Den Fuß in die Tür stellen

Untersuchungen des Zentralinstituts für die kassenärztliche Versorgung und des Instituts für Sozialmedizin, Arbeitsmedizin und Public Health der Medizinischen Fakultät der Universität Leipzig zeigten für die Jahre 2009 bis 2016 einen deutschlandweiten drastischen Anstieg an Demenzpatienten um 40%. Gab es im Jahr 2009 noch eine Million Patienten, die an einer Demenz litten, waren es 2016 bereits 1,4 Millionen. Experten vermuten, dass bis 2030 über drei Millionen Menschen in Deutschland die Diagnose Demenz erhalten werden [1].

Die derzeitigen Therapiemöglichkeiten sind sehr begrenzt und können lediglich den Krankheitsverlauf verlangsamen, jedoch nicht zu einer Heilung führen (s. den Beitrag Schlenger R. „Wie war das noch gleich … mit der Alzheimer-Therapie? Halten Arzneimittel den geistigen Abbau auf?“ auf S. 58 in dieser Ausgabe der DAZ). Die pharmakologische Therapie zielt beispielsweise auf den Schutz und Erhalt neuronaler Zellen ab, die im Verlauf der Erkrankung durch pathophysiologische Prozesse zerstört werden. Angesichts der sich dramatisch entwickelnden Fallzahlen und des demografischen Wandels steht die Forschung vor der enormen Herausforderung, neue Wirkstoffe zu entwickeln, die im Kampf gegen Demenz eingesetzt werden können. Für die pharmakologische Therapie steht zurzeit neben Acetylcholinesterase-Inhibitoren wie Rivastigmin, Donepezil und Galantamin auch der nicht selektive NMDA-Rezeptor-Antagonist Memantin zur Verfügung (Abb. 1). NMDA(N-Methyl-D-Aspartat)-Rezeptoren scheinen speziell an der frühen Phase des Morbus Alzheimer beteiligt zu sein, da sie in dieser Zeit überaktiviert sind und später zahlenmäßig abnehmen [2].

NMDA-Rezeptoren, die zur Klasse der ionotropen Glut­amat-Rezeptoren gehören, stellen Liganden-gesteuerte Ionenkanäle dar. Als bislang einziger bekannter Rezeptor benötigt der NMDA-Rezeptor zwei Agonisten, (S)-Glutamat und Glycin, für die Öffnung der Ionenkanalpore, die im Ruhezustand mit Mg²⁺-Ionen verschlossen ist [3]. Nach Aktivierung des Rezeptors durch Teildepolarisation der umgebenden Membran und gleichzeitige Bindung von (S)-Glut­amat und Glycin als Co-Agonist wird das Mg²⁺-Ion entfernt und die Kanalpore durchlässig für Na⁺-, K⁺- und Ca²⁺-Ionen, die intrazellulär weitere Signalwege aktivieren [4]. Hieraus ergeben sich Langzeitveränderungen in der postsynaptischen Membran, woraus eine stabile Gedächtnisbildung resultiert [5]. Diesen Prozess, bei dem durch einen präsynaptischen Stimulus eine potenzierte postsynaptische Reaktion hervorgerufen wird, bezeichnet man als Langzeit­potenzierung. Bei NMDA-Rezeptoren handelt es sich um heterotetramere transmembranäre Proteine, bei denen zwei oder mehr der sieben bekannten Untereinheiten (GluN1, GluN2A-D und GluN3A-B) kombiniert sein können [6, 7]. Ein funktionsfähiger NMDA-Rezeptor besteht meist aus zwei GluN1- und zwei GluN2-Untereinheiten, wobei die Subtypen variieren (Abb. 2) [8].

