Boceprevir (Victrelis ) und Telaprevir (Incivo ) Die 2004 publizierte

Boceprevir und Telaprevir - Pharmazeutische Chemie
Boceprevir (Victrelis
) und Telaprevir (Incivo
)
Die 2004 publizierte und 2010 aktualisierte S3-Leitlinie zur Hepatistis-C-VirusInfektion empfiehlt als Standardtherapie bei einer chronischen Hepatistis-CErkrankung die Gabe von pegyliertem Interferon-α in Kombination mit
Ribaverin (Sarrazin et al. 2010). In Abhängigkeit vom HCV-Genotyp kann eine
solche Therapie bis zu 72 Wochen dauern. Bei den HCV-Genotypen 2 und 3
beträgt die Heilungsrate mit einer solchen Kombination bis zu 90 %. Schlechter
sieht es bei Patienten mit einer HCV-Infektion vom Genotyp 1 aus. Hier beträgt
die Heilungschance nur etwa 50 %. Wenn man dann noch die oftmals
beträchtlichen Nebenwirkungen unter pegyliertem Interferon-α und Ribaverin
hinzuzieht, wird deutlich, dass dringend Therapieoptionen in Form neuer
antiviral wirksamer Arzneistoffe benötigt werden.
Boceprevir
O
H
N
NH2
N
H
N
H
N
O
O
O
O
Telaprevir
O
H
N
O
H
N
N
H
N
N
O
N
H
O
O
O
N
Abbildung 1: Strukurformeln der neuen HCV-Protease-Inhibitoren
1
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Boceprevir und Telaprevir - Pharmazeutische Chemie
Mit Boceprevir (Victrelis) und Telaprevir (Incivo) (Strukturformeln s.
Abbildung 1) stehen nun zwei neue direkt antiviral wirksame und peroral
bioverfügbare Arzneistoffe in Kombination mit pegyliertem Interferon-α und
Ribaverin zur Behandlung der chronischen HCV-Infektion vom Genotyp 1 zur
Verfügung. Beide Arzneistoffe gehören zu den Protease-Inhibitoren, eine
Arzneistoffklasse, die bislang lediglich bei der Therapie der HIV-Infektion
bekannt war. Etablierte HIV-Protease-Hemmer sind beispielsweise Saquinavir,
Indinavir und Ritonavir.
Boceprevir und Telaprevir hemmen spezifisch die NS3/4A-Protease des HCV.
Die NS3/4A-Protease spaltet das virale Vorläuferprotein in verschiedene
strukturelle und nichtstrukturelle Proteine und ist somit essentiell für die
Replikation des Virus (Pizzi et al. 1994). Zudem kann sie Substanzen innerhalb
der Interferon-Signalkaskade spalten und ist in der Lage, die Aktivierung von
Interferonen und Zytokinen und damit die körpereigene Immunantwort auf das
HCV zu unterdrücken. (Lahm et al. 2002, Raney et al. 2010, Lange et al. 2011).
Eine Hemmung dieser HCV-Protease verhindert somit sowohl die Replikation
des Virus als auch die körpereigene Immunantwort und scheint demzufolge eine
erfolgversprechende Therapieoption zu sein.
Die Kristallstruktur des NS3-Proteins ist bekannt (u.a. Yao et al. 1999). Das
NS3-Protein und das NS4A-Protein des HCV bilden einen nichtkovalenten
Komplex, wobei das NS4A-Protein als Kofaktor fungiert. NS3 ist ein
bifunktionelles Enzym. Das N-terminale Ende bildet eine Serinprotease und das
C-terminale Ende eine RNS-abhängige NTPase/Helikase (Lahm et al. 2002).
