FARMAKODYNAMIIKKA 10/14/13. Farmakodynamiikka. Erilaisia lääkeaineita. Mikä on lääke? Mikä lääkeaine? Vaikuttaakseen lääkeaineen on sitouduttava

Transkriptio

1 Farmakodynamiikka FARMAKO- φάρµακον, lääkeaine- DYNAMIIKKA δύναµις, voima, kyky, taito, teho ääkeaineiden vaikutusmekanismin ja vaikutuksen tutkiminen FARMAKODYNAMIIKKA Esko Kankuri Vaikuttaakseen lääkeaineen on sitouduttava Paul Ehrlich ( ) John Newport angley ( ) Miten lääkeaineet vaikuttavat elimistöön? ääke vs. lääkevalmiste vs. ÄÄKEAINE 1700-, 1800-luvuilla ja 1900-luvun alussa löytöretkeilijöiden havaintoja ja kertomuksia kuraresta v (1970) d- tai (+)-tubokurariini Kolinerginen nikotiinireseptori rakenne 1970-luku -> Corpora non agunt nisi fixata Reseptoriteoria reseptiivinen substanssi Mikä on lääke? Mikä lääkeaine? ääke on valmiste tai aine, jonka tarkoituksena on sisäisesti tai ulkoisesti käytettynä parantaa, lievittää tai ehkäistä sairautta tai sen oireita ionikanavan proteiinirakenteita (Na+ selektiivinen) Chondrodendron tomentosum Erilaisia lääkeaineita Pienimolekyylisiä yhdisteitä kaptopriili asetyylisalisyylihappo, ASA ääkeaine on kemiallisesti tai muuten tieteellisin menetelmin yksityiskohtaisesti määritelty elimistöön vaikuttava aine, jota käytetään lääkevalmisteen valmistuksessa tai lääkkeenä sellaisenaan Elävien solujen tuottamat lääkeaineet rekombinantit proteiinit, esim. insuliini, kasvuhormoni monoklonaaliset vasta-aineet ym. Geeniterapia virukset, bakteerit Golimumabi ÄÄKEAKI ( /395) Esim. TNF-α estäjät Adalimumabi Infliksimabi TNF-α ääkevalmisteella tarkoitetaan lääkettä: 1) joka on valmistettu tai maahantuotu lääkelain mukaisesti; ja 2) joka on tarkoitettu lääkkeenä käytettäväksi; ja 3) jota myydään tai muutoin kulutukseen luovutetaan myyntipakkauksessa Biologiset lääkeaineet Etanersepti Sertolitsumabipegoli 1

2 ASA vs. monoklonaalinen vasta-aine Joitain lääkekehitysmuotojen eroja Klassiset lääkeaineet, esim. Nykyaikainen lääkekehitys, esim. Taudin molekyylitason perustan ja syyn löytäminen Kemiallinen synteesi ääkeaineen kohteen tunnistaminen Terapeuttinen seulonta eri malleissa Kohteen rakenteeseen tai toimintaan perustuvien molekyylien sunnittelu/kehitys ääkeaineen tuotto ja laboratoriotestaus ääkeaineen kulkeutuminen vaikutuskohteeseensa ääkevalmisteen kehitys ja in vivo-kokeet ASA Kliiniset kokeet Kokeellinen sitoutumismittaus Kohdemolekyyli (esim. reseptoriproteiini) ja lääkeaine (reseptoriin sitoutuva ligandi) reagoivat Mittausta varten ligandi leimataan (radioaktiivisuus/ Reseptorisitoutumisen mittaaminen Taustasitoutumisen määrittäminen Reseptorisitoutumisen mittaaminen [Sitoutuminen reseptoriin] Kohteen tunnistamisen jälkeen miten lääkeaineiden sitoutuminen voidaan selvittää? Bmax fluoresenssi) Affiniteetti lääkeaineen taipumus sitoutua reseptoriin B50 [ääkeaineen pitoisuus] kd ääkeaine + reseptori Dissosiaatiovakio [] + [R] + k1 [R] k2 kd kuvaa reseptori-ligandi kompleksin hajoamista (eriytymistä) jälleen ligandiksi ja reseptoriksi [] + [R] k1 k2 [R] 2 [][] D = = 1 ["] Mitä pienempi kd sitä suurempi lääkeaineen taipumus kiinnittyä (affiniteetti) reseptoriin 2

