Dissoziation von HERG Kanalinhibitoren

HERG (ether-a-go-go-verwandtes Gen, homo sapiens) kodiert einen "delayed rectifier" K+ Kanal, welcher eine entscheidende Rolle bei der Repolarisierungsphase im menschlichen Herz spielt. Eine Verlängerung des ventrikulären Aktionspotentials, ausgelöst durch vererbte Genmutationen oder durch Blockierung des HERG Kanals mit Medikamenten, kann zum sogenannten "long QT" Syndrom führen, welches das Risiko für lebensbedrohende torsade de pointes Arrhythmien (TdP) und plötzlichen Herztod birgt. Wir haben kürzlich gezeigt, dass Inhibitoren wie Bepridil, Terfenadin, E-4031 und Domperidon nicht vom geschlossenen HERG Kanal dissoziieren können, während Substanzen wie Amiodaron, Cisaprid, Droperidol und Haloperidol von geschlossenen Kanälen im Ruhezustand dissoziieren können (Stork et al, 2007). In diesen Studien war es uns jedoch nicht möglich, substanzspezifische Merkmale (z.B.: Größe, Hydrophobizität etc.) herauszufinden, welche die Dissoziation begünstigen bzw. verhindern. Vorrangiges Ziel im vorliegenden Projekt ist daher die Analyse des unterschiedlichen Dissoziationsverhaltens von Molekülen vom geschlossenen (ruhenden) Kanal, unter Zuhilfenahme von speziell synthetisierten Propafenon- (Prototyp von nicht dissoziierenden Substanzen) und Verapamil- Derivaten (Prototyp einer dissoziierenden Substanz). Um eine Beschreibung der molekularen Mechanismen dieser nicht dissozierenden bzw. dissozierenden Substanzen zu erreichen, wird das Konsortium (bestehend aus der Gruppe von Prof. Steffen Hering, Prof. Gerhard Ecker, beide Universität Wien und der Gruppe von Bert de Groot, Max Planck Institut Göttingen), Moleküldynamik Simulationen (inkl. Docking und QSAR) und biophysikalische Methoden einsetzten. Mit Hilfe von sogenannten "Force probe" Moleküldynamik Simulationen soll das Dissoziationsverhalten von Molekülen in den verschiedenen Kanalzuständen analysiert werden. Der vorgeschlagene Arbeitsablauf und die Kombination von in silico Methoden, biophysikalischen Kalkulationen und Experimenten wird eine bessere Charakterisierung von strukturellen und funktionellen Blockierungs- und Dissoziations- Determinanten ermöglichen. Ein Hauptziel dieser Arbeit ist die Identifizierung/Charakterisierung von substanzspezifischen Eigenschaften, welche die Dissoziation von HERG Blockern begünstigen bzw. erschweren.

Die Aufklärung von unerwünschten Arzneimittelwechselwirkungen mit dem hERG (ether-a-go-go-verwandtes Gen, homo sapiens) Kaliumkanal ist eine große Herausforderung für die pharmazeutische Forschung. HERG kodiert einen delayed rectifier K+ Kanal, welcher eine entscheidende Rolle bei der Repolarisierungsphase im menschlichen Herz spielt. Eine Verlängerung des ventrikulären Aktionspotentials, ausgelöst durch vererbte Genmutationen oder durch Blockierung des HERG Kanals mit Medikamenten, kann zum sogenannten long QT Syndrom führen, welches das Risiko für lebensbedrohende torsade de pointes Arrhythmien (TdP) und plötzlichen Herztod birgt. Am Projektbeginn stand unsere kürzliche Entdeckung, dass Inhibitoren wie Bepridil, Terfenadin, E-4031 und Domperidon nicht vom geschlossenen HERG Kanal dissoziieren können, während Substanzen wie Amiodaron, Cisaprid, Droperidol und Haloperidol von geschlossenen Kanälen im Ruhezustand scheinbar dissoziieren können (Stork et al, 2007). Vorrangiges Ziel dieses Projekts war daher die Analyse des unterschiedlichen Dissoziationsverhaltens von Molekülen vom geschlossenen (ruhenden) Kanal, unter Zuhilfenahme von speziell synthetisierten Propafenonderivaten. Durch Kombination von experimentellen und computergestützten Methoden gelang es uns nun die molekularen Mechanismen des Dissoziationsverhaltens zu entschlüsseln. Dabei erhoben wir den überraschenden Befund, dass jene Aminosäure, welche für die Bindung der meisten Inhibitoren verantwortlich ist, auch die Dissoziation entscheidend beeinflusst. So konnten wir unter anderem berechnen wie Kanäle schließen bei gleichzeitiger Anwesenheit von Inhibitoren. Unsere Berechnungen liefern eine weitere Überraschung: Arzneistoffe können nur von vollständig geöffneten Kanälen dissoziieren. Im Laufe unserer Charakterisierung von strukturellen und funktionellen Blockierungs- und Dissoziations- Determinanten entdeckten wir außerdem eine neue, bislang unbekannte Bindungsdeterminante, welche von äußerster Wichtigkeit für die Interaktion mit dem HERG Kanal ist.