Chemokinrezeptor-Antagonisten bei atopischen Erkrankungen

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Zusammenfassung

Die Inzidenz allergischer Erkrankungen nimmt in den westlichen Industrieländern stetig zu. Hieraus resultieren für die Therapie sehr hohe Kosten (USA jährlich ca. 18 Milliarden Dollar). Aus diesem Grund ist die Forschung darauf ausgerichtet, neue Medikamente zur Therapie allergischer Erkrankungen zu finden. In diesem Übersichtsartikel stellen wir einen neuen Therapieansatz vor: Die Chemokinrezeptor-Antagonisten bei atopischen Erkrankungen.

 

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Abstract

The incidence of allergic diseases increases in the western industrial countries costing the health care system $ 18 billion (USA) annually. Therefore, institutional and industrial research focus on new concepts to find therapies preventing allergies or stopping the symptoms. Herein, we postulate a new concept in the treatment of allergies: Chemokine receptor antagonists for atopic diseases.

 

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Einleitung

Chemokine sind chemotaktische Peptide, denen durch die Rekrutierung von Leukozyten eine zentrale Funktion bei immunologischen und entzündlichen Prozessen zukommt. Neben ihrer Eigenschaft, Entzündungszellen in das Entzündungsgebiet anzulocken (Chemotaxis), vermitteln Chemokine am Ort der Entzündung durch die Freisetzung toxischer Metabolite aus Granulozyten (reaktive Sauerstoffspezies) eine Gewebsschädigung [1].

Chemokine werden in Abhängigkeit ihrer konservierten Zysteine im N-terminalen Ende in 4 Familien unterteilt: CXC-Chemokine (CXCL), CC-Chemokine (CCL), C-Chemokine (XCL) und CXXXC-Chemokine (CX3CL). Sie binden an Chemokinrezeptoren, die zur Gruppe der Gi-Protein-gekoppelten 7-transmembranösen Rezeptoren gehören: Ursprünglich war es allgemein anerkannt, dass sich die jeweiligen Unterfamilien in ihrer biologischen Aktivität durch Stimulation verschiedener Leukozyten unterscheiden. CXC-Chemokine vermittelten durch Aktivierung neutrophiler Granulozyten die akute Entzündungsreaktion, während CC-Chemokine durch die Einwanderung eosinophiler und basophiler Granulozyten, Monozyten oder Lymphozyten die chronische Entzündung regulieren. Neuere Untersuchungen konnten jedoch zeigen, dass diese Regel zahlreiche Ausnahmen hat und die Wirkung der Chemokine wesentlich komplexer ist [2].

Aufgrund ihrer zentralen Bedeutung für die Rekrutierung und Aktivierung von Entzündungszellen, sind Chemokine und ihre Rezeptoren in den Fokus für neue Therapieformen gerückt. Hierbei stehen vor allem Substanzen im Mittelpunkt, die an den Chemokinrezeptor binden und die Wirkung des Chemokins damit antagonisieren. In dieser Übersicht beschreiben wir die Rolle von Chemokinrezeptor-Antagonisten als mögliche neue Therapiestrategie bei atopischen Erkrankungen.

 

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Die Bedeutung des Chemokinrezeptors CCR3

Der CC-Chemokinrezeptor CCR3 spielt eine herausragende Rolle für allergische Erkrankungen. Dieser Rezeptor bindet Eotaxin und seine Verwandten Eotaxin-2 und Eotaxin-3. Darüber hinaus bindet CCR3 die natürlichen Chemokine RANTES, MCP-2, MCP-3, MCP-4, MEC sowie HCC-1(9 - 74) > 9 [1]. Interessanterweise sind die CXC-Chemokine Mig, IP10 und I-TAC, die den CXC-Chemokinrezeptor 3 und damit T-Lymphozyten aktivieren, potente Antagonisten am CCR3 [2].

