Gruppe 10: EGFR Tyrosine Kinase Inhibitoren Flashcards
Wofür steht die Abkürzung EGFR?
Was sind hierfür Synonyme?
Wie funktioniert EGFR?
EGFR = Epidermal Growth Factor Receptor (epidermaler Wachstumsfaktor-Rezeptor)
Synonyme: ErB1, HER1.
Der EGF-Rezeptor ist eine membranständige Rezeptorkinase der Familie der ErbB-Membranrezeptoren. Durch Bindung eines der mehreren Liganden (z.B. Epidermal Growth Factor (EGF), transformierender Wachstumsfaktor α (TGF- α)) bildet der Rezeptor ein Homodimer oder Heterodimer mit einem anderen Rezeptor der Familie. Bei dem dabei ablaufenden Autophosphorylierungsprozess auf der zytosolischen Seite des Rezeptors werden einige Signalkaskaden aktiviert. Die beiden wichtigsten davon sind der Ras-Raf-MEK-ERK- und der PI3K-AKT-mTOR-Signalweg. Die Signalwege führen letztendlich durch Gen-Transkription zu einer erhöhten Zellproliferation und Hemmung der Apoptose. Dadurch wird Tumorwachstum gefördert.
Bei welchem Krankheitsbild spielt EGFR eine Rolle?
Eine EGFR-Mutation spielt bei Lungenkrebs, vor allem bei nicht-kleinzelligen-Lungenkrebs (NSCLC) eine Rolle. Der nicht-kleinzellige Lungenkrebs ist bei Frauen der dritt häufigste und bei Männern der zweit häufigste maligne Tumor in den deutschsprachigen Ländern. Die relative 5-JahresÜberlebensrate, die die Sterblichkeit in der Allgemeinbevölkerung berücksichtigt, liegt bei Männern bei 15% und bei Frauen bei 20%. Die relative 10-Jahres-Überlebensrate wird mit 11% (Männer) bzw. 16% (Frauen) angegeben. Risikofaktoren sind z.B. aktives und passives Rauchen, genetische bedingtes erhöhtes Erkrankungsrisiko, Strahlenexposition, Feinstaub und Chemikalien wie Asbest. Bei etwa jeder 10. Person mit der Diagnose NSCLC liegt eine Mutation des EGFR zu Grunde. Die häufigsten Mutationen die den Rezeptor so aktivieren sind die del19- und die L858R-Mutation. Um die Krankheit frühzeitig zu erkennen und rechtzeitig zu behandeln, kann man die Patienten auf diese Mutationen testen lassen um so spezifisch mit TKIs zu therapieren. Weitere Mutationen die häufig im Laufe der Therapie auftreten sind die T790M- und die C797S-Mutationen.
Erläutern Sie, wie sich die EGFR-Mutation T790M auf Inhibitoren der 1.Generation wie z.B. Erlotinib auswirkt.
Erste Generation Resistenzmechanismus:
Wichtig für die Bindung von Erlotinib (1.Generation) ist ein Threonin-Rest an Position 790 des EGF-Rezeptors. Häufig entwickeln aber Patienten im Laufe der Therapie genau an der Position eine Punktmutation. Threonin ist dort gegen Methionin ausgetauscht, eine T790MMutation entsteht. Threonin ist ein sogenannter „small Gatekeeper“, und erzeugt in der Back Pocket des EGFR eine „large Back Pocket“, durch welche Erlotinib optimal binden kann, bei Austausch des Threonins gegen Methionin wird der „small Gatekeeper“ gegen einen größeren Gatekeeper ersetzt. Dadurch verkleinert sich die Back Pocket und Erlotinib wird sterisch an seiner Bindung des Rezeptors gehindert, da es nicht mehr so weit in die Bindetasche hineinreichen kann. Folglich nennt man solche Mutationen auch Gatekeeper-Mutationen.
Was bedeutet die Mutation C797S für Inhibitoren der 3. Generation (z.B. Osimertinib)?
Osimertinib ist ein TKI der 3. Generation, welcher auch bei einer T790M-Mutation wirksam ist. Jedoch nimmt die Wirksamkeit in einigen Fällen nach ca. 10 Monaten stark ab. Bei vielen Patienten kommt es zu einer Mutation des Cysteinrestes an Position 797 zu Serin, C797SMutation. Der Cysteinrest ist jedoch für die kovalente Bindung des Osimertinibs am Rezeptor notwenig. Nur durch diese kovalente Bildung mit der Thiol-Gruppe des Cysteinrestes kann Osimertinib den Rezeptor inhibieren. So nimmt die Wirksamkeit durch die C797S-Mutation sehr stark ab.
