Rationale Entwicklung von Kinase Inhibitoren - Pharmazie forum 2019: Schloss Pichlarn - Herba Point
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Rationale Entwicklung von Kinase
Inhibitoren
Pharmazie forum 2019: Schloss Pichlarn
Aigen im Ennstal Januar 26, 2019
Inst. for Pharmaceutical Chemistry and
Buchmann Institute for Life Sciences
J. W. Goethe-University
Frankfurt, Germany
Protein Kinasen: Überblick
Tyrosin Kinasen
>500 human Kinasen
7 Hauptgruppen
Serin/Threonin Kinasen
ATP ADP
Tyr Thr Ser
Protein Kinasen: Signalübertragung Aktivierung von Kinasen
Protein Kinasen: Signalübertragung
ALK EGFR
Alectinib
Erlotinib
Brigatinib
Gefitinib
Ceritinib
Neratinib
Crizotinib
Osimertinib
Lorlatinib
Afatinib
Cabozantinib RTKs Dacomitinib
Dasatinib Lapatinib
Lenvatinib
Nintedanib
Pazopanib BRAF Vemurafenib
Ponatinib Dabrafenib
Regorafenib Encorafenib
Sorafenib MEK1/2
Binimetinib
Sunitinib
Cobimetinib
Vandetanib
Trametinib
JAKs
Abemaciclib
Palbociclib
Ribociclib
Baricitinib CDK4/6
Ruxolitinib
Tofacitinib
Protein Kinasen: Netzwerke
Radio CRISPR Modell
Netzwerk
Protein Kinasen: Historische Meilensteine
Everolimus 2012
Sirolimus Erste nicht
Temsirolimus onkologische
1999 Anwendung
Tofacitinib (RA)
mTOR/FKBP12
2018 Netarsudil
2019
Sirolimus 48 FDA
Glaukom
Acalabrutinib 2017 zugelassene
Afatinib 2013 Medikamente
Dacomitinib 2018 2013
Ibrutinib 2013 Erster kovalenter
Neratinib 2017 Inhibitor (Afatinib)
Müller et al Nat. Chem. Biol. 2015 Osimertinib 2015
2019: 48 zugelassene Wirkstoffe (FDA)
2018
Dacomitinib
SYK: Tumoren mit NTRK Fusionen FLT3 (ITD): AML ALK: Macrozyklus Baricitinib
Encorafenib
Fostamatinib
Gilteritinib
Larotrectinib
Lorlatinib
Netarsudil
Binimetinib
Zugelassene Wirkstoffe: Grundgerüste
29 Wirkstoffe sind auf nur 4 Grundgerüsten aufgebaut !
Afatinib
Dacomitinib
Erlotinib
Gefitinib
Beispiele für Quinazolin basierte Wirkstoffe
Lapatinib
Protein Kinasen: Derzeitige Forschung
Klinische Programme
Kinasen in Academia: ……Klinischer Erfolg führt zu neuen
> 500,000 Publikationen in PubMed* Programmen (#metoo)
> 10 000 Patente (US)* >50% der klinischen Studien sind 2/3
(*2010) Generation Inhibitoren
5 Drugs für NSCLC (ALK+)
Alectinib
Brigatinib
Ceritinib
Crizotinib
Lorlatinib
Fedorov et al: The (un)targeted Kinome, Nat. Chem. Bio. 2010
Target Validierung: „Chemical Probes“
Typisches Arzneimittel
Aktivität
IC50 < 50 nM, measured at Km(ATP)
Zelluläre Aktivität “on-target”
IC50/EC50 < 1 µM in target engagement
assay
Selektivität
Chemical Probe >50-100x
Nicht Isoformen (>90%)
Stabil und „drug like“
Neg. Kontrolle
Inaktivierte Verbindung durch minimale
chemische Modifikation
Alle Daten verfügbar auf:
http://www.chemicalprobes.org/ https://www.thesgc.org/chemical-probes85 neue Kinase Proteinstrukturen
85
AGC
DMPK, MRCKa, YANK1, PRKCL2
CAMK
AMPKa2, CaMK1d, CaMK1g, CaMK2a, CaMK2b, CaMK2d, CaMK2g, CaMK4,
DAPK3, DRAK2, MYLK4, PHKg2, PIM1, PIM2, RSK1~b
CK1
CK1g1, CK1g2, CK1g3, VRK1, VRK2, VRK3
CMGC
CDKL1, CDKL2, CLK1, CLK2, CLK3, DYRK1A, DYRK2, Erk3, p38b,
PCTAIRE1, SRPK2, ERK5, CDKL3, CDK12
OTHER
Aurora B, GAK, Haspin, MPSK1, NEK1, NEK2, PKMYT1, TTK, AAK, BIKE
STE
HGK, LOK, MAP2K6, MAP3K5, MST4, PAK4, PAK5, PAK6, SLK, TNIK, YSK1
TK