Das aktive Zentrum der NS3-Serinprotease wird entsprechend zu den humanen
Serinproteasen (z.B. Chymotrypsin, Trypsin, Thrombin) durch eine katalytische
Triade bestehend aus den Aminosäuren Serin, Histidin und Asparaginsäure
gebildet (bei HCV: Ser-139, His-57, Asp-181) (Abbildung 2). Die Hydrolyse
des viralen Vorläuferproteins wird durch einen nukleophilen Angriff der
Hydroxylgruppe des Serins am Carbonyl-Kohlenstoff der zu spaltenden
Peptidbindung eingeleitet. Das tetraedrische Intermediat ist negativ geladen und
wird durch Wechselwirkungen in der Oxyanionentasche des Enzyms stabilisiert.
Nach der Abspaltung des ersten Hydrolyseproduktes, des primären Amins, wird
das acylierte Enzym mit Hilfe eines Wassermoleküls über ein weiteres
anionisches Intermediat und unter Abspaltung des zweiten Hydrolyseproduktes,
der Carbonsäure, regeneriert (Schirmeister und Welker 2009, Raney et al. 2010).
Da der Hydrolysemechanismus der NS3-Serinprotease über kovalente
Intermediate verläuft, entwickelte man auch kovalente Inhibitoren für dieses
Enzym. Üblicherweise wird dabei die zu spaltende Amidbindung durch eine
elektrophile Einheit ersetzt, die ein kovalentes Addukt mit dem Serinrest bildet.
Substanzen, die diesen Bauplan aufweisen, werden als „transition-state
analogues“ bzw. als „serine-trap inhibitors“ bezeichnet. Eine Vielzahl
2
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elektrophiler Gruppen ist bislang zur Synthese von Inhibitoren dieser
Serinprotease getestet worden, u.a. Aldehyde, Lactame, α-Ketosäuren und αKetoamide (Steinkühler et al. 2001, De Francesco et al. 2003).
O
R1
R2
N
H
O
Peptidbindung
Substrat
O
H
N
N
H
O
Asp81
Ser139
2. Hydrolyseprodukt Carbonsäure
OH
R1
O
His57
(1)
R1
2. tetrahedrisches
Intermediat
H
O
O
O
H
N
H
N
O
Ser139
O
R1
N
H
O
H
R2
Asp81
1. tetrahedrisches
Intermediat
O
His57
(4)
N
N
H
O
Ser139
Asp81
O
His57
(2)
H2N
R2
O
H2O
R1
1. Hydrolyseprodukt Amin
H
H
O
O
N
N
H
O
Ser139
Asp81
O
His57
(3)
Abbildung 2: Hydrolysemechanismus der NS3-Serinprotease nach Raney et al. 2010 sowie
Schirmeister und Welker 2009
3
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Boceprevir und Telaprevir - Pharmazeutische Chemie
Boceprevir und Telaprevir gehören zu den α-Ketoamiden (Abbildung 3). Beide
Wirkstoffe sind kovalent-reversible Inhibitoren der NS3-Serinprotease.
O
H
N
Boceprevir
NH 2
alpha-Ketoamid
N
H
N
H
N
O
O
O
O
Angriff der Hydroxylgruppe des Serin 139 an das
C-Atom der alpha-Ketogruppe des Boceprevir
O
NH 2
alpha-Ketoamid
O
O
H
N
H
N
O
Asp 81
Ser139
O
katalytische Triade der
NS3-Serinprotease
His 57
Zerfall des kovalenten
Enzym-Inhibitor-Konjugates
Bildung des kovalenten
Enzym-Inhibitor-Konjugates
O
NH 2
O
Ser139
O
H
N
N
H
O
Asp 81
O
His57
kovalentes Enzym-Inhibitor-Konjugat
Abbildung 3:
Wirkungsmechanismus der kovalent-reversiblen NS3-Serinprotease-Hemmer
mit α-Ketoamid-Partialstruktur
4
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Boceprevir und Telaprevir - Pharmazeutische Chemie
Durch einen nukleophilen Angriff der Hydroxylgruppe des Serin 139 innerhalb
der katalytischen Triade von NS3 am Kohlenstoff der α-Ketogruppe von
Boceprevir bzw. Telaprevir bildet sich ein kovalentes Enzym-InhibitorKonjugat, das ein tetraedrisches Kohlenstoffatom an der Verknüpfungsstelle
besitzt. Dieses Konjugat entspricht quasi dem ersten tetraedrischen Intermediat,
wenn das eigentliche Substrat hydrolisiert wird. Die Bildung des EnzymInhibitor-Konjugates ist reversibel, jedoch ist dieser Komplex ausreichend
stabil, um das aktive Zentrum von NS3 effektiv zu blockieren. Für Telaprevir
beträgt die Halbwertszeit des Enzym-Inhibitor-Komplexes ungefähr eine Stunde
(Perni et al. 2006, Neyts 2006), für Boceprevir sogar 10 bis 20 Stunden
(Malcolm et al. 2006).