Seine besondere Bedeutung für die allergische Entzündung hat der CCR3 aufgrund seiner selektiven Expression auf eosinophilen [3] und basophilen [4] Granulozyten, Mastzellen [5] sowie auf Th2-Zellen [6]. Diese Zellen exprimieren unter definierten Bedingungen den CCR3 und lassen sich durch das Th2-Chemokin Eotaxin chemotaktisch aktivieren. In einer Studie mit einer CCR3-Knock-out-Maus konnte gezeigt werden, dass der CCR3 sowohl für die Einwanderung eosinophiler Granulozyten in das Lungengewebe als auch für die bronchiale Hyperreagibilität mitverantwortlich ist, wobei letztere Beobachtung nur dann zu beobachten war, wenn die Tiere über einen epikutanen Weg sensibilisiert worden sind [7] [8]. In einem Mausmodell für die atopische Dermatitis konnte ebenfalls gezeigt werden, dass der CCR3 für die Einwanderung eosinophiler Granulozyten essenziell ist [8]. Aus diesem Grund wird dem CCR3 eine besondere Bedeutung bei der allergischen Entzündung zugerechnet, und er ist deshalb ein potenzielles Ziel für die Generierung von Chemokinrezeptor-Antagonisten [9] [10]. Hierzu zählen Peptid-Antagonisten, die sich von Chemokinen ableiten bzw. klein-molekülige Substanzen, auf die wir im nächsten Abschnitt eingehen werden.

 

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Chemokinrezeptor-Antagonisten als zukünftige Therapie bei allergischen Erkrankungen?

 

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Peptide als Chemokinrezeptor-Antagonisten

Die ersten klassischen Chemokinrezeptor-Antagonisten wurden durch Modifikation im N-terminalen Ende hergestellt. Diese Region des Chemokins ist nämlich für die Bindung am Rezeptor und Entfaltung der biologischen Aktivität entscheidend [11] [12] [13] [14]. So sind verschiedene Chemokinrezeptor-Antagonisten wie Met-RANTES, AOP-RANTES, MCP-1(2 - 76), RANTES(3 - 68), MCP-2(6 - 76) durch An- oder Ablagerung von Aminosäuren bzw. chemische Modifikation im N-terminalen Ende der Chemokine konstruiert worden [12] [13] [15] [16] [17] [18] [19] [20].

Interessanterweise existieren aber auch einige Chemokinrezeptor-Antagonisten physiologisch in vivo. Manche Chemokine können zudem potenziell in vivo von bestimmten Peptidasen zu Chemokinrezeptor-Antagonisten umgewandelt werden. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Dipeptidylpeptidase IV, die als Oberflächenantigen (CD26) beispielsweise auf Lymphozyten exprimiert wird. Darüber hinaus findet sich dieses Enzym auch im Serum und im Gewebe, vor allem in der Niere und der Lunge. Dieses Enzym kann in vitro und in vivo RANTES in RANTES(3 - 68) [21] und Eotaxin in Eotaxin(3 - 74) [22] umwandeln. Beide Substanzen sind für eosinophile Granulozyten partiell antagonistisch [21] [22] [23]. Ein weiteres Beispiel ist die in Hämofiltrat nachgewiesene um 8 Aminosäuren verkürzte Form von HCC-1, HCC-1(9 - 74). Diese verkürzte Form kann durch verschiedene, aus Zellkulturüberständen freigesetzte, Peptidasen generiert werden [24]. Die biologische Potenz von HCC-1 ist relativ gering [25], die verkürzte Form, HCC-1(9 - 74), ist aber chemotaktisch für Lymphozyten, Monozyten und eosinophile Granulozyten [24]. Auf der anderen Seite blockiert HCC-1(9 - 74) den HIV-Eintritt in Zelllinien, die den CCR5 als Korezeptor exprimieren [24]. Somit können im Gewebe vorkommende Peptidasen, durch Abspaltung von Aminosäuren am N-terminalen Ende der Chemokine, die Rekrutierung der Entzündungszellen durch Generierung antagonistischer oder agonistischer Chemokinderivate steuern.