(currently 202 known Human ABL2, EphA3, EphA5, EphA7, EphA8, FES, FLT1, MER, PYK2, ROR2,
catalytic domain structures) TYK2(2), DDR
TKL
ActRIIA, ALK1, ALK2, BMPR1B, BMPR2, LIMK1Protein Kristallisation
„Auflösung“Proteinkinasen: Struktureigenschaften
Cartoon view Schematic
Upper lobe
Hinge
PPP
ATP P
lower lobe
Kinase Inhibitoren
ATP kompetitiv, aktive Kinase : Typ-I
ATP kompetitiv, DFG-out : Typ-II
Allosterisch : Typ-IIIABL-Inhibitor Komplexe
Imatinib (Gleevec) Dasatinib
Nilotinib BosutinibProtein Kinasen: „Spines“
Aktive R „spine“ Inaktive R „spine“
Cl
N O
H
N
O N N CF3
H H
O
H. S. Meharena, et al, PLOS Biology, 11 (10), 1-11 (2013)Protein Kinasen: Überblick
Typ-I½ Typ-IIbInhibitor design
Strategien für die Entwicklung hochselektiver
Kinaseinhibitoren
Müller S, Chaikuad A, Gray NS, Knapp S. The ins and outs of selective kinase inhibitor development.
Nature Chem Bio. Nov 2015Kovalente Inhibitoren
ATP Mimetika
Elektrophil
Elektrophil
Mehr als 200 Kinasen haben ein Cystein in der Nähe der ATP Bindetasche
ATP Mimetika
Acalabrutinib 2017
Afatinib 2013
Dacomitinib 2018
Ibrutinib 2013
Neratinib 2017
Angew Chem Int Ed Engl. 2018 Apr 9;57(16):4372-4385 Osimertinib 2015Kovalente Inhibitoren: JAK3
JAK3 und die Entstehung von Krankheiten
Familien von 4 Kinasen (JAK1-3 und TYK)
JAK3 wird nur im Hämatopoetischen System exprimiert
Verlust von JAK3 führt zu Defekten in der Entstehung von
T und NK Zellen (SCID Mäuse)
Aktivierung von JAK3 wird in T-ALL beobachtet (A572V)
Potentielle Anwendungen von JAK3 Inhibitoren
Autoimmunkrankheiten und Entzündungen
Krebstherapie
IC50
JAK1: 1.0 nM
JAK2: 3.0 nM
JAK3: 0.5 nM
TYK2: 11.0 nM pan JAK
Tofacitinib
JAK3 agiert immer mit einer anderen JAK Kinase
Ist die spezifische Hemmung von JAK3 ausreichend um STAT Signale zu
unterdrücken?Kovalente Inhibitoren: JAK3
Tofacitinib/JAK3
Active Inactive
(syn) (anti)
Tofacitinib:
Hochoptimiert (700 Verbindungen in Patenten)
Keine Modifikationen im „hinge“ MotivKovalente Inhibitoren: JAK3
Elektrophil Dekoration
/ Ausfüllen
Linker der Tasche
„Hinge“
Motiv
Tofacitinib in JAK3
Mit S. Laufer/TübingenKovalente Inhibitoren: JAK3
260 Analogues synthetisiert
Kovalente Bindung an Cys909 in
JAK3
Bestes Elektrophil cyano-acrylamides
Inaktive Kontrolle
Cell Chem Biol. 2016 Nov 17;23(11):1335-1340
IC50 [nM]a JAK3 Selektivität
JAK1/ JAK2/ TYK2/
Compd. JAK1 JAK2 JAK3 TYK2
JAK3 JAK3 JAK3
Tofacitinib 0.496 2.2 0.292 8.9 2 7 30
FM-381 52 346 0.127 459 410 2724 3614
aIC
50 values were calculated from the results of a radiometric assay. Data were obtained as 5-dose singlicate IC50
with 10-fold serial dilution starting at 1 µM. [ATP] = 10 µMKovalente Inhibitoren: JAK3
Reversibler Bindemodus
Typische Interaktion mit der
„hinge“
Wasserstoffbrücken an 2
Wassermoleküle
Neg. polarisiertes Nitril
interagiert mit 2 Argininen
Cell Chem Biol. 2016 Nov 17;23(11):1335-1340Kovalente Inhibitoren: JAK3
Kovalenter Bindemodus:
Fast gleiche Orientierung
Kovalente Bindung mit
Cys909 und βC des Acryl
Amides
Unerwartete Nitril-Arginin
Interaktion beobachtet!FM-381: Kinome weite Selektivität
% Inhibition
(ProQinase Aktivitätsassay, 410 Kinasen)
> 90%
90 > % >50 800-fach selektiv
80 > % >50
JAK3
JAK3
BLK
PKCbeta2
RPSK6
