Qualitative und Quantitative Struktur-Wirkungs- beziehungen von ß-Adrenozeptorenblockern - Eine Literaturrecherche -

Qualitative und Quantitative Struktur-Wirkungs- beziehungen von ß-Adrenozeptorenblockern - Eine Literaturrecherche -

AbschSussarbeit

Postgradualstudium Toxikologie der Universität Leipzig

vorgelegt von: Dipl.-Chem.

Cornelia Walter

-159

Qualitative und quantitativen Struktur-Wirkungsbeziehungen von ß-Adrenozeptorenbiockern Eine Literaturrecherche

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis/Übersicht berücksichtigter ß-Blocker 1

1. Einleitung 2

Einordnung und Bedeutung qualitativer und quantitativer Struktur-Wirkungs

beziehungen 2 2. Das Wirkprofil der ß-Adrenozeptorantagonisten und Einführung in die

Prinzipien des Moleküldesigns 4

2.1. Das Sympathische Nervensystem und die ß-Blockade 4 2.2. Prinzipien der systematischen Variation der Wirkstoffe und SAR 5 2.3. Historische Entwicklung der QSAR Verfahren und Vorstellung

der Grundmodelle 6

3. Quantitative Struktur-Wirkungsbeziehyngen 9

3.1. Die Gültigkeit und Details der Hanschgleichung (sowie die biologische Wirkung) 9 3.2. Die wichtigsten physikochemische Parameter und deren Aussagekraft insgesamt 10

3.2.1. Die Lipophilie und ihre biologische Wirkung 10

3.2.2. Elektronische und sterische Moleküleigenschaften 11

3.3. Free-Wilson-und Hybridmodell 12

3.4. 3D-QSAR - Einführende Betrachtungen- 13

4. Qualitative und quantitative Struktur-Wirkungsbeziehungen von

ß-Sympatholytika 14 4.1. Die Entdeckung der ersten ß-Adrenozeptorenblocker 14 4.2. Die Durchsetzung der Aryloxypropanolstruktur(AOPA-Struktur) 16 4.3. Die Entwicklung des ersten kardioselektiven ß-Adrenozeptor-Antagonisten 17 4.4. Die Weiterentwicklung kardioselektiver ß-Adrenozeptor-Antagonisten und

grundlegende Modifizierungsmöglichkeiten 18

4.4.1. Modifikationen am Phenylring 18

4.4.2. Modifikationen in der Aryloxypropanolseitenkette 22

4.4.3. Heterocyclen 23

4.4.4. Wichtige Strukturmerkmale -Eine Zusammenfassung- 23

4.5. QSAR von ß-Adrenozeptorantagonisten 24

4.5.1. Aryloxypropanolaminen 24

4.5.2. QSAR verschieden substituierter Haloarylalkylamine 29

4.5.3. QSAR an Diethern 29

4.6. Chemische Struktur und Toxizität 30

4.7. Lipophilie und Nebenwirkungen 32

4.8. Neuere Betarezeptorenantagonisten und Vergleich der Kardioselektivität 32

4.9. Das Rezeptorgeschehen 33

5. Die wichtigsten Strukturbestandtesle der ß-Adrenozeptorenbtocker

Eine Zusammenfassung 34

6. Schtusswort 35

Literatur 36

AOPA ß-AR CoMFA

Dummy-Parameter ESP

i-Pr ISA

Isosterer Ersatz

Kö-Verbindungen LFER

MEP MR MTD MW PAA

Pharmakophor

PLS-Analyse

obs

t-Bu

Abkürzungsverzeichnss/Glossar Aryloxypropanolamine

ß-Adrenozeptor

Comparative Molecular Field Analysis

gleiche Bedeutung wie Indikatorvariable nach Free-Wilson Phenyl ring Charge

Isopropyl-

Intrinsic sympathornimetic activity

gewisse adrenerg-stimulierende Wirkung Synonym PAA: partial agonist activity

Austausch bestimmter Gruppen eines Moleküls gegen sterisch und elektronisch verwandte Gruppen.

Produkte der Firma Böhringer Sohn, Ingelheim, Dr. Koppe Lineare freie-Energie-Beziehung

Molecular elektrostatic potential Molrefraktion

Minimal topological difference Molekulargewicht

siehe ISA

definierte räumliche Anordnung funktioneller Gruppen, die mehreren Wirkstoffen gemeinsam ist und die Grundlage der biologischen Wirkung bildet

Partial Least Squares

Verteilungskoeffizient VK, experimentell bestimmt

pKa-Wert der Substanz nicht berücksichtigt; in der angelsächischen Literatur auch als D (distribution coefficient) bezeichnet

Tertiärbutyi-

Übersicht zu den in der Arbeit berücksichtigten Betarezeptorenbiockern Ethanolamsndersvate

Seit e

Pronethalol 15

Sotalol 15

Inpea (Italien) 15

Aryloxypropanolaminderivate

Propranolol 16

ICI 45,763 Kö 592 16

Oxprenolol und Alprenolol 16

Practolol 17

Celiprolol, Talinolol 20

Atenolol 20

Metoprolol 22

Pindolol, Timolol, Carazolol und Bufuralo! (Heterozyklen) 23

Acebutolol 27

Bisoprolol, Betaxolol, Esmolol 34

l

1. Einleitung

Einordnung und Bedeutung qualitativer und quantitativer Struktur-Wirkungs- beziehungen

Die heutige Arzneimittelforschung ist sehr kostenintensiv. Viele entwickelte Wirkstoffe be- stehen nicht die klinische Phase der Arzneimittelprüfung. Ursache ist oft ein ungeeignetes pharmakodynamisches oder pharmakokinetisches Verhalten.

Hinsichtlich der Pharmakodynamik weisen z.B. die auf dem Markt befindlichen Arzneistoffe eine Reihe von Nachteilen auf. Ärzte beklagen vielfältige Nebenwirkungen der Medikamente.

Die Wirkstoffe erreichen nicht nur die Zielzellen und verursachen den gewünschten Hauptteffekt, sondern binden auch an Rezeptoren anderer Zellgewebe. Im Fall der ß- Adrenozeptor-Antagonisten besteht der Wunsch nach kardioselektiven Verbindungen, die geringe oder keine Nebenwirkungen an der glatten Muskulatur der Bronchien oder im Pankreas aufweisen [1].

Lipophile ß-blockierende Substanzen können durch die Blut-Hirn-Schranke treten und ver- schiedenene zentrale Nebenwirkungen wie Müdigkeit, Antriebsamnut u.a. auslösen. Unab- hängig von der sympatholytischen Wirkung findet man bei den meisten ß-Adrenozeptoren- blockern auch eine mehr oder weniger starke unspezifische Membranwirkung, die aber erst bei hoher Dosierung, z.B. im Vergiftungsfall, relevant werden kann[2].

Viele pharmakologisch wichtige Rezeptoren sind membranständig. So fern ihre Strukturen bislang nicht aufgeklärt wurden [3], ist ein rezeptorstrukturangepasstes Wirkstoffdesign da- her in vielen Fällen noch nicht möglich.

Eine Leitstruktur ist erst der Anfang zu einem hochwertigen Arzneimittel In einem langwie- rigen, iterativen Prozess müssen die Wirkstärke, Selektivität und Verträglichkeit optimiert werden [3], [4]. Für die systematische Strukturveränderung ist die Kenntnis von Zusammen- hängen zwischen der chemischen Struktur und der biologischen Wirkung unabdingbar. Das chemische Grundgerüst der Betarezeptoren-Antagonisten besteht aus einem aromatischen Ring und einer Seitenkette mit der charakteristischen Aminogruppe [5]. Einmal aufgefun- dene, erfolgreiche Modifikationen werden weiter variiert, wie nach dem biologischen Evolu- tionsprinzip nach Darwin [3], [4]. Ein Großteil der ß-Adrenozptorantagonisten wurde in den Sechziger und Siebziger Jahren entwickelt. Daher sollen insbesondere die klassischen An- sätze der Wirkstoffoptimierung später dargelegt werden.

Quantitative Struktur-Wirkungsanalysen beschreiben diese biologische Wirkungen mathe- matisch. Es werden Zusammenhänge zwischen strukturbedingten physikochemischen Para- metern und der biologischen Aktivität aufgestellt [6]. Oft ist das physiologische System sehr komplex. Jeder Einzelschritt des Medikaments, wie die Resorption, die Verteilung, der Trans- port, der Durchtritt durch die Blut-Hirn-Schranke oder die Wechselwirkung mit dem Rezeptor kann durch eine Gleichung beschrieben werden [3]. Vereinfachend ist es aber im günstigen Fall möglich, aus dem komplexen Mehrschrittprozeß den für die Wirksamkeit oder toxikolo- gisch relevanten Vorgang, z.B. die Anreicherung in der Zellmembranen oder die Wechselwir-

kung mit dem Rezeptor herauszufiltern, und mathematisch über lipophile oder elektronische Parameter zu beschreiben. In anderen Fällen geht man von einer Summengleichung aus.

Die ermittelten SAR und QSAR-Näherungen ermöglichen ein tieferes Verständnis der Ligand-Rezeptor-Wirkung. Anhand der aufgestellten Beziehungen kann beurteilt werden, welche Substituenten die Wechselwirkungen bestimmen und welche nicht. Ferner können sterische, lipophile und elektronische Einflussfaktoren auf die Ligand-Proteinbindung unter- sucht werden. Durch diese Vorgehensweise verringert sich die Molekülvariationsbreite dras- tisch und die Zahl der Tierversuche kann gesenkt werden.