In eigenen Untersuchungen konnten wir zeigen, dass der Chemokinrezeptor-Antagonist Met-RANTES eine spezifische Inhibition eosinophiler Granulozyten bewirkt. Eine Prästimulation mit Met-RANTES inhibiert die Chemotaxis, Aktinpolymerisation, intrazelluläre Ca²⁺-Ströme und die Freisetzung reaktiver Sauerstoffspezies nach Stimulation mit RANTES, MCP-3 und Eotaxin [26]. Hierbei blockiert Met-RANTES eosinophile Granulozyten über die Chemokinrezeptoren CCR1 und CCR3 [26]. Darüber hinaus konnte in einem Mausmodell gezeigt werden, dass die Rekrutierung eosinophiler Granulozyten in die Haut durch Injektion von murinem Eotaxin durch Met-RANTES blockiert werden kann [16]. Im Gegensatz zu Met-RANTES hat die chemisch modifizierte Form von RANTES, AOP-RANTES, keine antagonistischen Effekte auf eosinophile Granulozyten. AOP-RANTES aktiviert eosinophile Granulozyten sowohl über den CCR1 als auch über den CCR3. Die Wirkung von AOP-RANTES auf eosinophile Granulozyten ist vergleichbar mit RANTES, aber weniger effektiv als die von Eotaxin oder Eotaxin-2 [27].

In einer neueren Studie konnte ein weiterer CCR3-Antagonist, Met-chemokine beta 7 (Met-Ckbeta7), charakterisiert werden [28]. Dieser Chemokinrezeptor-Antagonist stellt eine modifizierte Form von PARC dar. Met-Ckbeta7 inhibierte in diesen Untersuchungen intrazelluläre Ca²⁺-Ströme und die Chemotaxis eosinophiler Granulozyten nach Stimulation mit zahlreichen CCR3-Liganden wie Eotaxin [28]. Das synthetisch hergestellte „Hybrid-Chemokin” I-TAC/EoH1 leitet sich vom CC-Chemokin Eotaxin und CXC-Chemokin I-TAC ab [29]. Dieses „Hybrid-Chemokin” zeigt eine 3fach stärkere Affinität zum Chemokinrezeptor CCR3 als Eotaxin, und es ist ein 5fach stärkerer Antagonist als I-TAC am CCR3. I-TAC/EoH1 hemmte sowohl die Eotaxin-induzierte Chemotaxis als auch die Freisetzung intrazellulären Kalziums ohne eine intrinsische Aktivität aufzuweisen [29]. Diese Untersuchungen zeigen, dass nicht nur die ersten 8 Aminosäuren des N-Terminus von Eotaxin, sondern auch Aminosäuren in der Region nach dem N-Terminus für die Bindung und Aktivierung am CCR3 verantwortlich sind.

Der Vorteil von Peptiden als Chemokinrezeptor-Antagonisten in der Therapie von allergischen Erkrankungen besteht darin, dass sie eine relativ gute Verträglichkeit aufweisen. So werden sie nicht primär in der Leber metabolisiert, und es können somit auch kaum Wechselwirkungen mit anderen Medikamenten auftreten. Da es bereits zahlreiche Beispiele für eine Peptid-Therapie bei anderen Erkrankungen wie Diabetis mellitus (Insulin), Neutropenie (Granulozyten-Kolonien stimulierender Faktor, G-CSF) und renaler Anämie (Erythropoetin) gibt, ist es durchaus realistisch, dass sich modifizierte Chemokine als Inaktivatoren oder Antagonisten für allergische Erkrankungen durchsetzen können.

 

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Klein-molekülige Chemokinrezeptor-Antagonisten

Eine neue/andere Form der Chemokinrezeptor-Antagonisten ist Gegenstand aktueller Forschungsvorhaben zahlreicher Pharmaunternehmen. Hierbei handelt es sich um so genannte klein-molekülige Chemokinrezeptor-Antagonisten, die keine Peptide darstellen [10] [30] [31]. Diese Antagonisten besitzen ein kleines Molekulargewicht und beinhalten hydrophobe Gruppen, die sich in der Nähe eines zentralen und für die Funktion verantwortlichen Stickstoffmoleküls befinden. Das zentrale Stickstoffmolekül scheint dabei im oder mit dem 7-transmembranösen Chemokinrezeptor zu interagieren [10].