3 INEWEAVER-BURK Sitoutuneiden reseptorien suhteellinen osuus kaikkien reseptorien määrästä, Rtot ["] [tot] ["] =[]+["] [] + [R] [R] Sijoitetaan kd yhtälöön " [] ["] = Kerrotaan[] " " " " ["] = [] "[] " = 2 [] = 1 ["] Jaetaan[R] Sitoutuneiden reseptorien osuus (otetaan huomioon maksimaalisesta sitoutumisesta, Bmax = max max[] = " + " + [] angmuirin yhtälö Silloin kun [] = kd, niin = max max 1 = = "#$ " ollaan tasapainossa ja puolet reseptoreista on sitoutunut. Scatchard plot a = 1 d Annosvasteen mittaaminen ääkeaineen vasteen mittausta varten tarvitaan biologinen koejärjestely esim. soluviljely, jossa ko. reseptorivälitteinen vaste voidaan mitata Vaste mitataan usealla eri lääkeaineen annoksella Esimerkkejä vasteesta soluviljelykoejärjestelyssä: hermosolun polarisaatiomuutos (tulehdus)välittäjäaineen tuotannon muutos tms. ääkeaine + reseptori --> VASTE [] + [R] k1 [R] k2 + ANNOSVASTE VASTE% Annosvastekuvaaja puoli-logaritmisella asteikolla 100% k1 75% k2 EC=Effective concentration VASTE 50% Reseptorin aktivaatio ja lääkevaste [ÄÄKEAINE] ANNOS 25% EC25 EC50 EC75 OG[äääkeaine] 3

4 ANNOSVASTE ääkeaineiden voimakkuus ja teho ovat toisistaan riippumattomia. TEHO SAMA - ERI VOIMAKKUUS (potency) ~ EC50 100% ANNOSVASTE ääkeaineiden voimakkuus ja teho ovat toisistaan riippumattomia. VASTE ERI TEHO (efficacy) EI ERI MAKSIMIVASTEIDEN SUURUUDET E max VASTE% voimakkaampi agonisti A B C heikompi agonisti 50% E max EC 50 EC 50 EC 50 OG[ÄÄKEAINE] EC 50 EC 50 OG[ÄÄKEAIN Kilpaileva sitoutuminen ääkeaineet A ja B kilpailevat sitoutumisesta samaan kohtaan Sitoutuminen lyhytaikaista B A Agonistin annosvaste antagonistin läsnäollessa 100% Suurilla agonistin pitoisuuksilla voidaan kumota antagonistin vaikutus Kilpailematon sitoutuminen Joko samaan kohtaan tai allosteerisesti eri kohtaan kohdemolekyyliä Suurillakaan agonistipitoisuuksilla ei voida kumota antagonistin vaikutusta tai VASTE% Kilpailemattoman antagonistin vaikutus Kilpailevan antagonistin vaikutus Allosteerinen säätely voi myös olla agonistin vaikutusta potentioivaa OG[ÄÄKEAINE] ANTAGONISTIN ANNOSVASTE Käänteisagonisti Agonistin vaste% Kun reaktiossa agonistin pitoisuus pysyy vakiona. 100% Ilman agonistia reseptorin aktivaatio tasapainossa inaktiivisen ja aktiivisen muodon välillä [R] [R*] [R] [R*] 75% IC= inhibitory concentration Agonistin ( A ) vaikutuksesta reseptorin aktivoitunut muoto vallitsevampi [ A R] [ A R*] [R] [R*] 50% 25% Käänteisagonistin ( KA ) vaikutuksesta reseptorin inaktiivisesta muodosta tulee vallitsevampi [ KA R] [ KA R*] [R] [R*] IC 25 IC 50 IC 75 OG[antagonisti] Käänteisagonistin vaikutuksesta ilman agonistia havaitun vasteen määrä vähenee 4

