Target Identification and Animal Models

1. Target Identification and Animal Models Das menschliche Genom könnte nach optimistischen Schätzungen 5000 bis 10000 neue drug targets enthalten. Alle jemals eingesetzten Medikamente zielten auf etwa 500 targets auf molekularer Ebene ab. Aktuell kommen auf alle Medikamente am Markt nur 120 targets. Die 100 meist verkauften Medikamente zielen gar nur auf 43 Proteine ab. Gibt es also nur wenige sog. valid targets ? Gibt es zu wenig Information über sog.drugable targets ? Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

2. Pharmaka nach Funktion Losec (omeprazole) ion channel ATPase inhibitor Viagra (sildenafil) enzyme PDE inhibitor Zocor (simvastatin) enzyme HMG-CoA inhibitor Lipitor (atorvastatin) enzyme HMG-CoA inhibitor Norvasc (amlodipine) ion channel Claritin (laratadine) GPCR Celebrex (celecoxib) enzyme COX-2-inhibitor Prozac (fluoxetine) GPCR 5-HT transporter Auswahl der meistenverkauften der letzten Jahre Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

3. Innovation vs. „me too“ Neue chemische Verbindungen (new molecular entities)und neuartige targets COX2 Arthritis celecoxib PDE5 Erectile dysfunction sildenafil BCR-ABL Leukämie imantinib Die meisten NMEs zielen auf bereits bekannte targets ab.Aber: müßen besser als bestehende Verbindungen sein, um zugelassen zu werden. Lit: B.P.Zambrowicz & A.T.Sands Nature Rev.Drug Disc.2 (2003) 38 Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

4. Typische Targets im Genom Anteil am menschlichen Genom und Pharmaka am Markt Bisher etwa 500 Enzyme als targets benutzt. Möglicherweise 10.000 potentielle targets im Genom Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

5. Typische Targets Aufteilung der auf dem Markt befindlichen Pharmaka bezüglich ihrer biochemischen targets Quelle: Hopkins & Groom, Nat.Rev.Drug.Disc.1 (2002) 727 Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

6. Targets nach Funktion Enzyme: Kinasen, Proteasen G-Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCR) Ionen-Kanäle: Kaliumkanal (hERG), Ca-Kanal Nukleare Rezeptoren, DNA Sonstige Rezeptoren Transporter Literatur zu GPCR und Signal Netzwerken M.J. Marinissen & J.S. Gutkind Trends in Pharmacological Sciences22 (2001) 368. Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

7. GPCRs und andere Targets Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

8. Rhodopsin (I) cytoplasmic side extracellular side Lit: D.C. Teller et al. Biochemistry40 (2001) 77611HZX.pdb Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

9. Rhodopsin (II) G-protein Bindungsstellen Bindungsstelle des Liganden 1HZX.pdb Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

10. G-protein coupled receptors G-protein gekoppelte Rezeptoren bilden eine große Superfamilie von Enzymen die an der Zelloberfläche lokalisiert sind. Sie leiten eine Reihe von Signalen in die Zelle weiter, z.B. hormonelle, visuelle und neuronelle. Zur Zeit gruppiert man menschliche GPCRs in 3 große Familien: family A: rhodopsin-like or adrenergic-receptor-like family B: glucagon-receptor-like or secretin-receptor-like family C: metabotopic-glutamate-receptor-like Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

11. Orphan GPCRs Bezeichnung für G-protein gekoppelte Rezeptoren die man im Genom identifiziert hat, deren Liganden man aber (noch) nicht kennt. Die Bestrebungen entsprechende Liganden zu finden, z.B. mittels Screening werden als deorphanizing bezeichnet. Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

12. Validierung von targets Wann ist ein auf genetischer Ebene identifiziertes target tatsächlich auch brauchbar ? Exprimierierung Disease model Animal model Es muß geklärt werden ob sich das target als therapeutic target eignet und so ein valid target ist. defined physiological and clinical endpoints An dieser Stelle setzen dann Proteomics, Metabolomics und Pharmacogenetics / genomics an. Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

13. Informationsfluß in einerdrug discovery pipeline Bioinformatik Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

14. Auf dem Weg zum target (I) Für den Fall einer bekannten Krankheit ist die Identifizierung eines geeigneten targets ein konvergenter Prozeß Lit: M.A.Lindsay Nature Rev.Drug Disc.2 (2003) 831 Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

15. Auf dem Weg zum target (II) RNA target protein DNA Modifikationen Exprimierung Verwendete Techniken zur Identifizierung von targets Lit: M.A.Lindsay Nature Rev.Drug Disc.2 (2003) 831 Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

16. Auf dem Weg zum target (III) Forward genetics: Screening von Verbindungen gegen Variationen des Phänotyps und Mutationen Lit: M.A.Lindsay Nature Rev.Drug Disc.2 (2003) 831 Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