Das Rezeptorgeschehen muß mit berücksichtigt werden, weil mit dessen Kenntnis allgemein selektivere Wirkstoffe entwickelt werden können. Die Unterteilung der ß-Adrenozeptoren in Subtypen hat das Wirkstoffdesign spezifischer ß-Antagonisten beflügelt.

Impulse zur Entschlüsselung der Wechselwirkungen, z.B. zwischen Ligand und Rezeptor, kommen auch aus anderen Disziplinen, z.B. der Molekularbiologie [7]. Es ist zunehmend möglich, makromolekulare Biorezeptoren zu isolieren, zu charakterisieren und in großen Mengen über das Clonen von Genen, die PCR-Reaktion und die Gen-Expression herzustel- len. Wie in [3] erwähnt, erfolgt die Strukturbestimmung von Proteinen bisher durch die Kris- tallstrukturanalyse und die hochauflösende NMR-Spektroskopie. Ein Schwachpunkt hierbei, wie schon erwähnt, die Ermittlung der SD-Struktur membrangebundener Rezeptorproteine, muss überwunden werden [8].

Weitere überaus wichtige Ansätze liefert das computergestützte Molekül- und Wirkstoff- Design [3,7], [9,10]. Das in den letzten zehn Jahren neu etablierte Arbeitsgebiet Molecular Modelling [3] erlaubt eine Darstellung und Bearbeitung von dreidimensionalen Molekülstruk- turen und die Ermittlung weiterer physikochemischer Eigenschaften.

Die Arzneimittelforschung beginnt mit der Identifizierung von Leitstrukturen, welche die gewünschten biologischen Wirkungen zeigen. In der sich anschließenden Modifizierung stehen andere Eigenschaften, wie Toxizität, geringe Selektivität, schlechte Löslichkeit, u.a. im Vordergrund. Vor allem in dieser Optimierungsphase liefert die SAR und QSAR einen wichtigen Beitrag [11].

2. Das Wirkprofil der R-Adrenozeptorantagonisten und Einführung in die Prinzipien des Molekötdesigns

2.1. Das Sympathische Nervensystem und die B-Blockade

Um das Wirkspektrum der ß-Adrenozeptor-Antagonisten insgesamt besser zu verstehen, sollen einige Ausführungen zur Rolle des im Zusammenhang stehenden sympathischen Nervensystems und der hierbei agonistisch wirkenden Catecholamine gemacht werden.

Im Verlaufe der Evolution wurde ein effizientes Steuerungssystem ausgebildet, um die einzelnen Organfunktionen zunehmend komplizierter Lebewesen aufeinander abzustimmen und ihre Leistung rasch an die sich ändernden Umgebungsbedingungen anpassen zu kön- nen [12]. Das vegetative Nervensystem steuert gemeinsam mit dem endokrinen System die inneren Organe. Bei Kampf- oder Fluchtsituationen des Steinzeitmenschen musste über den sympathischen Teil schnell eine starke Skelettmuskeltätigkeit gewährleistet sein: Eine gute Durchblutung wird durch den Anstieg der Frequenz und der Kontraktionskraft des Herzens realisiert. Durch Verengung der Blutgefäße für die Eingeweide wird der Blutstrom zur Muskulatur zusätzlich umgelenkt. Den Muskeln müssen ausreichend Sauerstoff und

Nährstoffe zugeführt werden. Die Bronchien sind erweitert, so dass das Atemvolumen steigt.

Aus der Leber wird Glucose und aus dem Fettgewebe Fettsäuren abgegeben. Es sollen hier nur die wichtigsten Folgen einer Sympathikusaktivierung genannt und schon vorweggenom- men werden, dass bei einer ß-Blockade ein ähnliches, aber entgegengesetztes komplexes Wirkspektrum auftritt. Der moderne Mensch braucht nicht mehr die evolutionsbedingte An- passung, die biologischen Funktionen aber haben sich nicht geändert. Stress führt zu ähn- lichen Symptomen, aber ohne die Energie verbrauchende Muskeltätigkeit [12].

Im sympathischen Teil fungiert als Überträgerstoff an den Synapsen des 2. Neurons Nor- adrenalien. Ferner wird über das Nebennierenmark Adrenalin ausgeschüttet, das sich als Hormon mit dem Blut im Körper verteilt. Die Catecholamine können nun mit dem Rezeptor in Wechselwirkung treten, wobei Alquist [13] erstmals eine Differentierung vornahm.

Nach pharmakologischen Gesichtspunkten kann man heute die wichtigen Ädrenozeptor- subtypen o,, a2l ß-i, ß2 und ß3 unterscheiden [12]. Die Dichte dieser Rezeptoren in den einzelnen Geweben ist sehr verschieden:

- Eine Herzwirkung wird über die dort vorhandenen ßrRezeptoren ausgelöst

- Die Bronchien besitzen überwiegend ß2-Rezeptoren und agonistische Wechselwirkungen führen zu einer Dilatation

- Bezüglich der Gefäßmuskulatur sind die Auswirkungen unterschiedlich

Die dort befindlichen a-Rezeptoren bewirken eine Vasokonstriktion, ßa-Stimulation eine Vasodilatation

Bei Patienten mit Angina pectoris ist die sympathische Herzwirkung absolut unerwünscht.

4

Um das Herz vor einer sauerstoffzehrenden Auswirkung einer Erregung des Sympathikus zu schützen, wurden ß-Adrenozeptorantagonisten entwickelt, ß-BIocker senken die Reinfarkt- häufigkeit und sind auch bei bestimmten Formen von Arrhythmien und bei Hypertonie in- diziert. Typische Betablockerweisen im Wesentlichen folgendes Wirkprofil auf [14]:

- kardial: Herzfrequenz und Erregbarkeit sinken, die maximale Kontraktionskraft ist reduziert - intrinsische sympathomimitische Aktivität (ISA, PAA)

Das sind Betablocker, die gleichzeitig auch partielle Agonisten sind, d.h. dualistisch wirken - unspezifische Membranwirkung

Dabei wird unabhängig von der ß-Blockade die Permeabilität von Membranen beeinfiusst.

Die Wirkung ist chinidinartig, also kardiodepressiv, und iokalanästhetisch und ist bei der üblichen Dosierung kaum von Bedeutung

Spezifische Nebenwirkungen ergeben sich u.a. aus der Blockade der ß^Rezeptoren. Der Atemwegswiderstand nimmt zu. ß-Adrenozeptorenblocker sind deshalb bei Asthmatikern kontraindiziert. Bezüglich der Gefäßmuskulatur fällt der erweiternde Effekt von Adrenalin weg und es resultiert eine durch den a-Rezeptor vermittelte Vasokonstriktion. Kalte Hände und Füße sind die Folge. Die ß-Blockierung hebt auch die glukosemobilisierende Wirkung auf, so dass bei Diabetikern infolge der Gefahr eines hypoglykanischen Schocks nur unter Vorsicht Betaadrenozeptorenblocker angebracht sind. Neben der Beeinflussung des Stoffwechsels gibt es noch weitere Nebenwirkungen, die sich aus der ß-spezifischen Blockade ergeben, aber nicht Gegenstand der Arbeit sein sollen.

Unspezifische Nebenwirkungen treten vor allem am ZNS auf und verursachen z.B. Müdig- keit und Abgeschlagenheit [14], [15]. Bei lipidlöslichen ß-Adrenozeptorblockern sind sie am größten.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass eine sympathische Aktivierung über ß- Rezeptoren eine ganze Reihe von Organen, wie Herz, Gefäße, Bronchialmuskulatur und den Stoffwechsel in Mitleidenschaft zieht. Eine ß-Blockierung hat entgegengesetzte komlexe Auswirkungen, bei der die Herzwirkung therapeutisch genutzt wird, während die anderen Wirkungen unerwünscht sind. Aufgabe des medizinischen Chemikers ist es, kardioselektive Substanzen zu finden. Dabei erweist sich die ungleichmäßige Verteilung der Rezeptoren und insbesondere der ßrRezeptoren von Vorteil.

Durch eine Molekülvariation zu hydrophileren Wirkstoffen können auch unspezifische Neben- wirkungen reduziert werden.

2.2. Prinzipien der systematischen Variation der Wirkstoffe

Vor über 100 Jahren hat Emil Fischer für Ligand-Protein-Wechselwirkungen das Bild vom Schlüssel geprägt, der in ein Schloss passen muss. Dies ist heute noch gültig und wurde da- hingehend ergänzt, dass Schloss und vor allem der Schlüssel flexibel sind, d.h. nicht nur die Geometrie sondern das Eigenschaftspotential beider Partner muss passen [4], [16].

Chemische Ähnlichkeit führt oft zu biologischer Ähnlichkeit. Dafür gibt es viele Beispiele.

Kleine Abweichungen in der chemische Struktur können aber auch zu drastischen Unter- schieden bzw. sogar zum Verlust der biologischen Aktivität führen.

