstigen Risiko-Nutzen-Profils (und besserer Alternativen) heute nur noch eingeschränkt eingesetzt (4, 5).

Tabelle 1: PDE-Gewebedistribution und Aktivierung (IBMX: Isobutyl-1-methylxanthin), adaptiert aus (1-3, 11)

PDE-Familie Aktivierung oder Inhibition Substratspezifität Gewebedistribution
1 Calcium/Calmodulin aktiviert cAMP und cGMP Breit, insbesondere kardiale und vaskuläre Myozyten, Neurone, lymphoide und myeloide Zellen, Testes und Spermien
2 cGMP aktiviert cAMP und cGMP Breit, insbesondere Hirn, Herz (Myozyten), Leber, adrenaler Cortex, Endothelium, Thrombozyten
3 cGMP inhibiert cAMP und cGMP Breit, insbesondere kardiale und vaskuläre Myozyten, Hirn, Leber, Fettgewebe, Beta-Zellen (Pankreas), Endothelium, Epithelium, Oozyten, Thrombozyten
4 cAMP-spezifisch cAMP Breit, insbesondere Zellen des kardiovaskulären, neuronalen und inflammatorischen Systems sowie Immunsystem
5 cGMP aktiviert, cGMP-spezifisch cGMP Breit, insbesondere vaskuläre Myozyten, erkrankte Herz-Myozyten, Lunge, Hirn, Thrombozyten, Niere, gastrointestinale Gewebe, Penis
6 cGMP aktiviert, cGMP-spezifisch cGMP Photorezeptoren, Zirbeldrüse
7 cAMP-spezifisch, Rolipram-insensitiv cAMP Breit, insbesondere Milz, Hirn, Lunge, Niere, lymphoide und myeloide Zellen
8 c-AMP-spezifisch, Rolipram/IBMX-insensitiv cAMP Breit, insbesondere Testes, Schilddrüse
9 cAMP-spezifisch, IBMX-insensitiv cGMP Breit, insbesondere Milz, Hirn, intestinale Zellen
10 cAMP inhibiert cAMP und cGMP Hirn, Testes
11 cGMP aktiviert cAMP und cGMP Prostata, Testes, Hypophyse, Speicheldrüse

Elf Familien mit fast 100 Mitgliedern

 

In den 1970er- bis 1980er-Jahren konnten Wissenschaftler durch fortgeschrittenere biochemische Methoden erste PDE-Isoformen mithilfe bekannter Verbindungen (mit unterschiedlicher Selektivität) charakterisieren (6-10). Mit der Zeit entstand ein Bild über elf PDE-Familien und deren Aktivierung, Affinität und Selektivität bezüglich cAMP, cGMP und synthetischen Modulatoren (Tabelle 1).

 

Diese elf PDE-Familien sind strukturell miteinander verwandt, haben jedoch funktionelle Unterschiede. Durch das Zusammenspiel von verschiedenen Genen, alternativem Splicen und transkriptioneller Prozessierung können ­nahezu 100 Isoenzyme gebildet werden.

 

Der N-terminale Teil der PDE-Moleküle entscheidet über die Zugehörigkeit zu den entsprechenden Kompar­timenten und Signalosomen und ist damit sehr variabel (1-3). Signalosome sind makromolekulare Komplexe auf Basis von Protein-Protein-Interaktionen, welche die Signaltransduktion der zyklischen Nucleotide regulieren (11). Das katalytische Zentrum ist dagegen weitgehend konserviert und hat in allen kristallisierten PDE-Familien (PDE1 bis -5 und PDE7 bis -10) eine ähnliche Struktur aus 16 Helices. Diese bilden eine hydrophobe Tasche und das katalytische Histidin-haltige Motiv, das ­Bindungsstellen für zwei bivalente ­Metallionen beinhaltet. PDE-Inhibitor-Cokristalle lassen den Schluss zu, dass ein hoch konserviertes Glutamin (Wasserstoffbrückenbindung, Orientierung der Inhibitoren) sowie Phenylalanin essenziell für die Bindung von Inhibitoren sind (11-13) (Grafik).

 

Um Subtyp-selektive Verbindungen zu entwickeln, nutzen Forscher Unterschiede in der Rigidität der Bindungstasche sowie minimale Größenunterschiede (14-16). Eine spezielle ­Situation besteht bei der PDE5: Durch die Beweglichkeit zweier Loop-Motive kann das Protein verschiedene Konformationen annehmen. Dies erklärt den 5- bis 20-fachen Unterschied in der Bindungsaffinität von Sildenafil und Vardenafil, da sie in unterschied- liche Konformationen binden (17, 18) (Tabelle 2).