Die Eigenschaften und die physiologische Funktion der hetero­tetrameren Ionenkanäle werden hauptsächlich durch die beteiligten GluN2-Untereinheiten bestimmt. Besonders die GluN2B-Untereinheit ist relevant für Lern- und Gedächtnisprozesse. Sie spielt aber auch eine wichtige Rolle bei exzito­toxischen Vorgängen, die aus einem Überangebot an Glut­amat und eine dadurch bedingte Ca²⁺-Überladung der Zelle resultieren. Diese Prozesse werden unter anderem mit der Entstehung von neurodegenerativen Erkrankungen wie Morbus Alzheimer in Zusammenhang gebracht.

Die Untereinheiten des Ionenkanals bestehen jeweils aus vier Domänen, wobei speziell die Transmembran-Domäne (TMD) sowie die beiden extrazellulären Ligandenbindungs-Domäne (LBD) und aminoterminale Domäne (ATD) für die Arzneimitteltherapie wichtig sind (s. Abb. 3). Unkompetitive Antagonisten wie Memantin und Amantadin (s. Abb. 1) binden in der Transmembran-Domäne und blockieren die Ionenkanalpore. Voraussetzung für die Bindung ist eine zuvor erfolgte Aktivierung und Öffnung des Kanals. Daher werden diese Wirkstoffe auch als „Offene-Kanal-Blocker“ bezeichnet. Kompetitive Antagonisten des NMDA-Rezeptors wie z. B. Selfotel konkurrieren hingegen direkt mit den Agonisten (S)-Glut­amat oder Glycin um die Bindung innerhalb der extrazellulären Ligandenbindungs-­Domäne. Darüber hinaus ist eine Vielzahl negativ-allosterischer Modulatoren beschrieben, die innerhalb der beiden extrazellulären Domänen binden. Der bekannteste Modulator ist Ifenprodil, welches innerhalb der aminoterminalen Domäne bindet [9, 10]. Die aminoterminale Domäne besitzt einen ähnlichen Aufbau wie die extrazelluläre Ligandenbindungs-Domäne und lässt sich ebenfalls in zwei Subdomänen (R1 und R2) unterteilen (s. Abb. 4). Während des Übergangs in verschiedene Ionenkanal-Konformationen kommt es zu einer deutlichen Reorientierung der räumlichen Struktur dieser ATD-Subdomänen, wodurch die Bindetasche für Ifenprodil beeinflusst wird. Im Gegensatz zu anderen ionotropen Glut­amat-Rezeptoren steht die aminoterminale Domäne des NMDA-Rezeptors in engem Kontakt mit der extrazellulären Ligandenbindungs-Domäne, sodass sie das Öffnungs­verhalten des Ionenkanals beeinflusst.

Rolle des NMDA-Rezeptors bei Morbus Alzheimer

Nach der sogenannten Amyloid-Hypothese kommt es bei Morbus Alzheimer zu einem Ungleichgewicht zwischen Produktion und Abbau von β-Amyloid [11]. Dieses Protein vermindert die Gedächtnisbildung, da es über verschiedene Mechanismen einen negativen Einfluss auf die Langzeit­potenzierung hat. So verhindert β-Amyloid beispielsweise die vom exzitatorischen Aminosäure-Transporter vermittelte Glutamat-Aufnahme aus dem synaptischen Spalt in die Astrozyten. Das in der Folge vermehrt im synaptischen Spalt vorliegende Glutamat aktiviert seinerseits extrasynaptische NMDA-Rezeptoren mit GluN2B-Untereinheit, die zur Zellschädigung durch apoptotische und nekrotische Prozesse führen. Dadurch fördert die durch NMDA-Rezeptoren mit GluN2B-Untereinheit vermittelte Exzitotoxizität die Entstehung und Progredienz der Alzheimer-Demenz.