Wichtige Möglichkeiten und Prinzipien der Molekülvariation [3], [4] und [16] sind u.a.:

- Verlängerung oder Einführung von Alkylgruppen oder allgemein lipophiler Bausteine in das Molekül. Im Falle der Betablocker führte dies, siehe weitere Ausführungen, zu Pronethalo!

und Propranolol

- Isosterer Ersatz von Atomen oder Atomgruppen

- Berücksichtigung der Ausbildung von Wasserstoffbrücken durch die Einführung entspre chender Donor- oder Akzeptorgruppen

- Umkehr funktioneller Gruppen, z.B. Verschiebung der Amidbindung zur Modifizierung des Parasubstituenten bei verschiedenen Betaadrenozeptorantagonisten

- Öffnen und Schließen von Ringsystemen - Berücksichtigung der Chiralität

- „Strategisches Substitutionsmuster"

Nach einem erfolgreichen Austausch von Atomen und Atomgruppen orientiert sich die wei- tere Substitutionssuche an der neuesten Verbindung.

- Als Wegweiser für die Richtung der Strukturvariation Unterteilung des Wirkstoffes in Struk- bereiche : Definition des Pharmakophors aus dem Vergleich wirksamer und unwirksamer Analoga; Ermittlung zusätzlicher Haftgruppen oder Molekülbestandteile, die den Transport und die Verteilung im biologischen System beeinflussen

Eine Möglichkeit der Ermittlung der kardialen Wirksamkeit von Testverbindungen kann in Tierversuchen realisiert werden. Durch einen Agonisten, Isoprenalin, wird zunächst eine re- produzierbare Tachykardie induziert. Die Menge der Substanz in ug/kg , die zu einer 50%- igen Hemmung bzw. Antagonisierung der Tachykardie führt, kann aus der aufgestellten Do- sis-Wirkungskurve ermittelt werden und ist nun mit der unsubstituierten Verbindung ver- gleichbar.

Als Kenngröße zur Charakterisierung der Affinität zu vaskulären Rezeptoren dient der Grad der Blockade der Vasodepression in [%] bei dieser Dosis Smith [17], [18], [19], [20], [21].

Zu den klassischen Methoden kam die quantitative Struktur-Wirkungsanalyse. Sie erlaubt die Überprüfung qualititiver Zusammenhänge zwischen der chemischen Struktur bzw. physika- lisch-chemischer Eigenschaften und biologischer Wirkung [3]. Umfangreiche Molekülvariatio- nen können beschrieben werden.

2.3. Historische Entwicklung der GSAR-Verfahren ynd Vorstellung der Grundmodeile Der Ursprung der quantitativen Struktur-Wirkungsbeziehungen reicht weit zurück [7], [9].

Schon 1868 haben Crum Brown und Frasier bei ihren Untersuchungen an Alkaloiden einen quantitativen Zusammenhang zwischen der chemischen Struktur C und ihrer physiologi- schen Aktivität <t> postuliert. Sie veröffentlichten die folgende Gleichung [7], [22]:

«P = f(C) (1)

Mit dieser Formel konnten aber noch keine Wirkungen berechnet werden, da ihnen für <D und C die geeigneten Parameter fehlten [22].

Den ersten Beleg für einen solchen Zusammenhang lieferten 1893 die Arbeiten von Richet, der nachwies, dass die Fischtoxizität von Alkohol, Diethylether, Urethan, Paraldehyd und Amylalkohol ihrer WasserlösSichkeit umgekehrt proportional ist [9], [22]. Etwa 10 Jahre später fanden unabhängig voneinander Meyer und Overton, dass die toxische Wirkung und narkotische Aktivität homologer, organischer Verbindungsreihen linear mit der Lipophilie, ausgedrückt als ÖIAA/asser-Verteilungskoeffizient, zunimmt [7], [22]. Um die

Polaritätsverhältnisse der Zellmembran, die im Wesentlichen aus einer Lipoproteindop- pelschicht besteht, besser wiederzugeben, schlug Danielli 1941 vor, statt wie bisher Öl als lipophile Phase Octanol zu verwenden [7].

In den Dreißiger Jahren fand Hammett erstmals einen elektronischen Parameter o, der die Reaktivität verschieden substituierter Benzoesäureester maßgeblich bestimmt und, wie noch zu sehen sein wird, quantitativer Ausdruck von l- bzw. M-Effekten ist.

1964 leiteten Hansch und Fujita schließlich eine bahnbrechendes, allgemeingültiges mathe- matisches Modell ab, [6], [9], [23], in welchem der Lipophilieparameter P mit der elektroni- schen Hammettkonstante a verknüpft wurde:

fog 1/C = -ki(SogP)² + k2IogP +ks0+... k (2)

C ist eine molare Konzentration, die einen bestimmten biologischen Effekt hervorruft. Das als „Hanschanalyse" bekannte Verfahren beschreibt auch nichtlineare Struktur-Wir-

kungsbeziehungen [24] und lässt Raum für noch weitere, unbekannte Deskriptoren. Die Ko- effizienten k1f k2 und k sind ermittelte Konstanten.

In der gleichen Zeit wurden von Free und Wilson eine andere mathematische Gleichung zur Beschreibung biologischer Wirkungen vorgestellt [3], [4], [25]. Die Grundüberlegung die- ser Näherung ist, dass ausgehend von einem Grundgerüst mit einem Betrag [j jeder Sub- stituent an einem bestimmten Substitutionsort einen parameterfreien Aktivitätsbeitrag as lie- trag liefern kann. Diese Beiträge sind additiv miteinander verknüpft, in [3] vereinfacht dar- gestellt:

Iog1/C = Zaj+p (3)

In den Folgejahren wurde die Hanschgleichung mit ihren noch unbekannten Deskriptoren weiter vervollständigt. Es wurden Hunderte physikochemischer Parameter gefunden und in Datenbanken, z.B. „Desbase", in der auch 3000 verschiedene Substituenten beschrieben werden, dargestellt [7].

Die Hansch- und Free-Wilson-Analyse sind die bekanntesten Basismethoden der klas- sischen QSAR. Modifiziert wurden diese von Cammarata, Kubinyi, Mager u.a.. Bei Mager [26] wird davon ausgegangen, dass bei Verwendung einer einzigen biologischen

7

Variablen kaum Schlussfolgerungen auf das komplexen Geschehen möglich sind, was sich im Organismus nach der Applikation von Pharmaka ereignet. Es werden deshalb verschie- dene biologische Wirkungen für eine zu untersuchende Serie von Verbindungen im Rahmen einer multivarianten QSAR erfasst. Kubinyi u.a. reduzieren, wie eingangs angedeutet, den komplexen Mehrschrittprozeß auf eine Gleichung.

QSAR-Methoden haben ihren festen Platz nicht nur im Drug Design, sondern beispielsweise auch in der Ökotoxikologie. Die strukturell bedingten physikochemischen Eigenschaften von Pestiziden und Umweltgiften korrelieren mit der Bioakkumulation und derToxizität bei Fi- schen.

3. Quantitative Struktur-Wirkungsbeziehungen

3.1. Die Gültigkeit (und Details) der Hanschgleichung die biologische Wirkung Die Hansen-Analyse verknüpft, wie einleitend festgestellt, strukturell bedingte physikoche- mische Parameter quantitativ mit der biologischen Aktivität. Eine Voraussetzung dafür ist, dass alle Substanzen aus einer chemisch einheitlichen Serie stammen müssen, d.h. sehr ähnliche oder gleiche Grundgerüste aufweisen müssen. Zudem greifen sie am gleichen bio- logischen Target an und weisen einen identischen Wirkungsmechanisrnus auf [3]. Ist diese Grundbedingung nicht erfüllt, so kann es zu „Ausreißern" kommen. Die ermittelte Regres- sionsgerade bzw. -kurve wäre stark fehlerbehaftet.

Prinzipiell geht man von einem Grundgerüst oder Leitstruktur eines Wirkstoffkandidaten aus und modifiziert. Die Substanzen werden z. B in vivo appliziert und die biologische Aktivität, in unserem Fall ß-sympatholytische Wirkungen, ermittelt. Anschließend kann der Zusammen- hang zwischen physikochemischen Parametern und der biologischen Aktivität mittels Re- gressionsanalyse festgestellt werden. Man erhält die Koeffizienten k1? k2,...k, in dem man da- von ausgeht, dass die Summe der Abweichungsquadrate zwischen beobachteten Wert C und berechneten Wert C' ein Minimum betragen sollen. Eine partielle Differentiation nach den einzelnen Koeffizienten liefert folgende Gleichung analog Hansen [3], [6]:

log 1/C = -MlogP) + k

IogP +k

a + I^E

+... k (4)

Anstelle log 1/C, dem Logarithmus einer inversen molaren Kozentration für eine biologische Wirkung, kann auch wahlweise eineDissoziations-, Binde- oder Geschwindigkeitskonstante stehen [16], [22]. Die Reziprokwerte dienen dazu, für stärker wirksame Verbindungen einen höheren Zahlenwert zu erhalten als für schwach wirksame.

Häufig wird die ED50 verwendet [16]. Bezüglich der antiadrenergen Wirkung gegenüber ßr

Rezeptoren ist das die Dosis, welche eine 50%ige Senkung einer an Versuchstieren indu- zierten Tachykardie auslöst.

