Prostaglandiner, idag och imorgon

Prostaglandiner, idag och imorgon Manal Majed Biologiskt aktiva naturprodukter i läkemedelsutveckling 7,5 hp Apotekarprogrammet Ht-10 Handledare: Christina Wedén Avdelningen för Farmakognosi Institutionen för läkemedelskemi Uppsala Universitet 1

Prostaglandiner är hormonliknande ämnen som bildas lokalt i vävnaden och ur fleromättade fettsyror, främst Arrachidonsyra. Det huvudsakliga enzymet som är inblandat i bildningen av prostaglandiner är cyklooxygenas. Bildningen av prostaglandiner ger effekter i kroppen, som smärta, feber och inflammation. Cyklooxygenas är det huvudsakliga målet för läkemdelsterapi, läkemedelsgruppen NSAID arbetar just genom att hämma cykooxygenas och på så sätt lindras effekterna av prostaglandin i vävnaderna. Flera studier har gjorts kring ämnet prostaglandin och demens. De resultat som har kunnat hittas är ytterst intressanta. Det har visats att prostaglandiner är direkt relaterade till den inflammationsprocess som sker i hjärnan hos Alzheimerspatienter. Studier på postmortem hjärnor från patienter med Alzheimerssjukdom har visat att i dessa vävnader finns ett högre uttryck av COX-2 samt att dessa vävnader hade högre halter av inflammationsämnen bildade av prostaglandiner. Prostaglandiner är även farmakologiska behandlingsmetoder och är mycket användbara vid behandling av glaukom samt som abortmedel. Det finns även studier som visar hur prostaglandiner har en direkt relation till vissa cancersjukdomar, genom att bidra med en inflammationsprocess som således bidrar till malignitet. Det finns dock en paradox vad gällande prostaglandiner och cancer. Prostaglandiner är ytterst viktiga för regleringen av hematopoesen, och kan således användas för nybildningen av stamceller och därför vara komplement till benmärgstransplantationer hos cancerpatienter. 2

Innehållsförteckning 1. Inledning 1.1Historisk bakgrund & Biologisk aktivitet 2. Hur och varför projektet startade 3. Metodbeskrivning för extraktion och isolering 4. Läkemedelsutveckling 5. Klinisk effekt och användning 6. Diskussion 3

1. Inledning Detta arbete kommer att huvudsakligen ta upp ämnet prostaglandiner; vad de är, vilken roll de spelar farmakologiskt och kliniskt, samt om det finns några nutida projekt kring dessa hormonliknande ämnen för utvecklandet av nya läkemdel och behandlingsmetoder. Det kommer även tas upp sambandet mellan prostaglandiner och behandling hos cancerpatienter, även sambandet kring prostaglandiner och Alzheimerssjukdom kommer att studeras. 1.1 Historisk bakgrund & Biologisk aktivitet Prostaglandiner är lipider som kan hittas i alla kroppens vävnader, prostaglandiner hittades under tidigt 1930-tal av Ulf von euler-chelpin i prostata, sädesblåsor och sädesvätska (1). Prostaglandiner bildas från fleromättade fettsyror som exempelvis arrachidonsyra. Prostaglandiner kan antingen framställas syntetiskt eller isoleras från vävnader hos djur och växter. Bildningen av prostaglandin sker lokalt i vävnader och verkar således på den plats där de bildas. Enzymet cyklooxygenas (cox) är delaktig i det första steget vid bildning av prostaglandiner och är huvudmål vid farmakologisk behandling med exempelvis NSAID-preparat, vars uppgift är att hämma cykooxygenas (1). Som tidigare nämnt produceras prostaglandiner av enzymet COX. Det finns två olika typer av COX enzymer, COX-1 samt COX-2. Dessa båda enzymer producerar prostaglandiner med liknande biologiska effekter, effekter som smärta, inflammation och feber. Skillnaden mellan de två enzymerna är att COX-1 har en skyddande effekt i GI-kanalen samt en trombosskyddande effekt. Vid behandling av NSAID preparat, vars uppgifter är att hämma både COX-1 och COX-2 kommer COX-1 skyddande effekter att gå förlorade och bieffekter som magsår och blödning kan uppstå (2). Alla prostaglandiner består av tjugo kolatomer, varav fem av dessa bildar fem-kolsring. Siffrorna tyder på antal dubbelringar i ringen och bokstäverna typ av kemisk substitution (1). Figur 1. Visar molekylstrukturen på prostaglandin A 2 (1) 4