17. Auf dem Weg zum target (IV) orthologues genes Identified gene Animal model Reverse genetics: Veränderung des Genotyps durch selektive Mutationen Lit: M.A.Lindsay Nature Rev.Drug Disc.2 (2003) 831 Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

18. Auf dem Weg zum target (V) Der Bioinformatische Ansatz zu neuen targets im Idealfall (Analysten Scenario) In der Praxis stellt sich vor allem die Frage:„Nach welchen Genen muß man suchen ?“ Lit: A.T. Sands Nature Biotech.21 (2003) 31 Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

19. Nach was muß man also im Genom suchen? → Ähnlichkeiten mit bereits verwendeten targets Die Chance, innovative targets zu finden sollte die Suche nach den folgenden targets bieten, die bisher unter-repräsentiert sind: Kinasen und Proteasen Transmembranproteine (GPCRs, Ionenkänale, Transporter) DNA, RNA Bindungsstellen Nukleare Rezeptoren (für Hormone)(insb. orphan nuclear receptors,bisher nur wenige neue gefunden) Nach vorsichtigen Schätzungen sollten sich etwa 100-150 neue und „wertvolle“ targets (valid, drugable) finden lassen. Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

20. Target validation Wann ist ein target für therapeutische Zwecke tauglich, also valid ? • Wenn es in hinreichend kausalem Zusammenhang mit der Krankheit steht: • Als Enzym, GPCR, Ionenkanal, Rezeptor usw.Überprüfung durch screening mit Leitstrukturen ausfocused libraries • Als target auf DNA, RNA, mRNA Ebene selberÜberprüfung durch knockout Mutationen (siehe unten),single point Mutationen (SNPs, siehe unten),und gene silencing mittels durch RNA interference (RNAi)(siehe siRNA) Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

21. siRNA for target validation Kurze RNA-Stränge von 11 bis 28 Nucleotiden können an komplementäre mRNA binden und zur deren Degradation durch RNAsen führen. Diese RNA Interferenz (RNAi) dient in Eukaryoten zur Abwehr von viraler RNA.Daraus leitet sich auch deren Bezeichnung als small interfering RNA (siRNA) ab. Dieser Effekt kann sowohl zum Stillegen von mRNA genutzt werden (gene silencing) als auch zum Aufspüren potentieller targets auf mRNA Ebene. Der therapeutische Einsatz von siRNAs ist durch deren Stabilität (Applikationsform) und Selektivität (unspezifische Bindung) begrenzt. Lit: M.A. Lindsay Nature Rev. Drug Disc.2 (2003) 831. Y.Dorsett & T.Tuschl ibid3 (2004) 318. Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

22. target characterization Im gesammten (menschlichen) Genom treten Variationen auf. Statistisch gesehen 1 Basenpaar pro 1330 Basenpaare macht etwa 3 ∙106 Unterschiede zwischen zwei nicht verwandten Individuen. • Auch in den Genabschnitten die tatsächliche oder potentielle targets kodieren, kommen durchschnittlich mehr als 9 solcher Basenaustauschungen vor. • Daraus folgt: • Nicht jede Variation ist ein Defekt oder bedeutet eine Prädisposition (für eine Krankheit) • Die Auswahl potentieller targets wird nicht einfacher Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

23. Pharmacogenetics & Pharmacogenomics Die kausale Zuordnung eines klinischen Phänotyps (Allel bzw. Krankheitsbild) zu einer genetischen Ursache wird durch die Vielzahl der möglichen / vorhandenen Variationen des Genotyps erschwert. Als Polymorphismus bezeichnet man Allele die bei mindestens 1% der Population auftreten. D.h. diese Genotypen kommen regulär vor. Im Gegensatz dazu bezeichnet man Veränderungen des Genoms die seltener als 1% auftauchen nur als Mutationen. → Sequenzierung der (in Frage kommenden) Genabschnitte bei möglichst vielen Individuen. Lit: D.B. Goldstein et al. Nature Rev. Genetics4 (2003) 937. Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

24. Single Nucleotide Polymorphism SNPs sind Unterschiede einer einzelnen Base in der DNA die innerhalb einer Population auftauchen. Die Wahrscheinlichkeit durch Sequenzierung SNPs bestimmter Häufigkeit zu finden läßt sich wie folgt abschätzen: Anzahl SNP HäufigkeitIndividuen >1% >2% >5% >10% >20% 2 4% 8% 19% 34% 59% 5 10% 18% 40% 65% 89%10 18% 33% 64% 88% 99%20 33% 55% 87% 99% >99%40 55% 80% 98% >99% >99% Quelle: J.J. McCarthy „Turning SNPs into Useful Markers of Drug Response“ in Pharmacogenomics, J.Licinio & M.-L.Wong (Eds.), Wiley-VCH (2002) pp.35-55. Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