Um die antagonistische Aktivität verschiedener, isolierter Gewebe zu charakterisieren, ist pA2 zweckmäßig, welche mit der Dissoziationskonstanten KB folgendermaßen im Zusam- menhang steht und ermittelt wird [27, 28, 29]:

pA2 = -log KB = -log |[Antagonist ß']/(DosenverhäKnis-1)) (S)

Die Wirksamkeit eines ß-Adrenozeptorenblockers ergibt sich nun bei 50%igem biologischen Effekt aus dem Verhältnis der Isoprenalindosen, welche entweder in Anwesenheit eines ß- Blockers mit einer Konzentration ß' oder in dessen Abwesenheit gegeben werden. pA2 steigt mit der Affinität (1/KB).

Bezüglich der Antagonisierung der ß^Rezeptoren in den Herzvorhöfen und ß2-Rezeptoren in den Tracheen kann pA2 jeweils bestimmt werden. Die Kardioselektivität ergibt sich dann nach [29]: Selekt.-index = pA2(Chronotropie) - pA2(Trachea) bzw. nach [30] in der logarithmierten Form:

Selektivität = antilog (pA2-ßi-AR- pA2-B2-AR) (6)

In [31] verwendete man für in vivo Tests auch vereinfacht das Verhältnis der Dosen DV/DC, die eine 50%ige kardiale bzw. vaskuläre Antwort auslösen.

Die wichtigsten substituentenabhängigen, physikochemlschen Deskriptoren auf der rech- ten Seite der Gleichung 4 sind:

- log P der Logarithmus des Octanol/Wasser-Verteilungskoeffizienten odenr - o,der elektronische Hammettparameter

- die Molekülgröße Es, ein sterischer Faktor

Durch die Punkte soll angedeutet werden, dass weitere Eigenschaften, wie später noch zu sehen sein wird, eine wichtige Rolle spielen können.

Mathematische Qualitätsparameter [3,6]

Die Güte der gefundenen Regressionsgleichung ist überprüfbar. Der Korrelationskoeffizient r gibt den Grad des Zusammenhangs an und ist ein Maß für die relative Güte des Modells. Für Testserien mit ca 20 unterschiedlichen Molekülmodifikationen und zwei bis drei Deskriptoren sind Koeffizienten r < 0,8 ungenügend und die Regressionsgleichung muss in diesem Falle verworfen werden, r = 1 ist sehr gut, aber kaum realisierbar.

Die angegebene Standardabweichung s ist ein Kriterium für die absolute Güte des Modells.

Je kleiner dieser Wert ist, desdo genauer stimmen gefundene und berechnete C-Werte über- ein. s< 0,3 ist für den angegebenen Testumfang ausreichend [22]. Oft wird auch der Fischer- Wert F, ein Maß für die Signifikanz der Regressionskoeffizienten, angegeben.

Es muss beachtet werden, dass die strukturbeschreibenden Variablen unabhängig vonein- ander sind.

Die in den Klammern hinter dem Koeffizienten angegebene Werte, siehe Beispiele später, sind 95%-Vertrauensbereiche dieser Koeffizienten [22].

3.2. Die wichtigsten Parameter und

3.2.1. Die Lipophilse und ihre biologische Wirkung

Biologische Systeme bestehen aus wässrigen Phasen, die durch Upidmembranen getrennt sind. Der Transport und die Verteilung in solchen Systemen hängt von der Lipophilie ab. Für polare Verbindungen stellen die Lipidmembranen Barrieren dar. Lipophile Substanzen sind wiederum in wässrigen Phasen schlecht löslich und bleiben bevorzugt in den Membranen.

Vom Standpunkt der Pharmakokinetik haben daher nur Substanzen mittlerer Lipophilie eine gute Chance, den Wirkort zu erreichen [22], [32].

Die Lipophilie spielt auch bei der Überwindung biologischer Schranken, z.B. der Blut-Hirn- Schranke eine Rolle [9]. Erwünscht bei verschiedenen Psychopharmaka führt der Durchtritt bei Betabiockern aber zu den bereits beschriebenen zentralen, unspezifischen Nebenwir- kungen. Besonders Arzneimittel mit logP-Werten um 1,4-2,7 können die Blut-Hirn-Schranke überwinden [9].

Die Wechselwirkungen einer Substanz mit der Bindestelle eines therapeutisch relevanten Makromoleküls sind vielfältig. Der Rezeptor verfügt sowohl über hydrophobe als auch über

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hydrophile Bindestellen. Eine rezeptorkomplementäre Verteilung der hydrophoben und lipo- philen Bereiche seitens des Wirkstoffes ist eine wichtige Voraussetzung [32]. Der lipophile Anteil eines Liganden darf aber auch eine gewisse Größe nicht überschreiten. Daraus resul- tiert eine weitere Ursache für nichtlineare Lipophilie-Wirkunsbeziehungen [3]. Die Definition der Lipophilie erfolgt ausgehend vom Verteilungskoeffizienten P (=partition) einer Substanz zwischen der Octanol- und Wasserphase [6], [32]:

P ⁼ Cootanol'Cyyasser (')

Coctanoi-und C_Wasser sind die Wirkstoff-Konzentrationen in beiden Phasen. In diesem Verteilungskoeffizienten wird oft noch die Ionisation berücksichtigt. Die Lipophilie ist der Logarithmus des Verteilungskoeffizienten.

Um nun den Einfluss eines Substituenten X, beispielsweise in Parasteltung auf das Vertei- lungsgleichgewicht zu charakterisieren, wird sehr häufig der Lipophilieparameter TT nach [6]

verwendet:

TT_X= Sog PRX - IogPRH (8)

Die Gesamtlipophilie einer Substanz ist die Summe der Lipophiliekonstanten aller Molekül- teile:

LogPsubstanz ^s LogPstammverbindung ⁺ £ TTSubstjtuenten (9)

3.2.2. Elektronische und sterische Moleküieigenschaften

Während das pharmakokinetische Verhalten in erster Linie von der Lipophilie bestimmt wird, sind für die Rezeptorbindung und Effektuierung noch andere Faktoren, wie elektronische und sterische Eigenschaften, ausschlaggebend [331.

Wichtigster Deskriptor für elektronische Substituenteneffekte ist wie schon erwähnt der Ham- mettparameter CT.Er beschreibt den elektronenziehenden bzw. schiebenden Effekt eines Substituenten R auf ein Reaktionszentrum Y [6].

R

Die Hydrolysegeschwindigkeit der substituierten Verbindung steht mit unsubstituierten Ver- bindung in folgendem Zusammenhang:

log k_R/k_H = p-a (10)

Eine solche Beziehung lässt sich auch mit den Gleichgewichtskonstanten bilden, welche wiederum in einer linearen Proportionalitätsbeziehung zur freien Energie AG stehen.

Elektronenakzeptor-Substituenten mit positiven a sind u.a. die Acetylgruppe, Nitrogruppe und die Halogene [6], [3]. Durch den -l bzw. -M-Effekt erfolgt eine Positivierung des Reak- tionszentrums. Amino- und Hydroxygruppen, sowie Alkylsubstituenten bewirken umgekehrt durch ihren +l und +M-Effekt eine Negativierung am Reaktionszentrum Y. p ist ein Proportio-

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nalitätsfaktor. Die Hammettbeziehung gilt nicht für ortho-Substituenten. Weitere elektronische Parameter sind nach [16], [3] die induktive FeSdkonstante F, die Re- sonanzkonstante R, das Dipolmoment p und quantenmechanische Parameter, Die Säurekonstante pka steht mit a im Zusammenhang. Elektronenakzeptierende Substitu-enten erhöhen die Acidität von Benzoesäuren und Phenolen und reduzieren die Basizität von Anilin [3]. Der pKa-Wert kann daher auch als Indikator für elektronische Effekte dienen.

Die MoSrefraktion MR [3] ist eine Maß für die Polarisierbarkeit eines Atoms. Große, „weiche"

Atome, wie Schwefel, Brom oder lod, können bei Annäherung der Elektronenhüüe eines anderen Moleküls mit einer dynamischen Umverteilung der Ladung reagieren, kleine Atome, wie Sauerstoff und Fluor nicht. MR ist sowohl ein Maß des Molvolumens als auch ein Maß der Delokalisierbarkeit eines Elektronensystems und kann auch als sterischer Parameter eingesetzt werden [6].

Sterische Parameter

In Analogie zur Hammettbeziehung untersuchte Taft aliphatische Carbonsäuren, bei denen sich keinerlei polare Einflüsse auswirkten, sondern deren Hydrolysegeschwindigkeit aus- schließlich nur von sterischen Faktoren abhängig war [6], [34]. Entsprechend wurde der Pa- rameter Es eingeführt und definiert:

log kß/kcH3 = ^ES (11)

Die Es-Konstanten spiegeln einen allgemeinen Abschirm-Effekt eines Reaktionszentrums durch einen Substituenten wieder. Je größer der Substituent R, desdo kleiner wird die Ge- schwindigkeitskonstante kR, d.h. kR<kCH3- Besonders Phenyl- oder Tertiärbutylreste haben sehr negative Es-Werte.

