Neue Erkenntnisse zur Bindung von Antihistaminika könnten zu wirksameren Behandlungen führen

Selbst wenn zwei Moleküle die exakt gleiche chemische Formel und die gleiche Anzahl und Art von Bindungen haben, kann ihre dreidimensionale Anordnung dennoch unterschiedlich sein. Manche Leute halten dies fälschlicherweise für ein kleines Detail, aber selbst einfache Änderungen der Position oder Ausrichtung einer funktionellen Gruppe können die biologischen Eigenschaften eines Moleküls dramatisch beeinflussen und manchmal eine ansonsten harmlose Substanz in eine hochgiftige verwandeln. Daher ist die Untersuchung solcher möglichen molekularen Varianten, sogenannter „geometrischer Isomere“, im Bereich der Arzneimittelentwicklung von wesentlicher Bedeutung.

Doxepin ist ein bemerkenswertes Beispiel für ein Medikament, das als Mischung zweier geometrischer Isomere, nämlich der E- und Z-Isomere, vermarktet wird. Beide Doxepin-Isomere binden an den Histamin-H1-Rezeptor (H1R), der im gesamten Zentralnervensystem, in glatten Muskelzellen und vaskulären Endothelzellen exprimiert wird.

Neben seiner Verwendung als Antihistaminikum wird Doxepin auch häufig als Antidepressivum und Schlafmittel eingesetzt. Während biologische Tests an Tieren gezeigt haben, dass das Z-Isomer wirksamer ist als das E-Isomer, sind die Unterschiede in der Affinität zu H1R zwischen den E- und Z-Isomeren unbekannt. Darüber hinaus sind die Einzelheiten, wie diese Verbindungen tatsächlich an H1R binden, noch immer unklar.

Vor diesem Hintergrund hat sich ein Forschungsteam der Tokyo University of Science, Japan, vorgenommen, die feineren Details der Wechselwirkungen zwischen Doxepin-Isomeren und H1R aufzuklären. Ihr neuestes Papier, das am 25. Juni 2024 im Zeitschrift für molekulare Erkennungwurde unter anderem von Professor Mitsunori Shiroishi, Herrn Hiroto Kaneko und Associate Professor Tadashi Ando mitverfasst. Diese Studie ist eine Fortsetzung früherer Arbeiten von Prof. Shiroishi und Kollegen.

„Wir haben zuvor die Kristallstruktur des Komplexes aus H1R und Doxepin enthüllt, konnten jedoch nicht feststellen, welches Isomer gebunden war“, erklärt Shiroishi. „Dann haben wir eine Methode entwickelt, um die Bindungsaffinität der Isomere zu bestimmen, und haben daher diese Studie durchgeführt.“

Um dieses anspruchsvolle Ziel zu erreichen, stellten die Forscher zunächst einen maßgeschneiderten Hefe-Expressionsvektor her, in den sie das H1R-Gen strategisch einfügten. Dieser Vektor wurde verwendet, um Hefekulturen so zu modifizieren, dass sie H1R produzieren.

Nachdem sie die Membranen aus diesen Zellen entnommen hatten, verwendeten sie eine Lösung mit handelsüblichem Doxepin, wodurch H1R-Doxepin-Komplexe entstanden. Nach der Extraktion und Reinigung dieser Komplexe entfernten sie überschüssiges (ungebundenes) Doxepin. Schließlich konnten sie durch Denaturierung der H1R-Rezeptoren die gebundenen Doxepin-Moleküle freisetzen und ihre Anzahl in einem Hochleistungsflüssigkeitschromatographie-Setup messen.

Mithilfe dieses Protokolls konnten die Forscher die Menge jedes Isomers, das an die extrahierten Rezeptoren gebunden war, genau quantifizieren, was direkt mit ihrer relativen Bindungsaffinität zusammenhängt. Sie fanden heraus, dass die Affinität des Z-Isomers zu H1R über fünfmal höher war als die des E-Isomers.

Anschließend untersuchte das Team die Natur der Bindung von Doxepin-Isomeren an H1R. Durch Experimente an einer mutierten Variante von H1R in Verbindung mit molekulardynamischen Simulationen fanden sie heraus, dass die Thr112-Seitenkette in der Ligandenbindungstasche von H1R eine chemische Umgebung schafft, die die Selektivität für das Z-Isomer erhöht.

Zusammengefasst geben die Erkenntnisse dieser Studie Aufschluss darüber, wie ein weit verbreitetes niedermolekulares Arzneimittel mit einem wichtigen zellulären Rezeptor interagiert.

„Unsere Bemühungen könnten als Grundlage für die Entwicklung von Antihistaminika der nächsten Generation dienen, die wirksamer sind und weniger Nebenwirkungen haben“, sagt Shiroishi. „Bemerkenswerterweise wird dieses neu gewonnene Wissen für die Entwicklung von Verbindungen nützlich sein, die nicht nur an H1R, sondern auch an andere krankheitsrelevante Zielproteine ​​binden.“

Das rationale Design zukünftiger Medikamente, unterstützt und validiert durch Computertechniken wie molekulardynamische Simulationen, könnte eine neue Ära in der Medizin einläuten. Genauer gesagt könnten durch das detaillierte Verständnis der Bindungseigenschaften von Isomeren viele niedermolekulare Medikamente wirksamer, sicherer und besser für gezielte Therapien geeignet gemacht werden.