Obwohl es sich bei der NS3/4A-Protease um eine Serinprotease handelt,
unterscheidet sich das aktive Zentrum doch deutlich von dem anderer
Serinproteasen. Die NS3-Substratbindungstasche ist sehr flach, die eigentlich
typischen Bindungstaschen fehlen, weshalb für die Bindung zahlreiche
Wechselwirkungen benötigt werden (De Francesco und Migliaccio 2005). Die
Spezifität für die passgenaue Bindung im aktiven Zentrum ergibt sich bei den
beiden neuen Proteasehemmern durch ihren peptidomimetischen Molekülanteil.
Die Bindungsstelle für Substrate in Proteasen liegt in einer Spalte. Nach Berger
und Schechter ergibt sich für die einzelnen Aminosäuren sowie deren
Bindungsstellen in der Spalte eine einheitliche Nomenklatur. Ausgehend von der
zu spaltenden Peptidbindung werden die Aminosäurereste des Substrates zum
N-terminalen Ende hin als P1, P2, P3, usw., die zum C-terminalen Ende hin als
P1’, P2’, P3’, usw. bezeichnet. Die entsprechenden Bindungstaschen in der Spalte
werden dementsprechend als S1, S2, S3, usw. zum N-terminalen Ende hin und
als S1’, S2’, S3’, usw. zum C-terminalen Ende hin gekennzeichnet (Schechter und
Berger 1967). Beide neuen Inhibitoren ähneln sich in ihrer Struktur und in der
Ausfüllung der hydrophoben S1- bis S3-Taschen.
Boceprevir ist ein P1- bis P3-peptidomimetischer Inhibitor. Telaprevir ist länger
und füllt zusätzliche Taschen aus. Insbesondere der S1-Tasche wurde bei der
Entwicklung von Boceprevir bzw. Telaprevir Aufmerksamkeit gewidmet. Das
zu spaltende virale Vorläuferprotein, also das natürliche NS3-Substrat, enthält
an dieser Position vorwiegend einen Cysteinrest, seltener einen Threoninrest
(Pizzi et al. 1994, Steinkühler et al. 2001). An P1-Position der neuen Inhibitoren
sitzen sich ähnelnde Aminosäuren mit lipohilen Resten: Boceprevir enthält dort
eine Aminosäure mit einem Cyclobutylmethylrest („Cyclobutylalanin“),
Telaprevir eine mit einem n-Propylrest („Ethylalanin“) (s. Abbildungen 4 und
5). Beide Inhibitoren besitzen an P1 ein chirales C-Atom. Das jeweilige (S)Diastereomer besitzt wesentlich höhere Aktivität als das entsprechende (R)Diastereomer (Venkatraman et al. 2010). Interessanterweise stellt Boceprevir
hinsichtlich
des
chiralen
C-Atoms
dieser
P1-Aminosäure
ein
Diastereomerengemisch dar, während Telaprevir kein Gemisch der zwei
5
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möglichen Diastereomeren ist, sondern diastereomerenrein in Form des (S)Diastereomers verwendet wird. Unter physiologischen Bedingungen findet
allerdings eine schnelle Epimerisierung statt, so dass die Verwendung des (S)Diastereomers wie beim Telaprevir keinen Vorteil gegenüber der Verwendung
des Gemisches wie beim Boceprevir haben sollte.