 

Hoch selektive PDE-Hemmer werden zunehmend durch strukturbasiertes Design sowie unter Einsatz von Hochdurchsatz-Kristallografie erarbeitet. Neue Ansätze in der Entwicklung von Inhibitoren der PDE sowie deren Signalosomen richten sich vor allem auf Protein-Protein-Interaktionen zwischen den PDE-Isoenzymen und ihren regulatorischen Partnern (11).

Tabelle 2: Selektivität der PDE5-Hemmer gegenüber anderen PDE-Isoenzymen; adaptiert aus doi: 10.1111/j.1742-1241.2006.01049.x

PDE-Isoenzym Sildenafil Vardenafil Tadalafil
1A 290 480 20 000
1B 1100 510 21 000
1C 110 190 11 000
2 19 000 55 000 49 000
3A 12 000 9300 38 000
3B 17 000 9200 18 000
4A 6000 24 000 30 000
4B 5800 26 000 22 000
4C 5200 49 000 23 000
4D 3600 8100 13 000
5 1 1 1
6 7 3 780
7A 22 000 110 000 47 000
8A 19 000 220 000 30 000
9A 540 1000 19 000
10A 3100 13 000 9000
11A 1500 1100 14

Topseller PDE5-Hemmer

 

Die bekanntesten und in der Klinik deutlich am häufigsten eingesetzten PDE-Hemmer sind die PDE5-Inhibitoren. Diese Stoffklasse brachte den Durchbruch in der Behandlung der erektilen Dysfunktion. Eine weitere wichtige Indikation ist die pulmonale arterielle Hypertonie. In beiden Indikationen spielen die vasodilatatorische Wirkung der Inhibitoren sowie das Expressionsmuster der PDE5 eine zentrale Rolle für die Wirksamkeit. PDE5-Hemmer verhindern im Schwellkörper des Penis den Abbau von cGMP, das ein wichtiger Mediator der NO-induzierten Vasodilatation ist (19). ­Damit wirken sie der erektilen Dysfunktion entgegen.

Die bekanntesten Vertreter unter den PDE5-Inhibitoren sind Sildenafil, Vardenafil, Tadalafil sowie Avanafil. Alle Verbindungen sind zur Behandlung der erektilen Dysfunktion zugelassen; sie unterscheiden sich in ihren pharmakologischen Charakteristika wie Wirkeintritt und -dauer. Dagegen sind nur Sildenafil, Vardenafil und Tadalafil auch bei Patienten mit pulmonalem arteriellen Hochdruck zugelassen. Pathophysiologisch ist dieses Krankheitsbild durch eine Verdickung und reduzierte Flexibilität der Lungenarterien charakterisiert; dies führt zur verminderten Oxygenierung des Blutes, Synkopen und Dyspnoe bis hin zu einer sekundären Herzinsuffizienz. Die PDE5-Hemmer können über pulmonal-vaskuläre Dilatation und vaskuläres Remodeling die Erkrankung verbessern, was auf molekularer Ebene durch Beeinflussung des cGMP-PKG-signalling erreicht wird (20-22). Infolge der Aktivierung der PKG werden entsprechende Target­proteine phosphoryliert, was zu einer ­Öffnung von ­Kaliumkanälen und Reduktion intrazellulärer Calciumkonzentration führt und somit eine Verringerung des Muskeltonus bewirkt (20).

 

Tadalafil erhielt 2011 von der FDA zusätzlich eine Zulassung zur Behandlung von Störungen des unteren Urogenitaltrakts bei benigner Prostatahyperplasie (doi: 10.1002/phar.1243).

 

PDE4-Inhibitoren bei Lungenerkrankungen

 

Präklinisch konnte gezeigt werden, dass verschiedene Subtypen der PDE4 stark exprimiert werden in Zellen, die in (immuno-)inflammatorische Prozesse involviert sind. PDE4-Inhibitoren haben konsequenterweise in zahlreichen Zell- und Tiermodellen eine potente antiinflammatorische Wirkung aufgewiesen (23, 24). Aus diesen Erkenntnissen ist ein potenzieller Einsatz bei ­entzündungsgetriebenen Lungenerkrankungen erwachsen, was sich in der Zulassung von Roflumilast in den Jahren 2010 (EMA) und 2011 (FDA) widerspiegelt. In den vergangenen Jahren hat dieser erste zugelassene PDE4-Inhibitor vermehrt Einsatz bei Patienten mit chronisch-obstruktiven Lungenerkrankungen gefunden (25). Roflumilast wird als orales Therapeutikum in Kombination mit einem Bronchodilatator bei schwerer COPD (chronic obstructive pulmonary disease) mit begleitender chronischer Bronchitis sowie häufigen Exazerba­tionen eingesetzt.