Zu diesen klein-moleküligen Chemokinrezeptor-Antagonisten zählt TAK-779, das die Bindung von RANTES an CCR5⁺-Zelllinien und intrazelluläre Ca²⁺-Ströme in diesen Zellen blockierte. Darüber hinaus konnte in Studien gezeigt werden, dass TAK-779 die Replikation von HIV-Strängen in Monozyten inhibiert [32] [33]. Die Substanzen T134 und AMD3100 wurden als blockierende Antagonisten für den CXC-Chemokinrezeptor CXCR4 beschrieben. Sie blockieren die Bindung eines gegen den CXCR4 gerichteten monoklonalen Antikörpers und verhindern den CXCR4 vermittelten HIV-Eintritt [34]. In weiteren Studien wurden klein-molekülige Chemokinrezeptor-Antagonisten, die gegen den CC-Chemokinrezeptor CCR1 gerichtet waren, untersucht. Die Substanz 1 (compound 1), die auch als CCR1-Antagonist 1 bezeichnet wird, zeigte eine dosisabhängige Inhibition intrazellulärer Ca²⁺-Ströme nach Stimulation mit MIP-1α ohne intrinsische Aktivität [35] [36].

Ein besonderes Interesse besteht in der Suche nach klein-moleküligen Chemokinrezeptor-Antagonisten gegen den CC-Chemokinrezeptor CCR3. Insbesondere die Firmen Banyu Pharmaceutical, Glaxo-SmithKline, Abbott Laboratories, Bristol-Myers Squibb, Hoffmann-La Roche und Merck haben hier potentielle CCR3-Antagonisten in Aussicht, die sich von den Piperidinen, Piperazinen oder Pyrrolidinen ableiten [10]. Die chemische Modifikation der Komponente SK&F 45 523 führte zur Herstellung der potenten CCR3-Antagonisten SB-297 006 und SB-328 437 [37]. Diese Antagonisten zeigen eine hohe Affinität zum CCR3 und hemmen die Bindung von (¹²⁵)I-Eotaxin und (¹²⁵)I-MCP-4 auf human eosinophilen Granulozyten. Darüber hinaus inhibieren SB-297 006 und SB-328 437 intrazelluläre Ca²⁺-Ströme in eosinophilen Granulozyten nach Stimulation mit Eotaxin und MCP-4. Der Antagonist SB-328 437 blockiert außerdem die Chemotaxis eosinophiler Granulozyten nach Stimulation verschiedener CCR3-Liganden [37]. Der klein-molekülige Chemokinrezeptor-Antagonist UCB35625 zeigt eine selektive inhibierende Wirkung auf die CC-Chemokinrezeptoren CCR1 und CCR3. So inhibiert dieser Antagonist die Formveränderung eosinophiler Granulozyten und die Internalisierung von CCR1 und CCR3 nach Stimulation mit MIP-1α, MCP-4 und Eotaxin [38].

Der Vorteil dieser klein-moleküligen Chemokinrezeptor-Antagonisten besteht vor allem darin, dass sie sich gut für eine orale oder topische Applikation eignen. Schließlich handelt es sich nicht um Peptide, sondern um hydrophobe und damit pharmakologisch gut resorbierbare Substanzen [31]. Der Nachteil dieser Gruppe von Substanzen besteht aber darin, dass sie in der Leber metabolisiert werden und damit verstärkt Wechselwirkungen mit anderen Medikamenten auftreten können. Darüber hinaus können diese lipophilen Substanzen die Blut-Hirn-Schranke passieren, und damit die von den Antihistaminika bekannten Nebenwirkungen wie Müdigkeit induzieren.

Es ist momentan noch zu früh, um eine Aussage darüber zu machen, ob die klein-moleküligen Chemokinrezeptor-Antagonisten oder modifizierte Chemokine sich therapeutisch besser zur Therapie allergischer Erkrankungen eignen. Aus diesem Grunde besteht weiterer Forschungsbedarf für die Entwicklung von Chemokinrezeptor-Antagonisten oder Chemokinrezeptor-Inaktivatoren. In unserer Arbeitsgruppe beschäftigen wir uns zur Zeit mit der Generierung von modifizierten Chemokinen mit antagonistischer als auch agonistischer Wirkung um eine Inaktivierung von Chemokinrezeptoren zu bewirken. Ein wichtiges Ziel dieser Therapie sollte sein, dass die Einwanderung von Entzündungszellen aus dem Blut frühzeitig gestoppt wird, um die Symptome zu verhindern.

 

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