Telaprevir:
N
chirales C-Atom:
Boceprevir: (R)- und (S)-Diastereomer
Telaprevir: nur (S)-Diastereomer
bizyklisches Prolin bei
Boceprevir und Telaprevir
bei Telaprevir längere Kette,
mehr Taschen werden ausgefüllt:
Boceprevir
O
N
N
O
N
H
H
N
O
(R,S)
NH2
N
H
N
H
N
O
H
O
O
Telaprevir:
O
H
N
Boceprevir:
(R,S)-Cyclobutylalanin
Telaprevir:
(S)-Ethylalanin
bei Boceprevir und
Telaprevir identisch:
tert.-Butylglycin
(S)
H
Abbildung 4:
Strukturvergleich Boceprevir und Telaprevir
Die P2-Position nimmt in beiden Inhibitoren ein ähnlich substituiertes, sehr
rigides, bizyklisches Prolin ein, die P3-Position ist wiederum in beiden
Inhibitoren identisch besetzt mit einer Aminosäure, die einen tert.-Butylrest
(„tert.-Butylglycin“) trägt.
6
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Boceprevir und Telaprevir - Pharmazeutische Chemie
Boceprevir ist ein primäres, Telaprevir dagegen ein cyclopropyl-substituiertes
sekundäres α-Ketoamid. Ein tertiäres α-Ketoamid dagegen ist nahezu
unwirksam (Madison et al. 2008).
zu spaltende Peptidbindung
O
virales Polypeptid
N
H
S2
O
Boceprevir
H
N
NH2
N
H
N
H
N
O
O
O
O
S1
S3
S2
Telaprevir
O
H
N
O
H
N
N
H
N
N
O
N
H
O
O
O
N
S1
S3
Abbildung 5:
Bindung von Boceprevir und Telaprevir in den Taschen S1 bis S3
7
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Boceprevir und Telaprevir - Pharmazeutische Chemie
Zahlreiche weitere NS3/4A-Protease-Inhibitoren befinden sich derzeit in der
Entwicklung. Da sich mit Boceprevir und Telaprevir die Struktur der αKetoamide als „serine-trap inhibitors“ etabliert hat, besitzen folglich auch die
Nachfolgesubstanzen der zweiten Generation diese Partialstruktur. Ein
vielversprechender Kandidat ist Narlaprevir (SCH 900518) (Tong et al. 2010).
Auch diese Verbindung bildet über Serin 139 eine kovalente Bindung zur
Serinprotease aus. Die Halbwertszeit dieses Komplexes beträgt ein bis zwei
Stunden und liegt damit im Bereich von Telaprevir (Strukturformel s. Abbildung
6).
wie bei Boceprevir
wie bei Telaprevir
O
Narlaprevir
H
N
H
N
N
H
N
H
N
S
O
O
O
O
O
O
neu
wie bei Boceprevir/
Telaprevir, allerdings
unterschiedliche
Konfiguration am
chiralen C-Atom
Abbildung 6
1 C-Atom mehr
als bei Telaprevir
Kovalent-reversibler HCV-NS3-Inhibitor in der klinischen Entwicklung
Sowohl die hohe Replikationsrate des Hepatitis-C-Virus als auch die
Ungenauigkeit der HCV-Polymerase können zu Mutationen an verschiedenen
Stellen der HCV-NS3-Protease und damit zu Resistenzen gegen die neu
entwickelten NS3-Inhibitoren führen. Bei Boceprevir und Telaprevir wurden an
verschiedenen Positionen Resistenzmutationen identifiziert, die natürlich
während einer Therapie zu viralen Durchbrüchen führen können. Die
Wahrscheinlichkeit des Auftretens solcher Mutationen mit entsprechenden
viralen Durchbrüchen ist für eine Monotherapie größer als für eine
Kombinationstherapie mit pegyliertem Interferon-α und Ribaverin (u.a. Welsch
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Boceprevir und Telaprevir - Pharmazeutische Chemie
et al. 2008, Sarrazin und Zeuzem 2010, Lange et al. 2011). Auch die sich derzeit
in der klinischen Prüfung befindlichen Inhibitoren der zweiten Generation
zeigen solche Resistenzen.