Apremilast ist ein weiterer PDE4-Inhibitor, der erst kürzlich durch positive Studiendaten aufgefallen ist. Diese Sub­stanz konnte in der Phase-III-Studie PALACE-I eine Verbesserung der Pso­riasis-Arthritis (ACR20 response) bei 31 Prozent (20 mg Apremilast, zweimal täglich) sowie 40 Prozent (30 mg Apremilast, zweimal täglich) der Patienten erreichen gegenüber 19 Prozent in der Placebo-Gruppe. Gleichzeitig verringerten sich bei 34 beziehungsweise 51 Prozent der Patienten (im Vergleich zu 19 Prozent unter Placebo) die von Psoriasis betroffene Hautfläche sowie die Schwere der Läsionen um mehr als 50 Prozent (PASI-50 response). Diese Studie und weitere Daten aus den noch laufenden Studien PALACE-II und -III zeigten ein mildes Nebenwirkungsprofil mit Diarrhö, Übelkeit und Kopfschmerzen, die dosisabhängig waren.

 

Apremilast wurde im März 2014 von der FDA für Patienten mit Psoriasis-­Arthritis zugelassen (26, 27). Positive Ergebnisse aus zwei Phase-III-Studien (ESTEEM-1 und -2) führten kürzlich zu einer Indikationserweiterung bei Plaque-Psoriasis (28). Ende November dieses Jahres erhielt Apremilast vom CHMP der europäischen Zulassungsbehörde EMA eine »positive opinion« – sowohl für den Einsatz bei Psoriasis als auch bei Psoriasis-Arthritis (siehe http://ir.celgene.com/releasedetail.cfm?ReleaseID=884284).

 

PDE3-Inhibitoren

 

Die in Deutschland zugelassenen PDE3-Inhibitoren Milrinon und Cilostazol werden heutzutage in kardiologischen und angiologischen Indikationen eingesetzt. Milrinon wird aufgrund seiner positiv inotropen und vasodilatatorischen Wirkweise nur zur Behandlung von dekompensierter oder refraktärer Herzinsuffizienz verwendet. Der positiv inotrope Effekt ist eine Auswirkung der PDE3-Hemmung (29). Da bei chronischem Einsatz eine erhöhte Mortalität gezeigt wurde, ist Milrinon nur zur akuten Behandlung angezeigt. Weiterhin wird es bei Patienten eingesetzt, die eine Herztransplantation erwarten, oder um die Herzfunktion nach einer Operation am Herzen sicherzustellen (29, 30).

 

Cilostazol ist zugelassen für Patienten mit peripherer arterieller Verschlusskrankheit (PAVK, Schaufensterkrankheit). Durch vasodilatatorische Mechanismen, antithrombotische Eigenschaften und eine Reduktion der Gefäßwand-Inflammation kann es die Gehstrecke der Patienten verlängern (31, 32). In dieser Indikation ist Cilostazol seit 2012 der am häufigsten verschriebene, durchblutungsfördernde Wirkstoff (25).

 

Unselektive PDE-Inhibitoren

Nach wie vor werden auch unselektive Hemmstoffe der PDE-Enzyme therapeutisch eingesetzt – aufgrund ihrer geringen therapeutischen Breite und Toxizität aber nur noch restriktiv und in ausgewählten Indikationen. Hierzu zählen Pentoxifyllin bei PAVK, Dipyri­damol zur Prävention postoperativer thromboembolischer Ereignisse und Sekundärprophylaxe von Schlaganfällen sowie Theophyllin bei obstruktiven Lungenerkrankungen.

 

Theophyllin ist ein wichtiges Reservetherapeutikum bei Asthma, wenn dieses durch die Standardtherapie nicht ausreichend kontrolliert werden kann, oder bei akuten Exazerbationen in der Notfalltherapie. Weiter wird es in niedriger Dosierung als Add-on-Therapeutikum bei Corticosteroid-resistentem Asthma und COPD in klinischen Studien geprüft (5, 33).

 

Neue Indikationen im Blick

 

PDE-Enzyme sind vielversprechende Targets für Arzneistoffe. Geprüft werden sowohl die Verwendung bekannter PDE-Inhibitoren in neuen Indikationen als auch neue Wirkstoffe, die bisher nicht adressierte PDE-Isoenzyme inhibieren und somit neuartige molekulare Mechanismen ausnutzen.

 

Das Drug-Repurposing (Verwendung eines »alten« Arzneistoffs in einer neuen Indikation) betrifft unter anderem Cilostazol, das auch bei post-angioplastischer Restenose und diabetischer Atherosklerose einen Nutzen zeigen könnte (34, 35). Für Roflumilast konnte in klinischen Studien eine Reduktion des HbA1c-Werts und der Blutglucose gezeigt werden, was einen Einsatz bei metabolischen Erkrankungen wie Typ-2-Diabetes eröffnen könnte (36). Mit ihrer potenten antiinflamma­torischen Wirkung könnten Roflumilast und andere PDE4-Inhibitoren eine Reihe von Erkrankungen positiv beeinflussen, bei denen Entzündungsprozesse eine zentrale Rolle spielen.