Redan under 1939-talet började forskningen kring prostaglandiner, detta har varit grundstenen för behandling av flertalet sjukdomstillstånd samt grundat för mycket av den forskning som sker idag inom området. (1). 2. Hur och varför projektet startade Läkemedelsguiden definierar demens som en nedgång i intellektuell förmåga som är så svår att den omöjliggör normala sociala eller yrkesmässiga verksamheter (3). Dennas sjukdom är oftast kronisk och utvecklas oftast progressivt. Sjukdomen är inte bara problematisk för patienten i sig, utan bidrar även med mycket svåra känslor för patientens omgivning. Patienterna förändras sakteligen från att vara vuxna individer med familj, sociala och yrkesmässiga liv, till att sakta men säkert förlora uppfattning om tid, rum, familj och vänner. Den dominerande läkemedelsgruppen som används vid Alzheimers sjukdom är acetylkolinesterashämmare som Donezepil och Galantamin (3). Denna grupp av läkemedel används för patienter med mild till måttlig sjukdom. Medans patienter med måttlig till svår sjukdom behöver NMDA-hämmare (4). Dessa läkemedel lindrar de symptom som uppstår men har ingen effekt vad gällande fortskridning av sjukdomen och är inget bot i sig (3). Idag finns inget bot för Alzheimers sjukdom, dock studeras det om det finns farmakologisk behandling som kan användas i förebyggande syfte. Idag finns det farmakologisk behandling för patienter med utvecklad Alzheimers, dessa läkemedel mildrar symptomen som uppstår i samband med sjukdomen, men finns det läkemedel som skulle kunna verka i förebyggande syfte? Alzheimers sjukdom är en neurodegenerativ sjukdom som karakteriseras av demens och kognitiva hämningar. Detta är ett resultat av minskning i antikolinerga neuroner, ackumulation av β-amyloid (Aβ), som är neurotoxisk och som i sin tur bildar amyloida plack samt ökar uttrycket av tau-protein som bildar neurofribrillära tangles. Genom studier av PGE 2 - syntas och dess reglering på COX-2 har forskare kunnat konstatera att antiinflammatoriska läkemedel har en positiv effekt då det gäller att förebygga Alzheimers sjukdom (5). Som tidigare nämnt är inflammation stark relaterat till sjukdomsförloppet hos patienter med Alzheimers. Vid studier av hjärnor från Alzheimers patienter ses ökade halter cytokiner, kemokiner, reaktivt syre och proteaser som alla är indikatorer på inflammation (6). Höga halter av PGE är direkt relaterat till överproduktion av COX-2, vilket har hittats i hjärnor hos patienter med Alzheimerssjukdom. Utöver detta finns även studier som visar att transgena möss med en överproduktion av COX-2 har visat på försämrat minne samt neural apoptos (7). I en studie utförd av Chaudhry et al, studerades fluktuationen av PGE 2 i cerebrospinalvätskan hos patienter med utvecklad Alzheimers. I studien användes mittlobs gurus från postmortem hjärnor. I studien fanns nio kontroller samt10 hjärnor från patienter med utvecklad Alzheimers. Hjärnorna analyserades med western blot, immunoflouroscense samt immunohistokemi med mpges-1 antikroppar. De resultat som erhölls visade att vävnad med 5