Welche weiteren Resistenzmechanismen von Tumorzellen gegen Chemotherapeutika existieren?
- Vermehrte Expression von Efflux- oder verminderte Expression von Influxpumpen der Krebszellen. So können Zytostatika schneller aus der Zelle wieder hinausgeschleust bzw. erst gar nicht in die Zelle hineingeschleust werden. Im Endeffekt sinkt die intrazellulare Konzentration des Zytostatikums bis hin zu einer unwirksamen Konzentration. Der wichtigste Effluxtransporter für Zytostatika ist das p-Glykoprotein (P-gp) aus der Familie der ABC-Transporter. Das transmembrane P-gp transportiert unter Energieverbrauch Xenobiotika aus der Zelle gegen das Konzentrationsgefälle ins Lumen. Eine vermehrte Expression des P-gp führt so zu einer Resistenz gegen Chemotherapeutika.
- Manche Zytostatika werden als Prodrugs appliziert und müssen erst durch Enzyme in die wirksame Form überführt werden. Es kann dazu kommen, dass die Expression genau dieser Enzyme in den Zellen herunterreguliert ist. Daher werden weniger Zytostatikamoleküle enzymatisch in die aktive Form überführt werden. So kann eine Resistenz entstehen.
- Durch Muationen können sich die Zielenzyme der Zytostatika so verändern, dass das Molekül nicht mehr an das Enzym binden kann. So wirkt das Zytostatikum nicht mehr. Ein Beispiel dafür wäre die T790M Mutation des EGF-Rezeptors, weshalb die 1. Generation der TKIs, wie Erlotinib, nicht mehr binden kann.
- Einige Zytostatika führen zum Zelltod der Tumorzellen, indem sie DNA-Schäden hervorrufen. Werden in den Zellen nun vermehrt Enzyme zur DNA-Reparatur exprimiert, kann dies dazu führen, dass die induzierten DNA-Schäden schnell repariert werden und es nicht zum Zelltod der Tumorzelle kommt.
Durch welche Modifikation kann aus einem kovalent-irreversiblen Inhibitor wie Osimertinib, ein kovalent-reversibler generiert werden?
Osimertinib besitzt die Fähigkeit über eine Micheal-Addition zwischen der Thiol-Gruppe des Cystein-Restes des Targets und dem Acrylamid des Inhibitors eine kovalente irreversible Bindung zu EGFR-M+ (Del 19 & L858R Mutation) inklusive einer T790M Mutation (Austausch von Threonin zu Methionin) aufzubauen. Durch diese Bindung kann die Indol- Gruppe des Osimertinibs mit der Methionin Gruppe (T790M) des EGFR wechselwirken und folglich die Tyrosinkinasedomäne inhibieren. Bei einer Mutation am Cystein-Rest, wie bei C797S (Austausch des Cysteins gegen Serin), kommt es zu einer Unwirksamkeit des Tyrosinkinaseinhibitors.
Durch Hinzufügen einer Nitril-Gruppe in α-Position des Acrylamids kann die irreversible Bindung von Osimertinib an Cys-797 unterbunden werden und stattdessen durch eine reversible kovalente Bindung ersetzt werden. Die Nitril Gruppe besitzt elektronenziehende Eigenschaften wodurch das α-Kohlenstoffatom nach Reaktion mit Cys CH-acide ist, dadurch lässt sich das α-Kohlenstoffatom deprotonieren und eine Rückreaktion ist möglich.
Welche Vor- und Nachteile gehen mit kovalenter Inhibition einher?
Vorteile kovalenter Inhibition: Vor allem eine irreversible kovalente Bindung steigert die Verweildauer am Enzym (längere residence time / koff vermindert) und damit auch die Potenz des Inhibitors. Es kommt zu einer „Entkopplung von Pharmakodynamik und Pharmakokinetik“.
Nachteile kovalenter Inhibition: Bei plötzlichem Auftreten einer Mutation mit fehlender kovalenter Bindung, kommt es zu einer deutlich verringerten inhibitorischen Aktivität welche mit Selektionsdruck und damit verbundener Resistenzentwicklung einhergeht. Außerdem kann es durch kovalente Bindung an off-Targets (Im Falle des Osimertinibs zum Beispiel die Rezeptorkinase MET = mesenchymal epithelial transition factor16) vermehrt zu UAWs kommen. Hinzukommend kann es beispielsweise vermehrt zur Entwicklung allergischer Reaktionen kommen, wenn der Ligand-Target Komplex abgebaut wird und ein Peptid-Inhibitor-Konjugat gebildet wird (Hapten-Carrier Prinzip).