100 nM S: 0.002 500 nM S: 0.0029Kovalente Inhibitoren: JAK3
Probe
Zelluläre Selektivität
FM-409
IL-2: JAK3/JAK1 IL-6: JAK2/JAK1/TYK2
ns IL-2 (50 ng/ml) ns IL-6 (50 ng/ml)
[nM] 0 0 10 50 100 300 JAKi [nM] 0 0 50 100 300 1000 JAKi
pSTAT5 pSTAT3
Tofacitinib
Actin Actin
pSTAT5 pSTAT3
FM-409
Actin Actin
pSTAT5 pSTAT3
FM-381
Actin Actin
Cell Chem Biol. 2016 Nov 17;23(11):1335-1340Protein Kinasen: Typ-I
Typ-I: Anpassung an die ATP Bindetasche:
(Shape Complementarity)Protein Kinasen: Komplementarität
Typischer Kinaseinhibitor
Pyrimido-Diazepin
Mit Nathanael Gray (Harvard)Nanozyklische Verbindungen
Spezifizität
Konformations-
KontrolleNanozyklische Verbindungen
Haspin Kinase
CLK2/3 Kinase
Non-selectiveNanozyklische Verbindungen
Ausgezeichnete Zelluläre Aktivität
DG = DH - TDSNanozyklische Verbindungen
Entwicklung von Lorlatinib SAR
12-Ring Laktam
12-14 - MakrozyklenProtein Kinasen: Type-III-IV Type III/IV Allosterische Inhibitoren
Protein Kinasen: Typ-III-IV
Beispiele: Typ-III/IV
DFG-out/C out
Akt 3o9b), Cdk2
(3pxf), p38 (1kv2)
AKT
Cα Cα
PIF/HM Bindetasche hinge
Allosteric backpocket DFG-in
PDK1 (3hrf) MEK1 (1s9j)
Zwischen PHD und A-loop
Kinasedomäne
A-loop
Dα
Myr-Bindetasche JIP/DEF Bindetasche Substrate
ABL (3z4t) JNK1 ( 3s8t), ERK2 (3o7i) Bindetasche
CHK1 (3f9n)
Große Anzahl von zusätzlichen Bindetaschen
Oft zufällig „entdeckt“ in KristallstrukturenProtein Kinasen: Typ-III-IV
Protein Kinasen: Typ-III-IV
αC helix
Kinase hinge:
15 Fragmente P-loop Allosteric site:
1 fragment bound
hinge
Fragment Soaking
G o o d d iffr a c tio n DFG
P o o r re s o lu tio n
N o d iffr a c tio n
U n m o u n ta b le
3-4 hours soak
T o ta l= 1 6 0 CAMK1D
Fiona Sorelle (unpublished)Typ-III Inhibitoren: Beispiel LIMK1/2
LIM Kinase Familie: LIM Kinase Signalweg
Potentielle Anwendungen
• Krebs (Metastasen)
• Neurofibromatose type 2
• Kardiovaskuläre Krankheiten
• Glaukom
• Fragile X ChromosomTyp-III Inhibitoren: Beispiel LIMK1/2
TH257 aC “out”
ATP-PNP
aC out
Tasche
P-loop
DFG-out
DFG-out ATP Tasche
Tasche
ATP Bindetasche
Etwa 80 Inhibitoren synthetisiertTyp-III Inhibitoren: Beispiel LIMK1/2
ITC (LIMK1)
TH257: 64 nM
TH257 DH: -16 kcal/mol TH263
Inaktive Kontrol
KD values (Dx) Kinase hits in Dx
TH257: 120 nM (LIMK1) screen > 50%
TH257: 64 nM (LIMK2)
Inhibition bei 1 μM
IC50 (RapidFire)
TH257: 84 nM LIMK1 TH263: 87 μM
TH257: 39 nM LIMK2 TH263: 66 μM
EC50 (BRET)
LIMK1: 350 nM LIMK2: 220 nM
Aktiv in Zellmigrationsassays
Maus und Drosophila Modellen des „fragilen
90-100% at 1 uM
X-Chromosoms“
HitsProtein Kinasen: Typ-III zu Typ-II
aC out
Hinge Tasche
TH259
DFG-out ATP site
LIMKi3 (BMS-5)
Tasche
AllostericProtein Kinasen: Typ-III zu Typ-II
LIMK1 LIMK2
DFG-out
dTM [°C] 17.8 20.6
Tasche
IC50 (NanoBRETTM) 1.8 nM 4.4 nM
TH257 (NanoBRET) 350 nM 220 nM
~200 50 fold
P-loop
Tasche K360
aC
P-loop
TH470
DFG
Type II inhibitors
HingeEigenschaften Allosterischer Inhibitoren
PH Domäne inhibiert AKT
kinase
Bindung von PtdIns
(3,4,5)P3 aktiviert
Rekrutierung an die
Plasmamembran
Phosphorylierung von
Thr308 und Ser473
MK2206 (allosterisch) GSK690693 (Typ-I)
Phase-II Vivanco et al. eLife 2014;3:e03751Eigenschaften Allosterischer Inhibitoren
Allosterisch Typ-I
Aktivierende Phosphorylierung
durch Typ-I Inhibitoren !!