5 AGONISTI R+R*+E agonisti Agonistit ja antagonistit Vastetaso reseptorin aktiivisen ja inaktiivisen muodon ollessa tasapainossa OSITTAISAGONISTI R+R*+E osit. agonisti Agonisti sitoutuu ja aktivoi reseptorin tuottaen samanlaisen vasteen kuin reseptorin luonnollinen agonisti(ligandi) VASTE R+R* E lääkeaine = lääkeaineen aikaansaama vasteen muutos ANTAGONISTI R+R*+E antagonisti R+R*+E käänt. agonisti KÄÄNTEISAGONISTI Antagonisti sitoutuu reseptoriin, mutta ei aktivoi sitä Antagonisti estää agonistin tai luonnollisen ligandin vastetta Antagonisti ei tuota vastetta ilman agonistin läsnäoloa Fysiogisessa ympäristössä antagonistilla vastakkainen vaikutus kuin agonistilla IC 50 : antagonistin pitoisuus joka estää 50% agonistin vasteesta Affiniteetti ja voimakkuus Affiniteetti kertoo kuinka voimakkaasti lääkeaine sitoutuu reseptoriinsa/kohdemolekyyliinsä Korkea affiniteetti = lääkeaine sitoutuu reseptoriin pienillä pitoisuuksilla Matala affiniteetti = lääkeaine sitoutuu vasta suuremmilla pitoisuuksilla Suuri voimakkuus ääkeaineella korkea affiniteetti JA Pienet pitoisuudet riittävät vasteen aikaansaamiseksi Kohdemolekyyli -> hoitovaste ääkeaineen sitoutuminen kohdemolekyyliinsä à Kohdemolekyylin toiminnan muutos à Solun toiminnan muutos à Toiminnan muutos kudostasolla à Hoitovaste Annos Oikea annos on äärimmäisen tärkeä iian matala annos: vain placebo-vaikutus Kohdekudoksen reseptorit vapaina lääkeaineesta Oikea annos: hoitovaste ääkeaine sitoutuu kohdekudoksen reseptoreihin Yliannos: sivuvaikutukset, haittavaikutukset, myrkytykset? ääkeaine sitoutuu ylimäärin reseptoreihinsa kohdekudoksessa sekä muissa kudoksissa Sitoutuu myös epäspesifisesti muihin reseptoreihin Vaikutuksen alkuaika Vaikutusmekanismista riippuen Kipulääkkeet (opioidit ja tulehduskipulääkkeet) Nopea vaikutuksen alku Immunosuppressiiviset lääkkeet Hidas vaikutuksen alku (vaik. tulehdussolujen metaboliaan/dna synteesiin) Masennuslääkkeet aivojen adaptiiviset mekanismit vievät aikaa terapeuttinen vaikutus ilmenee us. vasta n.3-4 viikon käytön jälkeen 5

6 Terapeuttinen ikkuna Esim. morfiini i.v. Kuolema Hengityslama Hengityslama Number needed to treat (NNT) Potilasmäärä, joka on hoidettava jotta yksi hyötyisi Mitä suurempi NNT, sitä tehottomampi hoito Vaste Analgesia Analgesia Ei tehoa Annos Annos (µg/kg) Turvallisuusmarginaali: Miten paljon annosta voidaan kasvattaa ilman vakavia haitta-/sivuvaikutuksia ääkeaineiden kohdemolekyylit Useimpien lääkeaineiden vaikutus perustuu niiden sitoutumiseen johonkin elimistön makromolekyyliin, esim. proteiiniin -->KOHDEMOEKYYI ÄÄKEAINEIDEN KOHDEMOEKYYIT TYYPEITTÄIN Fysiologiset reseptorit Ionikanavat Entsyymit Kuljettajaproteiinit Muita kohteita, mm. Nukleotidit, RNA, DNA Sytokiinit, interleukiinit, kasvutekijät G-prot. kytkentäiset reseptorit igandis. ionikanavat Penisilliiniä sitovat proteiinit Tumareseptorit Jännites. ionikanavat Peroksidaasit Fysiologiset reseptoriperheet IGANDI-SÄÄDEYT IONIKANAVAT eli IONOTROOPPISET RESEPTORIT G-PROTEIINI- KYTKENTÄISET RESPTORIT ENTSYYMI- RESEPTORIT SOUNSISÄISET RESEPTORIT/ TUMARESEPTORIT 4 igandisäädellyt ionikanavat igandin sitoutuminen avaa ionikanavan Eri tyyppiset kanavat läpäisevät selektiivisesti eri ioneja (Na +, K +, Ca 2+ or Cl - ) 1 hyperpolarisaatio/ depolarisaatio G ionikanavat/ entsyymit/toisiolähetit prot. kinaasit /toisiolähetit R proteiinisynteesi Esimerkkejä: GABA A reseptorit -- Cl- kanava -- hyperpolarisaatio Nikotiinireseptorit Na+ kanava -- depolarisaatio NMDA-reseptorit Na+/Ca2+ -- depolarisaatio Millisekunteja Sekunteja Minuutteja/ tunteja Esim. Esim. asetyylikoliinin asetyylikoliinin Esim. nikotiinireseptorit, GABA-, muskariinireseptori, jtkn sytokiinireseptorit, glutamaattireseptorit adrenergiset reseptorit kasvutekijäreseptorit Tunteja Esim. hormonireseptorit Ionien nettovirta määrittelee vasteen Vaste millisekunneissa 6