Welche Vorteile kann eine (Makro-)Cyclisierung von Liganden mit sich bringen?Welche Nachteile bestehen?
Bei der Entwicklung des BI-4020 wurde eine Makrocyclisierung durchgeführt, um die Entropie des Liganden zu senken und dadurch die Wirksamkeit und Effektivität zu verbessern.
-> (Diagram Energieminima und maxima verschiedener Ringreste die bei der Entwicklung von BI-4020 getestet wurden. Man erkennt bei fast allen ein Energieminumum bei ca. 30-40° zu sehen. Dies ist auf den Torsionswinkel der beiden Aromaten bezogen.)
Dies führt so auch zu einer besseren Wechselwirkung des Liganden mit Lysin an Position 754 und damit zu einer besseren Effektivität.
- > Durch den Makrocyclisierung wird das Molekül in dem Bereich des Torsionswinkels bei ca. 40° stabilisiert.
- > Weiterhin geringe Entropiestufe, da der Konformationsraum durch die Makrocyclisierung weiter eingeschränkt ist. Auf Abbildung 7 erkennt man die Stabilisierung und Versteifung des grünen Moleküls im Vergleich zu vorher, dem gelben Molekül.
Das makrocyclisierte Molekül ist größer und stabiler bzw. weniger beweglich als das Ausgangsmolekül. Dies ist gewollt, kann aber auch Nachteile haben.
Durch die Größe und Unbeweglichkeit kann es auch passieren, dass das Molekül die Bindetasche nicht erreichen könnte, falls diese in sehr eng ist. Auch die Synthese ist komplizierter.
(In Abbildung 10 erkennt man die beiden möglichen Konformationen mit einem entropiearmen Zustand. Diese gehen bei Raumtemparatur ineinander über. Die Theorie danach war, dass man die Effektivität nochmal steigern könnte, indem man nur einen Konfomer mit minimaler Enthropie hat.)
- > Dies wurde erreicht, indem man ein Stereozentrum in Form einer Methylgruppe eingebaut hat.
- > Durch die Einführung des Stereozentrums hat man aus den Konformationen Racemate gemacht, die man von einander trennen kann. Durch die Herstellung und Trennung der Racemate von einander ist die Synthese komplizierte und damit auch teurer.
Welche Rolle spielt Selektivität im Kontext der Kinaseinhibitoren? Wie kann
diese generell erreicht werden?
- Die Selektivität wird zum eine über die Back Pocket (wird von gate keeper beeinflusst) und front pocket gesteuert. Bei beiden Regionen handelt es sich um hydrophobe Regionen, welche je nach Kinase unterschiedliche Aminosäuren enthalten.
- Eine Besonderheit kommt zum Beispiel bei der MAP-Kinase vor, denn bei diesen kann ein “Glycin-Flip” durch zum Beispiel Imatinib induziert werden.
- Des Weiteren kann die Selektivität über die inaktive (DFG-out) oder aktive Konformation (DFG-in) bestimmt werden. Denn viele Kinasen besitzen im aktiven Zustand eine höhere Strukturähnlichkeit als im inaktiven Zustand.
-> Die Kinaseinhibitoren können daher eingeteilt werden, je nachdem wo sie binden.
Welcher Typ Inhibitor ist Dasatinib?
Wo bindet was?
Typ I Kinaseinhibitor
Es kommt es zu Wechselwirkungen zwischen der Adenine pocket und dem lila gefärbten Strukturelement und der Hydrophobic pocket mit dem türkis gefärbten Strukturelement. Das grau gefärbte Strukturelement befindet sich in der Solvent Region.
Welcher Typ Inhibitor ist Nilotinib?
Wo bindet was?
Typ II Kinaseinhibitor
Wie auch bei dem Typen I Kinaseinhibitoren geht das lila Strukturelement Wechselwirkungen mit der Adenin pocket ein und der graue Rest ragt in die Solvent region. Neu ist allerdings, dass das rot gefärbte Strukturelement Wechselwirkungen mit der DFG im inaktiven Zustand („out“) eingeht.
Was für ein Kinaseinhibitor Typ ist Asciminib
Kinaseinhibitor Typ IV
Er ist ein allosterischer Inhibitor der hydrophoben Myristoyl-Bindestelle der BCR-Abl-Kinase und besitzt den Vorteil, dass er nicht ATP-kompetitiv ist, da er an der allosterischen Tasche bindet.