Weitere sterische Deskriptoren sind nach [6], [16], [34]:

r Van-der-Waals-Radius

v sterischer Parameter nach Charton Vw Van-der-Waals-Volumen

Verloop-Parameter,

Die räumliche Größe des Substituenten entscheidet oft darüber, ob das Wirkstoffmolekül in die Rezeptortasche passt, wie der Schlüssel in das Schloss. Sterische Parameter, die diese Passgenauigkeit Ligand/Protein wiedergeben, sind insgesamt aber aligemein schwer zu be- schreiben, wenn wie in unserem Falle die Bindestellen der ß-Rezeptoren nicht ausreichend bekannt sind. Weitere mögliche Variablen zur Beschreibung sind die parameterfreien Indika- torvariablen, die eine Sonderstellung einnehmen und daher im folgenden Punkt näher cha- rakterisiert werden sollen.

3.3. Free-Wilson- und Hybridmodell (Kombinierung)

Im Free-Wilson-Modell bzw. in der später von Fujita und Ban vorgeschlagenen Variante liegt, siehe Abb.1, die Idee zugrunde, dass Substituenten ihren „eigenen Beitrag" <a\ zur biologi-

12

sehen Aktivität eines Grundgerüstes mit dem Beitrag u liefern [33]. Der Vorteil ist, dass hier keine konkreten physikochemischen Parameter bekannt sein müs-müssen, der Nachteil, dass außerhalb des gewählten Parameterraumes Vorhersagen unmöglich sind, z.B. für neue Substituenten [3], [35].

Diese Art der Beschreibung wurde vor allem bei der Ureidoserie sowie durch Kubinyi bei ver- schieden substituierten Haloarylethanolaminen, wie später noch berücksichtigt werden wird, angewendet.

G r u n c f g e r ü s t Subst. x Wirkstoff

x ^Xn

A1 (Beitrag an)

(Beitrag a1) x

(Beitrag a2) Abb. 1 Gruppenbeiträge an zu einem Grundgerüst

Hybrides Hansch/Free-Wilson-Modell [3]

Cammarata [36] stellte 1972 fest, dass diese beiden Basismodelle, siehe Gleichung 2 und 3, nicht losgelöst voneinander zu betrachten sind und leitete aus der Free-Wilson Näherung unter Berücksichtigung verschiedener Grundannahmen das Hansen-Modell ab. Auch Kom- binationen beider Modelle sind möglich. Bezüglich unserer Problematik wird die „Mixed Äpproach" häufig verwendet. Dieses gemischte Modell enthält kontinuierlich verteilte physi- kochemische Deskriptoren wie bei der Hansen-Gleichung und diskrete Indikatorvariablen aus dem Free-Wilson-Modell, wobei Letztere wieder wie oben für die Anwesenheit bestimmter Molekülfragmente kodieren [35].

3.4. 3D-QSAR

Einführende Betrachtungen

Quantitative Struktur-Wirkungsbeziehungen, die eine Korrelation der biologischen Aktivität mit Eigenschaften der SD-Strukturen von Stoffen zum Ziel haben, werden auch als 3D-QSAR bezeichnet. Ein breit anwendbares Verfahren ist die seit 1988 bekannte vergleichende mole- kulare Feldanalyse, CoMFA [37], bei der man die Moleküle in ein Gitter einbettet. An jedem Gitterpunkt sitzt eine „Sonde", die geladen oder ungeladen ist [3], [33]. Die Wechselwirkung zwischen diesen Sonden und dem Molekül ergeben für jeden Gitterpunkt sterische und elek- tronische Feldbeiträge. Anschließend werden diese mit der vorher experimentell bestimmten antagonistischen Wirksamkeit pA2 z. B. in Beziehung gesetzt. Es wird eine mehrdimensionale nale Matrix aufgestellt, die aber nicht mehr mit einer Regressionsanalyse auflösbar ist. Als statistisches Verfahren kommt stattdessen die PLS-Analyse zur Anwendung [3]. Man erhält bestimmte elektronische oder sterische Feldbereiche, die besonders gut mit den Bindungs- affinitäten korrelieren.

13

4. Qualitative und quantitative Struktur-Wirkungsbeziehongen

4.1. Die Entdeckung der ersten ß-Adrenozeptorenbfocker

Die ß-Sympatholytika sind keine völlig einheitliche Wirkstoffgruppe. Im Folgenden sollen Möglichkeiten der Molekülmodifikation insgesamt und strukturelle Besonderheiten bedeuten- der Vertreter der ß-Adrenozeptorantagonisten dargestellt werden.

Die chemische Struktur der ß-Blocker leitet sich vom Ägonssten IsoprenaSin ab [5], [12], [13], [381. Bezüglich der Überträgerstoffe im sympathischen Nervensystem sind zwei körpereigene Katecholamine, das Noradrenalin und das Adrenalin, von Bedeutung. Das Isoprenalin

hingegen ist synthetisch und das N-lsopropyianaloge des Noradrenalins.

H,c

NH,

CH(CH3)2

Abb.1 Die Katecholamine Noradrenalin, Adrenalin und Isoprenalin Allen drei Strukturen gemeinsam sind die Hydroxylgruppen und ihre Stellung am Ring. Ein Verlust dieser verringert die agonistische Wirksamkeit rapide [12], [13]. Man erkannte schon Ende der Vierziger Jahre, dass die kardiostimrnulierende Wirkung der drei Katecholamine zwar ähnlich, die Stimulation auf andere Gewebe, wie Blutgefäße und Bronchien aber unterschiedlich ist [13]. Alquist leitete 1948 daraus ab, dass es zwei verschiedene Rezeptoren geben muss, die er mit a und ß bezeichnete. Aber erst mit der Synthese des ersten Betabiockers Dichlorisoprenaiin konnte diese Rezeptortheorie bestätigt werden, weil das DCI selektiv die ß-Rezeptoren hemmte. Die Verwendung von Chlor im Ring anstelle der Hydroxylgruppen, siehe Abb.2, führt zu einer antiadre-nergen Wirkung.

Bezüglich der ß-Adrenozeptoraffinität ist die Alkylsubstitution am Stickstoff entscheidend:

Eine stärkere Alkylierung der Aminogruppe und des benachbarten a-Kohlen-stoffs, siehe Abb. 1 und 2, verursacht sowohl bei Agonisten als auch bei Antagonisten eine ausgeprägte ß-Rezeptoraffinität [12], [13], während Noradrenalin mit seiner primären Aminogruppe a- selektiv ist. Als Optimum für eine hohe Affinität zu den ß-Rezeptoren erwies sich nach [13]

der Einbau eines Isopropylrestes. Ein Wasserstoffatom am Stickstoff wird nicht substituiert.

Er ist essentiell [13]. Diese Art der Substitution in der Seitenkette am Stickstoffatom ist für viele Betablocker typisch.

14

CHOH CHOH

VCH(CH3)2 Abb.

2 Dichlorisoprenalin (DC1)

Im Dichlorisoprenalin waren die Positionen 3 und 4 des Phenylringes halogeniert worden. Damit erreichte man eine optimale Wirksamkeit. Eine Monosubstitution oder Disubstitution an anderen Positionen brachte keinen Erfolg. Leider zeigte das DCI teilweise agonistische Wirkungen und musste vom Markt genommen genommen werden.

Die Positionen 3 und 4 sollten auch bei der nächsten Neuentwicklung eine Rolle spielen.

Statt einer Halogenierung wurde von Black und Stephenson ein zweiter aromatischer Ring eingeführt [13], [38]. Es resultierte Pronethalol. Diese Verbindung hatte keine intrinsische sympathomimetische Aktivität (ISA). Howe und weitere Mitarbeiter untersuchten insgesamt 76 Modifikationen. Bei anschließend klinischen Studien traten Nebenwirkungen auf. Manche Pronethalolanaloge erwiesen sich als kanzerogen.

Die weitere Entwicklung unbedenklicherer ß-bloekierender Phamnaka verlief mehrgleisig. In den USA und Italien beispielsweise suchte man für die Chlorsubstituenten des DCI nach geeigneten elektronenziehenden Alternativen. Man fand als wirksamste Verbindungen Sotalol und Inpea:

CH3

Pronethaloi Sotalol (USA) Inpea (Italien)

Abb.3 Typische Ethanolaminderivate: Pronethalol, Sotalol und Inpea

Das Sotalol ist heute noch ein marktüblicher ß-Blocker. Die Monosubstitution in Paraposi- tion erwies sich am erfolgreichsten. Die Einführung einer Methylsulfonaminogruppe sollte später noch weitere Impulse dem Drug Design von Betabiockern geben. Insgesamt gehören Pronethalol, Sotalol und Inpea zu den Arytethanolaminen, einer der beiden wichtigen Stoffklassen , die strukturell in ß-Sympathoiytika vorkommen können [39].

15

CHOH

CHOH ,CHOH

H2C'

CH(CH3)2

NH CH(CH3)2

*CH(CH3)

Der Einbau eines zusätzlichen Kohlenstoffatoms in die Ethanolseitenkette erhöht nicht die Wirksamkeit. Hinsichtlich der Substitution am Stickstoff erwies sich wieder die Isopropyl- struktur am optimalsten [13].

4.2. Die Durchsetzung der Aryloxypropanolaminstruktur (AOPA-Struktur)

Die Einführung des Pronetalols war zwar nicht erfolgreich, aber Crowther und seine Mitarbei- ter variierten das Molekül weiter und entwickelten 1962 das Propranoloi [13], [38].