Allosterisch Typ-I
Allosterische Inhibitoren hemmen katalytische Aktivität UND Gerüstfunktionen
Vivanco et al. eLife 2014;3:e03751Eigenschaften Allosterischer Inhibitoren
Herceptin
Lapatinib
Ras (Rat sarcoma)
Proto-Onkogen
Vemurafenib
15 weeks
Trametinib Relaps (22. Woche)
RAF Inhibitor Resistenz
RAS-GTP ↑
RAS Mutationen
BRAF splicing
BRAF Mutanten
MEK Mutanten
Aktivierung anderer Signalwege
(PI3K/AKT)Allosterischer Effekte von Typ-I Inhibitoren
„Receiver“
Aktivierenden Kinase
(aktivierte Kinase)
BRAF dimer Neue Generation
vemurafenib
von BRAF
Inhibitoren die
Dimere
Eine Bindetasche dissoziieren
ist nicht besetzt
RAF Kinasen werden durch Dimerisierung aktiviert ( B/CRAF)
BRAF Mutationen in Krebs sind als Monomer aktiv
Dimere werden durch Vemurafenib nicht gehemmt sondern aktiviert!
Entstehung von sekundär Tumoren durch MAPK Signalwegaktivierung im wild
Typ GewebeQuo vadis?
Selektivere Inhibitoren
Kombinationstherapie allosterische/Typ-I oder Typ-II
(Beispiel ABL1 mit Gleevec)
Anwendungen außerhalb der Onkologie
Innovative Chemie
Macrozyklen
kovalente Verbindungen
allosterische Verbindungen
PROTACs (substoichiometrisch)ACKNOWLEDGEMENTS
Collaborators
SGC Kinase Program
Epigenetics Nathanael Gray Stefan Laufer
Susanne Muller-Knapp Zhao Z
Marek Wanior Matthias Gehringer
Benedict-Tilman Berger Jelena Bozilovic Wu H Ellen Pfaffenrot
Chemistry David Heidenreich Wang L Michael Forster
Thomas Hanke Xiaomin Ni Liu Y Silke Bauer
Sandra Röhm Tim Weiser Kamran Ghoreschi
Oxford
Christian Kurz Andreas Joerger Julia Holstein
Nadin Russ Alex Bullock
Romain Lucas
Ralf Braden Promega
UNC Matt Roberts
Biochemistry/PX Funding: Tim Wilson Kristin Huwiler
Bill Zucherer
Apirat Chaikuad DKFZ SGC
David Drewy
Sebastian Mathea CEF Aled Edwards
et al
Martin Schröder Krebshilfe Chas Bountra
Deep Chatterjee MJFF Cheryl Arrowsmith
Brazil
Andreas Krämer DFG Tim Wilson
Jon Elkins
FUNDING PARTNERS
Canadian Institutes for Health Research, Canadian Foundation for Innovation, Genome Canada through the Ontario
Genomics Institute, GlaxoSmithKline, Knut and Alice Wallenberg Foundation, Merck & Co., Inc., Novartis Research
Foundation, Ontario Innovation Trust, Ontario Ministry for Research and Innovation, Swedish Agency for Innovation
Systems, Swedish Foundation for Strategic Research, and Wellcome Trust. www.thesgc.orgSie können auch lesen