 

Auch die PDE5-Hemmer könnten bei zahlreichen Krankheitsbildern, vor allem des Herz-Kreislauf-Systems, eingesetzt werden. Hierzu zählen unter anderem Herzinsuffizienz, Bluthochdruck, Schlaganfall, Muskeldystrophien, kardiale Myopathie sowie Typ-2-­Dia­betes und metabolisches Syndrom (11). Ferner wird der Einsatz beim sekundären Raynaud-Syndrom, bei benigner Prostatahyperplasie und in weiteren Pathologien des Urogenitaltrakts diskutiert (37-39). Sildenafil konnte in ­präklinischen Modellen der Herzinsuffizienz unerwartet positive Effekte erzielen, was insbesondere durch eine gleichzeitige Hemmung der PDE1 erklärt wird (21, 40, 41). Diese Daten könnten auch neuen, dual wirkenden PDE1/PDE5-Inhibitoren den Weg in die Klinik ebnen.

Völlig neue Ansätze eröffnen PDE1-Inhibitoren als Regulatoren des Remodellings der vaskulären glatten Muskulatur (Indikationen: Atherosklerose, pulmonale arterielle Hypertonie, Restenose nach Stent-Implantation) sowie bei kognitiven Defiziten in neuropsy­chiatrischen Krankheitsbildern wie Schizophrenie (41, 42). PDE10A-Inhibitoren werden ebenfalls für den Einsatz bei Schizophrenie klinisch geprüft, da sie überzeugende Daten in verschiedenen Tiermodellen gezeigt haben (43). Diese Stoffklasse wird – wie die PDE4-Inhibitoren – auch mit einem möglichen positiven Effekt bei Chorea Huntington in Verbindung gebracht. PDE7-Inhibitoren könnten bei inflammatorischen Erkrankungen helfen, insbesondere aufgrund synergistischer Effekte bei gleichzeitiger Inhibition der PDE4 (11).

 

Neben diesen Ansätzen richten sich die Blicke der pharmazeutischen Forscher auch auf mechanistisch differente PDE-Modulatoren, die die Assozia­tion der PDE zu anderen Proteinen und Signalosomen unterbinden. Hier sind vor allem Peptide zu nennen, die die Interaktion zwischen PDE-Enzymen und EPAC-Proteinen (exchange protein activated by cAMP) unterbinden. Ein wei­terer Ansatz sind Subtyp-selektive PDE4D-Inhibitoren, die an allosterische Bindungsstellen binden, da das katalytische Zentrum in allen PDE4-Subtypen hoch konserviert und somit schwer zu differenzieren ist (11, 44, 45). Auf diesen Wegen könnten völlig neue PDE-Modulatoren entwickelt werden, die sich in ihrem Einsatzfeld und dessen Limitierung deutlich von bisherigen Ansätzen unterscheiden. Dies wäre ein wichtiger Schritt in der Behandlung noch nicht ausreichend behandelbarer Erkrankungen. /

 

Literatur bei den Verfassern

Die Autoren

Manfred Schubert-­Zsilavecz studierte Pharmazie in Graz und wurde 1989 promoviert. 1993 habilitierte er sich für das Fach Pharmazeutische Chemie in Graz und erhielt 1997 den Ruf auf eine Pro­fessur an der Goethe-Universität Frankfurt am Main, deren Vizepräsident er seit 2009 ist. Schubert-Zsilavecz ist zudem Wissenschaftlicher Leiter des ZL und seit April 2010 externes Mitglied der Chefredaktion der PZ. Von 2008 bis 2011 war er Präsident der Deutschen Pharmazeutischen Gesellschaft. Seine Forschungsgebiete umfassen die Medizinische Chemie nukleärer Rezeptoren (PPAR, FXR) und die Bioanalytik von Wirkstoffen

 

Daniel Flesch studierte Biomedizinische Chemie an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und ist seit Januar 2012 als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Arbeitskreis von Professor Schubert-Zsilavecz an der Goethe-Universität Frankfurt am Main tätig. Er ist Stipendiat der Else Kröner-Fresenius-Stiftung im Graduiertenkolleg »Translational Research Innovation Pharma–TRIP«.

 

Für die Verfasser:

 

Professor Dr. Manfred Schubert-Zsilavecz

Zentrum für Arzneimittelforschung, Entwicklung und Sicherheit

Institut für Pharmazeutische Chemie

Max-von-Laue-Straße 9

60438 Frankfurt am Main

 

E-Mail-Adresse: Schubert-Zsilavecz(at)pharmchem.uni-frankfurt.de

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