25. Multiple SNPs Noch schwieriger ist die kausale Zuordnung einer Reaktion auf ein Medikament, wenn verschiedene von einander unabhängige SNPs vorhanden sind. D.h. wenn keine schlüßige Hypothese vorhanden ist. Die Zahl der zu sequenzierenden Genabschnitte kann dadurch undurchführbar groß werden. Als Beispiele für sog. valid biomarkers hat die US FDA bisher nur den Polymorphismus von CYP2D6 (Cytochrome P450) und TPMT (Thiopurine S-methyl-transferase) herausgestellt. Beide Enzyme sind maßgeblich an der metabolischen Umsetzung vieler Medikamente beteiligt. Mehr zum Polymorphismus von CYP2D6 in Vorlesung 10 Lit. P.C.Sham et al. Am.J.Hum.Genet.66 (2000) 1616. R.Weinshilboum & L.Wang Nature Rev.Drug Discov.3 (2004) 739. Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

26. Sukzesible Gene Bisher hat man sukzesible Gene im Zusammenhang mit folgenden Krankheitsbildern identifiziert: Herztod Neurodegenerative Krankheiten (Demenz, Alzheimer,...) Epilepsie Schizophrenie Diabetes Arthritis Lungenkrankheiten (Cystische Fibrose) Übergewicht Lit. V.D.Schmith et al. Cell.Mol.Life Sci.60 (2003) 1636. Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

27. Gene Candidate Studies Prinzipielle Vorgehensweise bei potentiellen Gen-Kandidaten Auswahl des pharmazeutischen target Gens, entwederbekanntes target (Enzym, Transporter, pathogenes Gen,..)oder neu identifiziertes Gen aus DNA-Microarrays (auf mRNA Ebene), Proteomics (auf Proteinenebene), Bioinformatik Identifizierung von SNPs im ausgewählten Gen durchSNP-Mapping in größerem Maßstab, Bestimmung der Allel-Häufigkeit und ethnischen Verteilung, Analyse der Haplotypen Genotypisierung von SNPs in klinischen StudienIdentifizierung der Patientenpopulation, Statistische Analyse Lit. H.Z.Ring & D.L.Kroetz Pharmacogenomics3 (2002) 47-56.Besonders empfehlenswerter Review Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

28. Warum Tiermodelle ? • Zur in vivo Verifikation des Krankheitsmodelles • Zum in vivo screening Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

29. Modellorganismen Bevor man Mäuse und andere Säugetiere zum in vivo screening verwendet, werden andere Modellorganismen herangezogen die über entsprechende orthologe Gene verfügen. Größere Zahl an zum Menschen orthologer Gene Zunehmend komplexere Organismen Steigender Aufwand und Kosten bei Experimenten Literatur : R. Knippers Molekulare Genetik 8. AuflageS. 498-503 Modellorganismen, Knockout Technologie Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

30. Was leisten animal models ? Zur in vivo Überprüfung eines Krankheitsmodelles könnenTiermodelle hilfreich sein. 1. Vergleich des targets in Tier- und menschlichem Genom. 2. Erzeugung von knockout Mutanten / transgenen TierenDas Vorhandensein eines adäquaten Tiermodelles ist praktisch immer die Voraussetzung für die weitere Entwicklung zum Medikament. Literatur zu transgenen Mäusen: R. Knippers Molekulare Genetik 8. AuflageS. 522 Textbox Plus 18.2 Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

31. Warum mus musculus als Tiermodell ? (I) • Zu 99% aller Mausgene konnten homologe bzw. orthologe Gene im Menschen identifiziert werden. • Lit: Nature 420 (2002) Ausgabe 6915 vom 5.12.2002 Mouse Genome Sequencing Consortium ibid pp.520-562. Vergleich gemeinsamer Elemente in Mensch und Maus Chromosomen Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

32. Warum mus musculus als Tiermodell ? (II) • Damit sind von allen in Frage kommenden Modellorganismen Mäuse als Säugetiere am nächsten verwandt • Mäuse haben eine rasche Generationsfolge: • Mäuse sind mit 10 bis 12 Wochen geschlechtsreif. 22 bis 24 Tage nach der Paarung kommen 4 bis 8 Junge zur Welt, und das 5 bis 6 Mal im Jahr. Eine einzige Maus kann im Jahr gut 40 Junge haben.• Die verwendeten Zuchtlinien sind genetisch gesehen relativ homogen (hoher Grad an Inzucht) • • Bisher gelingt die Erzeugung homozygoter transgener Mäuse leichter als bei Ratten (Rattus norvegicus oder norwegicus) Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