OCH2CH(OH)CH2NHCH(CH3)2

CH(CH3)2 Abb. 4 Struktur des Propranolols; Möglichkeiten der Ringmodifizierung mit Beispiel Kö 592

Es enthält eine zusätzliche Oxymethylenbrücke und erwies sich zehnmal wirksamer als Pronetalol. Propranoloi war das erste erfolgreiche Aryloxypropanolamin. Im Unterschied zu DCI hatte es keine intrinsische kardiostimmulierende Wirkung mehr. Modifikationen am Stickstoffatom erbrachten, dass N-lsopropylderivate und N-tertiäre Butylanaloge die stärkste ß-blockierende Wirkung aufweisen. Auch Substitutionen am Phenylring in Ortho-und Meta- Position, siehe Abb. 4 lieferten weitere wirksame Verbindungen, z.B. ICI 45,763 Kö 592 u.a.

[13].

Mit dem Einbau von Alkenyl- und Alkenoxyverbindungen in die Phenyloxypropanolamin- grundstruktur, siehe Abb. 4 und 5, wurden 1967/68 Oxprenolol und Alprenolol gefunden.

MIST

CH(CH3)2 CH(CH3)2 CH(CH3)2

Abb. 5 Propranoloi und modifizierte Phenyloxypropanolamine Oxprenolol u. Alprenolol

16

OCH2CH(OH)CH2NHCH(CH3)2

Letztere können beide als ein ringgeöffnetes Propranolol angesehen werden. Das Zerschnei- den von Ringsystemen ist, wie schon anfangs erwähnt, eine prinzipielle Möglichkeit der ge- zielten strukturellen Abwandlung einer Leitstruktur.

Insgesamt hatte man sehr wirksame ß-antiadrenerge Verbindungen entwickelt. Sie offenbar- ten aber auch Nachteile, denn sie waren unselektiv [13], [38].

4.3. Die Entwicklung des ersten kardioselektiven ß-Adrenozeptor-Antagonisten Besonders das Propranolol wirkte nicht nur wie gewünscht am Herzen, sondern auch bron- chial. Ferner konnte es wegen seiner hohen Lipophilie in das ZNS eindringen. Ziel der wei- teren Wirkstoffforschung war daher nicht mehr primär die Wirksamkeitssteigerung, sondern die Verbesserung der Gewebeselektivität.

Als Vorlage diente für Crowther und Mitarbeiter [38] das schon erwähnte Arylethanolamin Sotalol, siehe Abb.3. Unter Beibehaltung der Etherbrücke in der Seitenkette wurde nur der Ringsubstituent Methylsulfonamid durch das entsprechende Methyiazetamid ersetzt und es entstand Practolol.

H2C HOHO.

NHCOR

OCH2CH(OH)CH2NHR1

.NH

Abb. 6 Struktur von Practolol mit seiner typischen para-Acylaminogruppe und erste Modifizierungsmöglichkeiten innerhalb dieser Serie

Die para-Stellung vermindert zwar die Wirksamkeit, Practolol war aber der erste kardioselek- tive ß-Blocker. Durch diese Substitution und mit der Einführung hydrophiler Gruppen erhöht sich die Kardioselektivität [13], [17], [38].

1967 wurde parallel dazu das Rezeptorgeschehen durch Lands [30], [39] weiter differenziert.

Die vorwiegend kardialen ß-Rezeptoren werden ßi und die peripheren ß2 genannt. Darüber- hinaus ist heute noch ein für den Stoffwechsel wichtiger ß3-Rezeptor bekannt [1], [5], [12], [30]. Eingangs wurde bereits auf die Bedeutung der Ligand-Rezeptorwechselwirkung hinge- wiesen.

Typische Vertreter innerhalb der Acylamlnoreihe, siehe Abb.6, mit R=CH3, C6H5, (CH2)4CH3i [17] hemmen alle durchweg die mit Isoprotereol induzierte Tachykardie und

17

wirken sich kaum auf die Blockade der Vasodepression aus.

Bei Variationen mit R^i-CaHr, tert.-C4H9, CH(CH3)(CH2)C6H5 in der Seitenkette an der Aminogruppe zeigten N-i-Pr und N-tert-Bu eine gute Hemmung der tachykardialen Antwort.

Später wurde die Acylaminoserie weiter untersucht und dabei noch ein wirksamer ortho-Substituent durch Basil [40] eingesetzt.

Practolol selbst galt lange als Hoffnungsträger. Bei klinischen Prüfungen zeigte sich eine teil- teilweise agonistische Aktivität und musste daher wieder vom Markt genommen werden [13], [38]. Bezüglich der Kardioselektivität dient es aber bis heute als Referenzverbindung.

4.4. Die Weiterentwicklung selektiver ß-Adrenozeptor-Antagonssten grundlegende Modsfszierungsmöglichkeiten

Wie aus der Variation des Practololmoleküls zur Selektivität- und Wirksamkeitssteigerung ersichtlich, gab es für den Ring insgesamt zwei relevante Substitutionsorte, für die Sei- tenkette im Wesentlichen einen [21], [41]; [42]

Zur übersichtlichen Darstellung der möglichen Substftuenten, verteilt auf drei verschiedene Orte, wird im Folgenden zunächst eine Unterscheidung der verschiedenen Substitutionsorte in Phenylring und Seitenkette vorgenommen, obwohl die Problematik generell im Zusam- menhang gesehen werden muss. Ferner lässt sich die Verlängerung der Alkylkette eines Substituenten allgemein auch über dessen Lipophilie, polare Gruppen über ihre elektroni- schen Eigenschaften beschreiben.

Die experimentelle Bestimmung der Wirksamkeit kann, wie schon erwähnt, über die Dosis einer Substanz, die notwendig ist, um eine vorher standardisiert erzeugte Tachykardie zu 50% zu hemmen, gemessen werden. Bei dieser Dosis wird femer der Grad der Blockade der Vasodepression festgestellt, der ein Maß für die Selektivität ist [17-21].

4.4.1. Modifikationen am Phenylring

Strukturelement para-Substituent

Inspiriert durch Practolol forschten viele Arbeitsgruppen in den Siebziger Jahre nach weiteren analogen Verbindungen [18,19]. So entdeckte man noch zwei geeignete, hydrophile para- Substituenten, die Amido- und Ureido-gruppe für den Phenylring.

OCH2CH(OH)CH2NHCH(CH3)2OCH2CH(OH)CH2NHCH(CH3)2 OCH2CH(OH)CH2NHCH(CH3)2 Abb.

7 Phenyloxypropanolamine, durch Acylamino-, Amido- oder Ureidogruppe substituiert

18

Diese Strukturelemente sollten sich später als sehr erfolgreich erweisen. Der harnstoffähnliche Substituent -Ureido- findet sich heute in einigen bedeutenden marktüblichen Wirkstoffen wieder.

a} Ersatz des Äcylaminorestes durch einen Carbamoyl (Amido)-Substltuenten Sctacher und Mitarbeiter [43] erkannten, dass der Carbamoylsubstituent kardioselektive Wirkungen aufweist. Smith [18] variierte diese Leitstruktur später.

CONHRc,

OCH2CH(OH)CH2NHR1

Abb. 8 Phenyloxypropanolamin mit dem charakteristischen para-Carbamoyl- Substituenten und einer zusätzlichen Modifizierung R2 in ortho-Stellung RT:i-Pr, f-Bu, C(CH3)2CH2OH u.a.; R2: H, n-C3H7, Cl, Br, COCH3, OCH3 CH2CH=CH R3: Alkylkette von C2

bis C6

Bei der Erschließung der Struktur-Wirkungsbeziehungen dieser Verbindungsreihe durch Smith wurde auch die durch Davies [44] an ß-blockierenden Substanzen bereits angewandten QSAR-Näherungen mit einbezogen und strukturbeschreibende Parameter verwendet.

Tabelle 1 Einfluss der Substituenten der Carbamoyl (Amido)-Reihe auf die Wirksamkeit und Vergleich Variation Wirksamkeit und andere Effekte Vergleich mit Verbindungen

der Äcylaminoreihe Aminosubstitution RI i-Pr und t-Bu optimal; dabei ist t-

Bu etwas besser als i-Pr

i-Pr ähnlich t-Bu Ortho-Substituent R2 erhöhen alle ausnahmslos die

Wirkung, besonders elektronen- ziehende Substituenten sterische Freiheit

stärkere elektronische Effekte

RS, RI,R2 mit der Lipophilie erhöht sich die Wirksamkeit

ähnlich

Der Ersatz der Acylaminogruppe (-NHCO-) durch die Carbamoylgruppe (-CONH-) führt zu einem Wirksamkeitsverlust, weil die Fähigkeit des NH-Restes, Wasserstoffbrücken zu bilden, schwächer ausgeprägt ist.

b) Ersatz des Äcylaminorestes durch einen Ureldosufostltuenten

In verschiedenen Smith-Patenten [19] wurden Verbindungen dieser Gruppe beschrieben und übereinstimmend festgestellt, dass sie hinsichtlich des Wirkungsprofils Practolol sehr ähneln.