O
N
N
O
NH
Ciluprevir
S
O
N
H
N
O
OH
O
O
NH
O
O
N
N
O
TMC-435
S
H
N
N
O
Abbildung 7:
O
O
O
S
N
H
O
Strukturformeln zweier nichtkovalenter NS3-Inhibitoren („product-based
inhibitors“)
9
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Boceprevir und Telaprevir - Pharmazeutische Chemie
Parallel zur Entwicklung kovalent-reversibler Inhibitoren mit α-KetoamidPartialstruktur wird ein weiterer Weg verfolgt. Ausgehend von der
Beobachtung, dass die N-terminalen Hydrolyseprodukte insbesondere durch die
freie Carbonsäuregruppe des P1-Cysteins über Wechselwirkungen mit dem
aktiven Zentrum eine sogenannte Produkt-Hemmung der NS3-Protease
bewirken, sind in den letzten Jahren zahlreiche nichtkovalente Inhibitoren
(„product-based inhibitors“) mit P1-Carboxylgruppe synthetisiert worden. Der
erste NS3-Inhibitor dieser Art, der in die klinische Prüfung gelangte, war
Ciluprevir, dessen weitere Entwicklung aufgrund seiner Kardiotoxizität aber
eingestellt wurde (Neyts 2006, Liu-Young und Kozal 2008). Mittlerweile
befinden sich zahlreiche Nachfolgesubstanzen in der klinischen Prüfung wie
zum Beispiel TMC-435 (Lenz et al. 2010) (Strukturformeln s. Abbildung 7).
Strukturell weist die Klasse der reveriblen nichtkovalenten Inhibitoren keinerlei
Gemeinsamkeiten mit den α-Ketoamiden auf. Es handelt sich wie im Fall von
Ciluprevir entweder um peptidomimetische, makrozyklische Carbonsäuren oder
aber wie bei TMC-435 um die entsprechenden bioisosteren Sulfonamide.
Literatur:
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De Francesco, R. und Migliaccio, G. Nature 2005, 436, 953
Lahm, A. et al. Curr Drug Targets 2002, 3, 281
Lange, C.M. et al. Pharm Unserer Zeit 2011, 1, 60
Lenz, O. et al. Antimicrob Agents Chemother 2010, 54, 1878
Liu-Young, G. und Kozal, M.J. AIDS Patient Care STDS 2008. 22, 449
Madison, V. et al. J Synchotron Radiat 2008, 15, 204
Malcolm, B.A. et al. Antimicrob Agents Chemother 2006, 50, 1013
Neyts, J. Antiviral Res 2006, 71, 363
Perni, R.B. et al. Antimicrob Agents Chemother 2006, 50, 899
Pizzi, E. et al. Proc Natl Acad Sci 1994, 91, 888
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Sarrazin, C. et al. Z Gastroenterol 2010, 48, 289
Sarrazin, C. und Zeuzem, S. Gastroenterology 2010, 138, 447
Schechter, I. und Berger, A. Biochem Biophys Res Commun 1967, 27, 157
Schirmeister, T. und Welker, A. Pharm Unserer Zeit 2009, 6, 564
Steinkühler, C. et al. Curr Med Chem 2001, 8, 919
Tong, X. et al. Antimicrob Agents Chemother 2010, 54, 2365
Venkatraman, S. et al. Bioorg Med Chem Lett 2010, 20, 2151
Welsch et al. Genome Biol 2008, 23, 9
Yao, N. et al. Structure Fold Des 1999, 7, 1353
10
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