7 Nikotiinireseptori hermo-lihasliitos Asetyylikoliinin nikotiinireseptori Sekä keskushermostossa että lihaksessa Aktivoitunut kolinerginen hermosolu Vaihteleva alayksikkökoostumus, viisi alayksikköä/reseptori Alayksiköt muodostavat solukalvon läpäisevän ionikanavan Na+ Asetyylikoliini, Ach Asetyylikoliini, Ach Ach Na+ Tubokurariini, rokuroni, vekuroni ym. Muscle Neuronal heteromeric Na+ depolarisaatio --> lihassupistus Neuronal homomeric GABAA välitteinen inhibitio GABAA reseptori PRESYNAPTINEN HERMOSOU GABA Cl GABAAreseptori Cl GABAAreseptori GABA Bentsodiatsepiinit Flumatseniili (antagon) Tsolpideemi Ekstrasellullaaritila POSTSYNAPTINEN HERMOSOU hyperpolarisaatio GABAA reseptori: pentameeri, reseptorin alayksikköjä koodittaa 19 geeniä kahdeksan eri alayksikköluokkaa α1-α6, β1-β3, γ1-γ3, δ, ε, θ, π, ρ1-ρ3 Barbituraatit Intrasellullaaritila Ionikanava 2 2 G-proteiinikytkentäiset reseptorit G-proteiinikytkentäiset reseptorit Yleisin lääkeaineiden kohdemolekyyliperhe (GPCR) igandin sitoutuminen aktivoi G-proteiinin, joka säätelee kohde-entsyymin tai ionikanavan aktiivisuutta Reseptoreissa 7 solukalvoa läpäisevää osaa 7-transmembrane receptors, 7-TM reseptorit Vaste sekunneissa Genomissa yli 800 GPCR-proteiinia koodittavaa geeniä Useita alatyyppejä, esim. Aistinreseptoreita (esim. valo, haju, maku) Adrenergiset reseptorit (α ja β) Välittäjäaineita (mm. muskariinireseptorit, opioidireseptorit) RGS (regulators of G-protein signaling) ->alfa-efektorit ->betagammaefektorit 7