19

OCH₂CH(OH)CH₂NHR₁ Abb.9 Substitution an Ureidophenoxy-3-amino-2-propanolen

Bei der näheren Untersuchung der Struktur-Wirkungsbeziehungen dieser Reihe fand Smith [19] folgende Zusammenhänge:

Tabelle 2 Einfluss der Substituenten der Ureidoserie auf die Wirksamkeit [19]

Variation Wirksamkeit und andere Effekte

Aminosubstituent R-i (i-Pr, t-Bu, CH(CH2OH)(CH3)2

Optimal, analog den Verbindungen der Acylamino- und Carbamoylreihe ortho-Substituent R2

(R2: H, Br ,CI , Me, COMe, CH2CH=CH2...)

Wirksamkeitssteigerung generell, im Unterschied zu Tabelle 1 vor allem bei lipophilen R2 und kaum elektronische Effekte keine sterischen

Einschränkungen para-Ureidosubstituent R₃

(R3: Alkylkette C2 bis C6 )

Wirksamkeit erhöht sich zunächst mit steigender Lipophilie, dann wieder Abfall Stellung der Ureidoseitenkette

am Ring

para-Stellung führt zu einer höheren Selektivität

Die Wirksamkeit scheint mit der Lipophilie zu wachsen. Detaillierte, auf die einzelnen Substi- tuenten bezogene Aussagen zur Selektivität konnten noch nicht gemacht werden. Wie be- reits angedeutet, führte das Strukturelernent -Ureido- später zu ßrselektiven Wirkstoffen, und zwar Celiprolol und Taiinolol.

c) CH₂-Einschub zwischen Ring und Parasubstituenten

Mit dem Einbau einer Methylenbrücke zwischen dem aromatischen Ring und dem para-Ami- dosubstituenten entwickelte Hüll und LeCount einen neuen Wirkstoff Atenolol, „Tenormin"

[20], [38], Es spielt heute bei der Therapie kardiovaskulärer Erkrankungen eine Hauptrolle.

NH2

OCN

OCH2CH(OH)CH2NHCH(CH3)2 Abb.

10 Atenolol

Durch die sehr erfolgreiche Einführung des Atenolols aus der Carbamoylserie in die klinische Anwendung inspiriert, suchte Smith [20] mit einem analogen Einschub einer CHa-Gruppe

20

NHCONHR,

zwischen den Acylamino- bzw. Ureido-Rest und den aromatischen Ring nach einem gleich- wertigen bzw. noch besseren Wirkstoff.

OCH2CH(OH)CH2NHR1 OCH2CH(OH)CH2NHR1

Abb.11 Einbau einer Methylen-Brücke zwischen Ring und Acylarnino- bzw. Ureido-Rest Tabelle 3 Einfluss der Substituenten der Acylaminomethyl- und Ureidomethylserie

Variation Wirksamkeit und andere Effekte

Aminosubstituent RI

(i-Pr, t-Bu u.a.)

t-Bu und i-Pr am optimalsten i- Pr wahrscheinlich selektiver ortho-Substituent R2

(R2: H, Br ,CI , Me, CoMe, CH2CH=CH2...)

Wirksamkeitssteigerung generell, vor allem bei lipophilen Substituenten und unabhängig von ihrer Größe Selektivität ist aber geringer

Substituent R3 an der para-Seitenkette (R3: Alkylkette C2 bis C6 )

größer werdende Alkylgruppen reduzieren die Wirksamkeit

Stellung des Acylaminomethyl- bzw.

Ureidomethyisubstituenten am Ring

para-Stellung führt zu einer höheren Selektivität

Ein größer werdender R3-Substituent am para-Substituenten verringert jedoch die Wirksam- keit. Daraus lässt sich vermuten , dass sich die Bindungsstelle am ß-Rezeptor nur bedingt einem großen para-Substituenten anzupassen vermag [20]. Eine Methylgruppe für R3 erwies sich am optimalsten. Hinsichtlich des pharmakologischen Gesamtprofils erwies sich keine Verbindung dieser Serie dem Atenolol vergleichbar.

d) Weitere relevante, fipophilere para-Substituenten

Den beiden bereits erfolgreichen, aber nichtselektiven Wirkstoffen Oxprenolol und Alprenolol, siehe Abb.5, fehlt der Stickstoff im Orthosubstituenten. Diese Verbindungen wurden weiter strukturell abgewandelt.

,OCH3

CH2CH(OH)CH2NHCH(CH3)2 UM2CH(OH)CH2NHCH(CH3)2 CH2CH(OH)CH2NHCH(CH3);

Abb. 12 Von Oxprenolol und Alprenolol abgeleitetes Metoprolol

Hierbei ging man von den para-substituierten Analogen des Ox- bzw. Alprenolols [45], [46]

21

CH,NHCONHR, CH2NHCOR3

H,C H,C

aus und fand als kardioselektive Verbindung Metoprolol, ein weiterer Meilenstein in der Ent- wicklung von Betarezeptoren-Antagonisten.

4.4.2. Modifikationen in der Aryloxypropanoiaminseitenkette

Obwohl schon Barrett in [13] als optimalen Aminogruppensubstituenten einen Isopropylrest fanden, beschäftigten sich später Hoefle [47] und Smith in [21] noch eingehender mit dieser Substitutionsstelle. Prinzipiell ist ein Ersatz des Isopropyl- bzw. des Tertiärbutylrestes an der Aminogruppe beispielsweise durch einen Aryloxyalkyl- oder Alkoxyalkylteil möglich, was zum Tolamolol führte, Abb. 13 Verbindung l, R= o-Me, R.,= p-CONH2 [21].

R

Abb. 13 Modifikationen in der Aminoseitenkette Der Einbau eines para-Substituenten R an das aromatische

Grundgerüst und die gleichzeitige Substitution an der Aminogruppe führen nach [21] zu unwirksamen oder unselektiven Verbindungen. Ortho-Substituenten R verringern die Wirksamkeit, die Selektivität bleibt er-erhalten.

Hinsichtlich des RrSubstituenten sind lipophile Molekülteiie, also Alkylketten, in der Alkoxy- reihe von Vorteil. Für die Aryloxyalkylserie ergaben hydrophile R-i-ortho- Substituenten wirk- same und selektive Verbindungen [21].

Rzeszotarski [41] ersetzte die „klassische" Isopropyl- bzw. Tertiärbutylgruppierung an der Aminogruppe neben den genannten Möglichkeiten u.a. durch ein Aralkylrest. Beim Vergleich mit Practolol stellte er insgesamt fest, dass sich bei einer gleichzeitigen Aminogruppen- und para-Substitution die Affinität zum ßr bzw. ß2-Rezeptor nicht verschlechtert und demzufolge die Kardioselektivität sich nicht deutlich verändert. Beide Substituenteneffekte sind aber auch nicht additiv [41]. Offenbar konkuriert der para-Substituent mit den sperrigen Molekülteilen der Aminoseitenkette um die optimale Bindungsstelle am Rezeptor [42].

Large und Smith [48] schoben zwischen die Aryloxypropanolseitenkette und den aromati- schen Rest eine Säuregruppierung -CO-NH- mit ein und gelangten so zu kardioselektiven Verbindungen.

Der Ersatz von Molekülteilen in der Seitenkette hat sich insgesamt aber wenig durchsetzen können. Eine Ausnahme u. a. ist die Substitution von Ethyl-3-(4-hydroxyphenyl)urea an der Aminogruppe [49], die zu einem ßrselektiven Betablocker führte.

22

OCH2CH(OH)CH2NH(CH2)xO-4 \^ OCH2CH(OH)CH2NH(CH2)xOR1

4.4.3. Heterocyclen

In den ersten Jahren hat man überwiegend versucht, den Arylrest durch heterozyklische Systeme unter Beibehaltung einer Isopropylamino- oderTertiärbutylaminogruppe zu ersetzen [50], [51], [52]. So führte der Einbau von Indol- oder Thiadiazostrukturen zu Pindolol und Timolol, siehe Abb. 14. Beide werden erfolgreich in der Therapie angewendet Weiter fand man Carazolol und Bufuralol. Die Wirksamkeit dieser vier Verbindungen ist sehr gut und auch die intrinsische sympathomimetische Aktivität gar nicht vorhanden oder vertretbar, je- doch erwiesen sich alle vier Wirkstoffe als nicht kardioselektiv.

Large und Smith [52] haben sowohl den aromatischen Kern als auch die Seitenkette der Aryloxypropanolamine mit dem Einbau von Benzodioxan-, Thiophen-, Furanresten und oben- genannter Molekülstrukturen gezielt variiert. Beide Substitutionsorte können prinzipiell zu ßi- selektiven Verbindungen führen, ein gleichzeitiger Ersatz sowohl des Kerns als auch der Sei- tenkette führte aber wieder zu unwirksamen und unselektiven Verbindungen.

OCH2CH(OH)CH2NHCH(CH3)2

OCH2CH(OH)CH2NHCH(CH3)2

Abb. 14 Vertreter heterozyklischer Betablocker (Pindolol l, Timolol II und Carazolol III) Chinolinartige Bausteine wurden in [53] berücksichtigt. Diese Strukturen bzw. allgemein he- terozyklische Systeme verhalten sich zu den Ary(Strukturen oft bioisoster und erweitern damit die Möglichkeiten des Wirkstoffdesigns prinzipiell [4].