Wirkstoffe, die antagonistisch am NMDA-Rezeptor angreifen, können diese Prozesse abmildern. Zu diesen Substanzen gehört Memantin, welches als offener Kanalblocker seit 2002 zur Therapie der mittelschweren bis schweren Alzheimer-Demenz zugelassen ist. Durch die unselektive Blockade aller NMDA-Rezeptoren werden jedoch physiologisch ­notwendige Prozesse sowie die für die Gedächtnisbildung erforderliche Aktivierung des Rezeptors beeinflusst, sodass es zu zahlreichen Nebenwirkungen kommen kann. Aus diesem Grund wird die Suche nach Subtyp-selektiven Inhibitoren von NMDA-Rezeptoren mit GluN2B-Untereinheit forciert. Die prototypische Leitverbindung für einen solchen Subtyp-selektiven Inhibitor stellt Ifenprodil dar, das selektiv an der GluN2B-Untereinheit des NMDA-Rezeptors angreift und eine neuroprotektive Wirkung zeigt, ohne die Gedächtnisbildung zu beeinflussen.

Ifenprodil als Leitverbindung für die Therapie von Morbus Alzheimer

Ifenprodil wurde erstmalig im Jahr 1971 als potenter α₁-Rezeptor-Antagonist beschrieben. Erst später stellte sich heraus, dass Ifenprodil auch ein Subtypen-selektiver Inhibitor von NMDA-Rezeptoren mit GluN2B-Untereinheit ist [12]. Als Therapeutikum neurodegenerativer Erkrankungen ist Ifenprodil aber ungeeignet, da nicht nur α₁- und NMDA-Rezeptoren adressiert werden, sondern auch eine hohe Affinität zu serotonergen und σ-Rezeptoren besteht. Hieraus ergibt sich ein großes Potenzial für Nebenwirkungen wie Beeinträchtigungen des Reaktionsvermögens oder Blutdruckabfall. Darüber hinaus besitzt Ifenprodil eine sehr niedrige Bioverfügbarkeit, da es sehr schnell metabolisiert wird. Als Hauptmetabolit wurde das Glucuronid des Phenols identifiziert.

Traxoprodil (Abb. 5) als Weiterentwicklung von Ifenprodil zeigt eine höhere Selektivität für die Ifenprodil-Bindestelle und eine höhere metabolische Stabilität. In klinischen Phase-II-Studien erwies sich Traxoprodil als aktiv bei der Behandlung der Major Depression. Aufgrund kardiovaskulärer Probleme (QT-Zeit-Verlängerung) wurde die klinische Studie jedoch abgebrochen.

Bis heute sind einige strukturverwandte Substanzen, wie das in Abb. 5 gezeigte Tetrahydro-3-Benzazepin (R)-WMS-1410, mit hoher Affinität für NMDA-Rezeptoren mit GluN2B-Untereinheit entworfen und hergestellt worden, um die Selektivität gegenüber anderen NMDA-Rezeptoren und non-NMDA-Rezeptoren zu verbessern. Im Gegensatz zur flexiblen Phenylethanolamin-Partialstruktur des Ifenprodils, die sich den strukturellen Gegebenheiten unterschiedlichster Rezeptor-Typen anpassen kann, handelt es sich bei dem 3-Benzazepin (R)-WMS-1410 um einen konformativ eingeschränkten Liganden, der potenziell weniger Interaktionen mit anderen Rezeptoren eingehen kann. Ein gemeinsamer molekularer Wirkmechanismus der Tetra­hydro-3-Benzazepine und der Leitverbindung Ifenprodil konnte jedoch bislang nicht aufgeklärt werden, obwohl die Kenntnis dieses Mechanismus essenziell für den therapeutischen Fortschritt bei der Bekämpfung der Alzheimer-­Demenz wäre [13].