8 Esimerkki: opioidien (morfiini) µ-reseptorisignalointi PKC aktivaatio PIP2 DAG q AC -> camp PKA prot. fosforylaatio useiden eri signaalireittien säätely geeninluennan säätely (TF:t) S i AC camp PKC PCβ Ionikanavat PCβ PI3-kinaasi Ca2+ IP3 estää AC -> camp ionikanavien säätely fosfolipaasit ER:n IP3 reseptori adenylaattisyklaasi tumassa PKA aktivaatio Geeninluennan säätely, Ca2+ esim. CREB fosforylaatio Miller s anesthesia, 7th Edition, 2009 β-arrestiini-välitteinen GPCR säätely Entsyymikytkentäiset reseptorit Aktivoitunut reseptori 3 igandin sitoutuminen ja reseptorimolekyylien dimerisaatio GRK fosforyloi (joissain tapauksissa trimeerit, tetrameerit) aktivoi reseptorissa olevan entsyymin (kinaasin) β-arrestiini β-arrestiini Tyrosiinikinaasi tai seriini/treoniinikinaasi-aktiivisuuksia Mm. insuliinin, sytokiinien, kasvutekijöiden reseptoreita (G-protein-linked receptor kinase) GRK HUOM: - β-arrestiiniin sitoutunut GPCR voi myös ER kalvostossa aktivoida solunsisäisiä signaalireittejä, esim. kinaasikaskadit Signaalitransduktio usean vahvistavan vaiheen kautta Esim. MAP-kinaasikaskadi Reseptorin desensitisaatio - reseptori ei sido G-proteiineja - inaktiivinen - pois solukalvolta -> hajoitetaan Tyrosiinikinaasireseptorin aktivaatio Vaste minuuteissa-tunneissa 1 TNFα Reseptoriaktivaatio TNF-reseptori Stimulukset TNFα esim. I-1, TNFα, PS SOUKAVO TNFα SOUKAVO NF-kB aktivaatio IκB kinaasin aktivaatio P IKK α, β, γ(nemo) Muut signaalit - oksidat./er-stressi, DNA-vaurio ym. O AV AK M TU NF-kB sitoutuminen DNA:han NFκB RE IκB+NF-κB PP IκB hajottaminen proteasomissa NF-κB NF-kB translokaatio tumaan Tulehdusgeenien ilmentyminen COX-2, I-1, I-8, TNFα, MCP-1, E-selektiini ym. ym. 8

9 Solun sisäiset/ tumareseptorit sitoutuakseen solunsisäiseen reseptoriin igandi-reseptorisitoutumisen jälkeen aktivoitunut reseptorikompleksi siirtyy tumaan Sitoutuu omiin säätelyalueisiinsa ja/tai muihin reseptoreihin Aktivoi/estää/säätelee näiden tiettyjen geenien luentaa Esim. kortikosteroidit, estrogeenit ym. hormonit Vaste tunneissa Vaikutukset mrna:han Esim: TTP TNF-α GK sitoutuu suoraan aktivoituneisiin transkriptiotekijöihin --> inaktivaatio, esim. AP-1, NF-kappaB Ilmentyvien geenien vaikutuksia 0 P GR Hsp70 Hsp90 PP GR NF-κB PP GR tai AP-1 KOHDEGEENI AP-1 KOHDEGEENI Muita kohdemolekyylejä Estää tulehdusta voimistavien transkriptiotekijöiden toimintaa, GRE- tai muu mekanismi, hiljentää pro-inflammatoristen geenien ekspressiota isää anti-inflammatoristen geenien ekspressiota ääkeaineiden vaikutus ionikanaviin Ionikanavia pääasiallisesti kahta eri tyyppiä igandin säätelemät ionikanavat fysiologisia reseptoreita Jännitesäädellyt ionikanavat aktivoituivat solukalvon jännitteen muuttuessa esim. hermoimpulssi, sileän lihaksen supistus ääkeaineiden suora vaikutus Paikallispuudutteet, esim. lidokaiini Kalsiumkanavan salpaajat sydän- ja verisuonitautien hoidossa Muut kuin fysiologiset reseptorit p7 Hs Hs p90 Reseptoriaktivaatiossa kompleksin muut vapautuvat osat (esim. Hsp90, Hsp70) - immunomodulaatio, solunsis. signaalireitit GUKOKORTIKOIDI-KOHDEGEENI GUKOKORTIKOIDI esim. sykliset nukleotidi-välitteiset, ionikanava-välit., ATP-synteesi tai GCBG Solukalvovaikutukset - epäspesifit nopeat vaikutukset - solukalvoreseptori (mgr)-välitteiset vaikutukset Vaikutukset solun sisäisiin signaalireitteihin Esim. MKP-1 MAPK, annexin-1 (lipokortiini) PA2 igandin on läpäistävä solukalvo 4 Suora vaikutus ionikanaviin Entsyymeihin Kuljettajamolekyyleihin nifedipiini, felodipiini ym. ääkeaineet voivat myös vaikuttaa kanavan palautumiseen Epilepsialääkkeet Rytmihäiriölääkkeet Ionikanavat lääkeaineiden kohdemolekyyleinä, Entsyymit lääkeaineiden kohdemolekyyleinä esim. kanavan toiminnan estosta Esim. syklooksigenaasi-2 useat tulehduskipulääkkeet angiotensiini I konvertaasi (ACE) ACE-estäjät fosfodiesteraasi V erektiolääkkeet Na+ Normaali toiminta Esto 9