4.4.4. Wichtige Strukturmerkmale - Eine Zusammenfassung -

1. ß-Adrenozeptorenblocker sind, von wenigen Ausnahmen abgesehen, Derivate der Aryl oxypropanolamine oder Arylethanolamine. Die reaktiven Zentren oder Pharmakophorbe- standteile dieser Verbindungen sind die Aminogruppe, die ß-Hydroxylgruppe und der aroma tische oder bioisostere, heterozyklische Rest [30], [39], [53].

2. Für das Design ßrselektiver Betablocker auf der Basis der Aryloxypropanolstruktur kön nen generell Modifikationen an der Aminogruppe oder in der para-Position zum Ziel führen.

3. Als kardioselektive para-Substituenten erwiesen sich hydrophile Acylamino-, Amido- oder Ureidogruppen unter anderem mit eingeschobener Methylenbrücke.

23

\

OCH2CH(OH)CH2NHC(CH3)3

Aber auch hydrophobere Moiekülreste, denen das Heteroatom Stickstoff fehlt, sind in para- Stellung relevant.

4. Zusätzliche ortho-Substituenten in diesen Verbindungsreihen können die Wirksamkeit und ßrSelektivität weiter verbessern.

Die durch Smith gewonnenen Details bezüglich der Möglichkeiten der Moleküloptimierung am ortho-Substituenten und an der Aminogruppe werden nochmals in den folgenden QSAR- Untersuchungen behandelt und Erkenntnisse verglichen.

Neben den teilweise zufälligen Entdeckungen, die man bei der Untersuchung der einzelnen Verbindungsserien machte, ging es insgesamt es darum, allgemeine Charakteristika für wirk- same und selektive Substituenten zu finden. Erste lipophile und elektronische Effekte wurden daher aufgenommen. Andere physikochemische Parameter zur Beschreibung von Struktur- variationen gewannen zunehmend an Bedeutung, sodass QSAR-Methoden eine weltweite Verbreitung zur Optimierung von Wirkstoffkandidaten fanden.

4.5. QSAR von ß-Adrenozeptorantagonisten 4.5.1. Aryloxypropanolamine

QSAR- Untersuchungen von Davies [44]

Die bereits erwähnten practololähnlichen Verbindungen der para-aylamino-Serie wurden durch Davies [44] hinsichtlich ihrer quantitativen Struktur-Wirkungsbeziehungen unterzogen, wobei er als Molekülvariation für R^= i-Pr, t-Bu, für R3 verschiedene n-Alkyle, und für R2 we- sentlich umfangreichere Veränderungen, analog Abb. 8 für die Carbamoylreihe, vornahm.

NHCOR3

R2-

)CH2CH(OH)CH2NHR1 Abb. 15 Substitution an Acylaminophenoxy-3-amino-2- propanoien

Dabei fand er heraus, dass die ß-blockierende Wirkung A von lipophilen, sterischen und elektronischen Faktoren abhängt.

log A= 2,20 (±0,11) - 0,81 (±0,15)ir + 0,13 (±0,06)Ti² -1,17(±0,22)5Ri0„, - (1-0^)10,64(10,23) orm + Q,22(±0,09EJ - 0,26(±0,11) öRi * 0,33 5R3

n = 25, r = 0,960, s = 0,19 (12)

-Der Aktivitätsparameter ist hier A = ED50 x 100/MW. Er ist proportional der Dosis des Wirk- stoffkandidaten, welche eine 50%ige Aufhebung der Tachykardie bei Katzen hervorruft. - TT

bezieht sich auf die LipophiSie des Practolols. Es besteht ein nichtlinearer Zusammenhang.

Die Lipophilie, im Wesentlichen durch R1 und R3 variierbar, während der R2-Substitu- 24

ent polarer Natur ist, durchschreitet im Unterschied zu Tabelle 1 ein Optimum.

- Ein zweiter Modifikationsfaktor sind die elektronischen Effekte des ortho-Substituenten.

am beschreibt diese elektronenziehende Wirkung des ortho-Substituenten R2 auf den para- Substituenten, die zueinander in meta-Stellung stehen. Durch den Elektronenentzug (am

positiv) tendiert der Stickstoff des Acylaminosubstituenten zur Protonenabgabe und zur Ausbildung einer Wasserstoffbrücke mit dem Rezeptor. Die ß-blockierende Wirkung erhöht sich in Übereinstimmung mit Smith [18].

- Es ist der sterische Taftparameter beschreibt den Einfluss der Größe des Substituenten R2

auf die ß-blockierende Wirkung. Für die ortho-Position erwiesen sich große, elektronenzie hende Halogene wie lod, siehe Tabelle 4, von Vorteil.

In der Gleichung Nr.12 sind 5R., und ÖR3 indikatorvariablen. 5R-, hat den Wert Null für R-i= i- Pr und eins für R-,= t-Bu. 5R3ist Null für R3=Me/Et und 1 für R3>Et. Hinsichtlich der Länge des para-Substituenten R3 beobachtet man beim Übergang von R3=Ethyl zu R3 =Propyl ein Abfall der Wirksamkeit.

Tab. 4 Einfluss des para-Substituenten R2 auf die ß-blockierende Wirkung mit R-i =i-Bu, R3=C2H5

para-Acylaminoserie Substituent R2 LogED50/MWx100

CF3 0,62

NHCOC2H5 l 0,07

N02 0,23

^ Br 0,53

SCH3 0,90

t? C2H5 0,92

OCH3 1,12

OCH2CHCH2NHC(CH3)3 CH3 1,02

| CN 1,17

OH ^{C^g} 0,75

H 1,45

COOCH3 1,33

COCH₃ 0,99

Die Gleichung 12 ist ein typisches für ein Hybridmodell nach Hansch und Free-Wilson.

Ähnliche Näherungen erhielt Davies für die Para-amido- und Para-ureido-Reihe.

QSAR-Untersuchungen von Borea [54]

Unabhängig von Davies untersuchte Borea die Ureido-Serie zunächst mit dem Free-Wilson- Ansatz, siehe Abb.9.

Bei der Analyse der individuellen Gruppenbeiträge in Bezug auf die die LFER-Parameter ^TT, a, MR und Es fand man heraus, dass die Substituentenbeiträge der ortho-Position R2 mit TT

und o gut korrelieren. Die Beiträge der para-Position R3 stehen mit ^TT und MR in Zusammen- hang, wogegen die Beträge für R^, siehe Ausreißer für t-C4H9=0,38, sehr unterschiedlich zu interpretieren sind und mit keinem physikochemischen Parameter korrelieren. Bei der Aufstellung der Hanschgleichung war festzustellen, dass MR und TT nicht unabhängig voneinander sind und so konnte nur einer der beiden Parameter in der multiplen Regres- sionsgressionsanalyse berücksichtigt werden.

25

Tab. 5 Free-Wilson-Beiträge der Substitutionsorte R1; R2 und R3

Ri R2 R3

t-C4Hg _0,38 Br 0,68 n-C4H9 0,35 C(CH2OH)(CH3)2 -0,14 l 0,39 n-C3H7 0,18 i-C3H7 -0,23 Cl 0,23 n-C6H13 0,10 c-C3H5 -0,76 SCH3 0,11 CH3 0,03 CH(CH3)CH2OC6H5 -0,89 C2H5 0,10 CH2-CH=CH2 0,02

CH3 0,05 n-C8H17 -0,10

r <JHCONHR3 CH2-CH=CH2 0,00 C2H5 -0,14

, OC2H5 0,06 i-C3H7 -0,21

^ ^S COCH3 -0,21 H -0,27

I

H -0,26 s? OH -0,34

\ n-C₃H₇ -0,35 ÖCH2CH(OH)CH2NHR1

Für die Ureido-Serie erhielt man insgesamt folgende Näherung:

log 1/C = 0,58ZTr - 0,06(lTnf •«• 0,81a + 0,52 L, - 0,76 I2 • (n=56!, r=0,84, s= 0,27)

Die sympatholytische Wirkung ist wie bei Davies von hydrophoben, elektronischen und steri- schen Effekten der Substituenten abhängig. Für (lTr)max ergab sich ein Wert von 4,7.

Elektronenziehende Substituenten R₂ erhöhen die Wirksamkeit.

Die Dummy-Parameter h und I2 stehen für den Substituenten Fl, an der Aminogruppe, wobei li=1 für R-!= t-Bu und I₂=1 für R^= CHMeCH₂OPh ist. Nach Borea können durch die Einfüh- rung von Indikatovariablen Substituenteneinflüsse berücksichtigt werden, die sich keinem physikochemischen Parameter bisher zuordnen lassen.

• 0,94

QSÄR-Untersuchungen von Basil [31], [39]

Gegenstand seiner Untersuchungen waren Molekülvariationen an der para-Acylaminoserie.

Im Unterschied zu Davies, siehe Abb. 15, hatte Basil schon 1973 erkannt, dass eine Acetyl- gruppe in ortho-Position, bevorzugt die ß_rRezeptoren besetzt [40]. In seinen weiteren Stu- dien modifizierte er den ortho- und para-Substituenten weiter. Für seine QSAR-Untersuehun- gen wurde als biologische Aktivität erstmals ein Kardioselektivitätsparameter verwendet.

R'OC ÖCH2CH(OH)CH2NHCH(CH3)2

(13)

NHCOR

Abb. 16 para-Acylaminoserie, mit einer Carbonylgruppe im ortho-Substituenten

In Tabelle 5 sind die experimentell ermittelten Daten angeführt. Während der ortho-Substitu-

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