33. KO-mouse models (I) Bedeutung von knockout Mausmodellen im pharmazeutischen Bereich: Medizinische Umsatz Anzahl Anzahl Kategorie (2001 in Mio.US$) targets Medikamente Immunologie 20 000 8 15Neurologie/Psychatrie 19 000 6 13Cardiology 13 000 6 13Gastroenterologie 12 000 2 6Metabolismus 11 000 6 10Onkologie 7 000 4 8Hematologie 7 000 2 3 Quelle: A.T.Sands Nature Biotech.21 (2003) 31 Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

34. KO-mouse models (II) Beispiele für den Einsatz von knockout Mausmodellenin erfolgreichen Medikamenten: Targets Medikament Maus Phänotyp zeigt: Protonenpumpe Lansoprazol neutraler Magen pHHistamine H1-Rezeptor Famotidine Magensäure Sekretion unterdrückt ACE Enalapril niedriger BlutdruckAT1-Rezeptor Losartan dito COX2 Celecoxib verringerte EntzündungenCOX1 und COX2 Diclofenac weniger Schmerzen Lit: B.P.Zambrowicz & A.T.Sands Nature Rev.Drug Disc.2 (2003) 38 Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

35. Modellorganismen für Bluthochdruck Bei Mäusen ist Bluthochdruck praktisch nicht bekannt. Durch knock-in Mutationen übertrug man die Gene des Renin und Angiotensin Systems von Ratten auf Mäuse (vgl. Vorlesung 2) Lit: H.Ohkubo et al. Proc.Natl.Acad.Sci.USA87 (1990) 5153. Umgekehrt zeigen knockout Mäuse bei denen das ACE Gen fehlt, niedrigen Blutdruck. Lit: J.H.Krege et al. Nature375 (1995) 146. Da aber Ratten für funktionelle Studien besser geeignet sind, wurden auch transgene Ratten erzeugt, die das Ren-2 Gen erhielten und dadurch starke Symptome des Bluthochdrucks zeigten die wiederum mittels ACE-Inhibitoren und Angiotensin-II Antagonisten therapierbar waren. Lit: J.J.Mullins et al. Nature344 (1990) 541. Lit: Li-Na Wei Annu.Rev.Pharmacol.Toxicol.37 (1997) 119. Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

36. Modellorganismen für Krebs In der Krebsforschung spielen zwei Bereiche eine wesentliche Rolle: Der Mechanismus der Entstehung von Krebs und die therapeutische Effizienz der verschiedenen Medikamente. Dabei wurden eine ganze Reihe transgener Mausmodelle entwickelt, die eine erhöhte Sukzeptibilität für bestimmte Krebsarten zeigen. Generell scheinen bei Mäusen aber Tumore sowieso diehäufigste Todesursache zu sein, wenn man andere Faktorenbei der Haltung ausschließt. Auf die (ethische) Problematik der Patentierbarkeit transgener Tiere an sich (ohne Anwendungsbezug) sei an dieser Stelle nur hingewiesen. Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

37. Zebrafisch als Tiermodell (I) Zebrafische (Danio rerio) sind aufgrund ihrer Größe einfach zu handhaben. Im embryonalen und Larvenstadium sind sie zudem durchsichtig, was die Auswertung von in vivo Studien erleichtert. Damit ist HTS bezüglich der Auswirkungen auf den Phänotyp möglich. Lit: L.I.Zon & R.T.Peterson Nat. Rev. Drug Disc.4 (2005) 35. Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

38. Zebrafisch als Tiermodell (II) HTS in vivo screeningz.B. auf QT-prolongingdrugsZerg ist orthologes Genzu hERG Lit: L.I.Zon & R.T.PetersonNat. Rev. Drug Disc.4 (2005) 35. U.Langheinrich et al. Toxicol. Appl. Pharm.193 (2003) 370. Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

39. Zebrafisch als Tiermodell (III) Desweiteren gibt es eine Reihe von Standardwerkzeugen für genetische Manipulationen, z.B. Knock down mit morpholino oligonucleotiden (vgl. siRNA) Sowie die üblichen transgenen Verfahren Lit: A.Nasevicus & S.C.Ekker Nature Genetics26 (2000) 216. http://www.sanger.ac.uk/Projects/D_rerio/ Modern Methods in Drug Discovery WS05/06

40. Weitere Tiermodelle Höhere Säugetiere wie Maus, Ratte, Kaninchen, Hund, Schwein werden häufig auch zum Test auf metabolische und toxikologische Eigenschaften von Verbindungen eingesetzt. Insbesondere der Vergleich von Screening Ergebnissen der metabolischen Umsetzung von Wirkstoffen mit denen aus in E. coli exprimierten CYP P450 Enzymen ist interessant, um das „geeignete“ Tiermodell auszuwählen. Zukünftig dürfen sich allein schon aus Kostengründen transgene Mäuse das bevorzugte Tiermodell bleiben. Modern Methods in Drug Discovery WS05/06