10 Substraatti COX-aktiivinen keskus Entsyymi COX-2 (hemirakenne) Kompetitiivinen inhibitio ER-kalvo Indometasiini Allosteerinen inhibitio Estämällä mm. tulehdusvälittäjien esiasteen syntymisen, tulehduskipulääkkeet estävät myös varsinaisen tulehdusreaktion etenemistä Soluspesifiset syntaasit ACE-estäjä teprotidi Succinyl--proline Succinyl--proline sulfide kaptopriili Brasilialainen kyykäärme Bothrops jararaca Angiotensinogeeni Reniini Angiotensiini I Angiotensiini II sympaattisen hermoston aktivaatio ACE, angiotensiiniä konvertoiva entsyymi aldosteronin vapautuminen lisämunuaiskuorelta -Na ja veden takaisinotto, K eritys -veritilavuuden kasvu -virtsaneritys ADH vapautuminen aivolisäkkeen takalohko vasokonstriktio -perifeerinen -munuaisten 10

11 Hermo-lihasliitos - asetyylikoliiniesteraasi koliini + asetaatti Asetyylikoliiniesteraasi Aktivoitunut kolinerginen hermosolu Ach Na + Asetyylikoliini, Ach Kuljettajaproteiinit Kuljettavat molekyylejä lipidikalvojen (solukalvon) läpi Esim. toimivat hermovälittäjäaineiden hermosoluun takaisinottajina synapsiraosta fysostigmiini, neostigmiini Tubokurariini, rokuroni, vekuroni ym. Na + Tubokurariinin kaltaisten lihasrelaksanttien vaikutus voidaan osittain kumota asetyylikoliiniesteraasin estäjillä (mm. fysostigmiini, neostigmiini). Näiden kanssa voidaan antaa esim. glykopyrrolaattia (muskariinireseptoriantagonisti) estämään kolinergista muskariinireseptorivälitteistä stimulaatiota (mm. sydänvaikutukset). Kuljettajaproteiinit lääkeaineiden kohdemolekyyleinä Masennuslääkkeet estävät kuljettajaproteiinien toimintaa Estävät esim. serotoniinin ja/tai noradrenaliinin takaisinottoa presynaptisiin hermosoluihin 5HT Na + K + ulos solusta Cl - SYNAPSIRAKO Välittäjäaineen takaisinotto (reuptake) kuljettajaproteiinin avulla Kuljettaproteiinin toiminta hyväksikäyttää ionigradienttia. Kuljettajaprot. estäjä Estynyt välittäjäaineen takaisinotto PRESYNAPTISEN HERMOSOUN SOUKAVO K + Esimerkkejä muista mekanismeista Nukleotidit ja nukleotidimetabolia Dopamiinin esiaste levodopa Parkinsonin taudin hoidossa Vasta-aineet Vasta-aineet Monet biologiset lääkeaineet ovat vasta-aineita, jotka on valmistettu soluviljelmissä kloonaus ja/tai rekombinaatiotekniikoiden avulla Vasta-aineet normaalisti immuunipuolustuksen tuottamia virusja bakteeripuolustusta varten Vasta-aineiden sitoutuminen kohdistuu muita proteiinirakenteita kohtaan: sytokiinit, reseptorit, entsyymit Etenkin tulehdusvasteen esto kroonisissa tulehdussairauksissa Monoklonaaliset vasta-aineet (Mab) Vasta-aineita käytetään myös esim. myrkytysten hoidossa 11

12 Esimerkkejä vasta-aineista lääkeaineina TNF-α estäjät Adalimumabi I-1 reseptorin salpaajat Interleukiini-12/-23 estäjä Infliksimabi Anakinra TNF-α Golimumabi Esimerkkejä mekanismeista Ustekinumabi I-1 vaste Psoriaasi/ psoriaasiartriitti Etanersepti Tosilitsumabi Sertolitsumabipegoli I-6 vaste Indikaatiot: Nivelreuma Tulehdukselliset suolistosairaudet Psoriaasi (nivelpsoriaasi) I-6 reseptorin vasta-aine 12