Der „Fuß-in-der-Rezeptor-Tür“-Wirkmechanismus von Ifenprodil und 3-Benzazepinen

Für die normale Zellfunktion ist es essenziell, dass Ionenkanäle die Passage von Ionen nicht dauerhaft, sondern nur unter bestimmten Gegebenheiten erlauben. Die leitfähige Konformation eines Ionenkanals wird als „geöffneter“ Zustand bezeichnet, während der nichtleitende Zustand als „geschlossen“ bezeichnet wird. Der geöffnete Zustand des NMDA-Rezeptors wird nur eingenommen, wenn die beiden Agonisten (S)-Glutamat und Glycin gleichzeitig in der extrazellulären Ligandenbindungs-Domäne binden und der Mg²⁺-Block aufgehoben wird. Mittels Kryo-Elektronenmikroskopie ist es gelungen, diese Zustände für den NMDA-Rezeptor zu beobachten und ein makromolekulares Abbild dieser Ionenkanal-Konformationen zu erstellen [14]. Diese Abbilder wurden von den Arbeitsgruppen genutzt, um über computerbasierte Berechnungen Modelle des NMDA-Rezeptors mit einer Auflösung bis zu einzelnen Aminosäuren zu entwickeln. Die generierten Modelle wurden anschließend mit einer Kristallstruktur des NMDA-Rezeptors verglichen, in der gleichzeitig Ifenprodil in der Bindetasche vorliegt (Abb. 4). Es zeigte sich, dass Ifenprodil und (R)-WMS-1410 nur in der geschlossenen Rezeptor-Konformation binden können, da nur in dieser Konformation überhaupt eine Bindetasche vorliegt, die in ihrer Form und Größe für die Aufnahme der Liganden geeignet ist. In der geöffneten Konformation ist die Bindetasche viel zu klein, um einen Liganden zu binden.

Der inhibitorische Effekt von negativ-allosterischen Modulatoren wie Ifenprodil und (R)-WMS-1410 beruht darauf, dass der Rezeptor im geschlossenen Zustand festgehalten wird und nicht mehr in den geöffneten Zustand übergehen kann. Dafür verantwortlich ist in erster Linie die Aminosäure Phenylalanin-176 der GluN2B-Untereinheit. Beim Übergang vom geöffneten in den geschlossenen Zustand schwingt der Phenylrest dieser Aminosäure um nahezu 90° nach rechts unten. Diese Bewegung wird verursacht durch eine Abwärtsbewegung der so genannten α5-Helix, die eine Verbindung zwischen der aminoterminalen Domäne und der extrazellulären Ligandenbindungs-Domäne herstellt. Ein Aromat des negativ-allosterischen Modulators, meist ein Phenol, legt sich unter Ausbildung von π/π-Wechselwirkungen auf den Phenylring von Phenylalanin-176, sodass er nicht mehr zurückschwingen kann. Die α5-Helix bleibt nach unten gedrückt und die Kanalpore geschlossen. Der negativ-allosterische Modulator verhält sich also wie ein „Fuß-in-der-Rezeptor-Tür“, der die Funktion der Tür durch seine Anwesenheit blockiert (Foot-in-the-Door-­Mechanismus). Die Hemmung hält solange an, bis der negativ-allosterische Modulator die Ifenprodil-Bindestelle wieder verlassen hat und die α5-Helix sich wieder nach oben bewegen kann.

In Zeiten des demografischen Wandels ist mit einer deutlich wachsenden Anzahl an Demenz-Patienten zu rechnen. WHO-Schätzungen zufolge leiden weltweit ca. 50 Millionen Menschen an Demenz. In zehn Jahren werden es voraussichtlich schon 75 Millionen sein. Die Identifikation des Wirkmechanismus von Ifenprodil und (R)-WMS-1410 ist hierbei richtungsweisend für die Entwicklung neuer Arzneistoffe, da Ifenprodil selbst zwar selektiv gegenüber Rezeptoren mit anderen GluN2-Untereinheiten ist, jedoch auch mit hoher Affinität an α₁-, σ- und serotonerge Rezeptoren bindet. Der hier entdeckte Mechanismus stellt einen grundlegenden Mechanismus dar, der sich auf alle negativ-allosterische Modulatoren, die an der Ifenprodil-Bindestelle angreifen, übertragen lässt. |