Alzheimers hade ett högre uttryck av mpges-1. Immunohistokemin visade att det fanns mer mpges-1 i neuron från Alzheimers patienter jämfört med kontrollerna. Dessa fynd skulle kunna bli mål för att kunna förhindra utvecklandet av neuroinflammation som effekt av prostaglandiner och på så sätt hitta läkemedel med förebyggande effekt (8). I och med dessa fynd, har intresset ökat för NSAID som förebyggande läkemedel mot Alzheimers. NSAID ses kunna minska bildningen av Aβ och amyloida plack. Dock är dessa läkemedel långt ifrån problemfria. Läkemedlen bidrar med allvarliga biverkningar som problem i gastrointestinala kanalen samt trombos problem (9). 3. Metodbeskrivning för extraktion och isolering Mikrosomala pellet från fårkörtlar homogenerades och suspenderades i 20 ml 92mM natriumfosfat buffert med ett ph på 7,4. Denna mix fick inkuberas i 2 min i 37 C, för att sedan inkuberas med arachidonsyra och 0,1ml etanol i 30 sekunder. Denna mix hälldes snabbt över i en tratt innehållandes 100 ml 25mM HCl vilket följdes av extraktion med dietyleter. Eterfasen tvättades med vatten och torkades med MgSO 4. Detta fick sedan evaporera och löstes sedan upp i 3 ml dietyleter, varav tunnskiktskromatografi utfördes. Därefter kunde två stycken prostaglandin-endoperoxider urskiljas (10). 4. Läkemedelsutveckling Bimatoprost är en prostamid som utvecklades för behandling av ökat intraokulärt tryck, glaukom. Bimatorprost består av en amidgrupp kopplad till en prostaglandin F2alfa-analog (11). Bimatoprost är en ny klass prostaglandin men arbetar på liknande sätt som dem äldre. Detta genom att optimera utflödet av vätska från ögat och på så sätt sänka det okulära trycket (12). I Sverige har läkemedelverket godkänt läkemedlet och går under namnet Lumigan. Vid jämförelse mellan Timolol, som även är ett läkemedel för sänkning av intraokulärt tryck, och Lumigan sågs det att Lumigan var nästan dubbelt så effektiv som Timolol. En fas III studie visade att kombination av Lumigan och betablockerare gav en nästintill additiv effekt (11). 5. Klinisk effekt och användning Idag finns flera studier och artiklar som förklarar de positiva aspekterna med prostaglandiner och dess många användningsområden. En studie i tidskriften Pharmacological Report visar på 6

hur cyklooxygenas 2 (COX-2) som ett mål för cancerterapi. Som tidigare sagt är COX-1 och 2 det initiala steget för omvandling av fettsyror till prostaglandin. I cancerceller finns oftast en högre halt av COX-2 aktivitet. Idag finns flera epidemiologiska studier som visar att exempelvis acetylsalicylsyra som hämmar COX-2 och som på så sätt hämmar bildningen av prostaglandiner vilket kommer verka antiinflammatoriskt på cellen och eventuellt skydda mot malignitet. Vid metabolism av exempelvis arachidonsyra till prostaglandin bildas reaktiva metaboliter med eventuella mutagena och carcinogena effekter. Artikeln i Pharmacological Report visar att mammaliska celler med höga halter COX-2 har en högre halt prostaglandin E 2 (PGE 2 ) aktivitet. Studier har visat att PGE 2 och koloncancer är starkt sammankopplade. Behandling med en selektiv COX-2 hämmare har visat en tillväxthämning och apoptos av cancercellerna. PGE 2 har således visat en minskning i celldöd och därför en ökad mutagen effekt (13) Figur 2. Molekylstruktur av PGE 2 (14) Figuren nedan visar ett sorts flödesschema över COX-2 och PGE 2 roll vid utvecklandet av mutagenicitet och koloncancer. Exponering av PGE 2 ökar tillväxthastigheten för cancercellerna. RGFR-vägen och PGE 2 arbetar synergistiskt då båda vägarna inducerar tumörtillväxt och hämmar apoptos (13). 7

Figur 3. Schema som beskriver sambandet mellan cox-2 och PGH 2 (13). Det finns även flertalet ytterst intressanta artiklar och studier som diskuterar den roll som prostaglandiner spelar för hematopoesen. En artikel skriven av Lord. et al, visar genom användandet av zebrafisk embryo, hur PGE 2 är en evolutionärt bevarad gen för reglering av hematopoesen. Genom att behandla embryon med ett derivat av PGE 2, ett exogent 16,16- dimetyl PGE 2, sågs en förbättring vad gällande nybildandet av stamceller. För att ytterligare stärka dessa resultat och för att få en större kunskap kring hur PG påverkar hematopoesen, användes knockout-möss för att stänga av genuttrycket för COX-1. COX-2 och PGE 2 - synthase. Detta resulterade som väntat i en hämmad PG aktivitet och på så sätt även en påverkad stamcellsbildning (15). Dessa fynd är av ytterst klinisk relevans, detta särskilt för cancerpatienter. Dessa problem uppstår som en bieffekt av stark kemoterapi vilket ger en negativ påverkan på hematopoesen. För att komma till bukt med problemen görs idag benmärgstransplantationer eller perifer blodstamcellstransplantation. Behandlingar av detta slag behöver passande donatorer, vilket kan vara ytterst svårt att hitta men som är nödvändigt för att minska avstötningskomplikationer. Kan man istället på något sätt stärka patienternas eget stamcellsbildande skulle både tid och eventuella bieffekter minskas (15). 8

6. Diskussion Det här arbetet har tagit upp det väsentliga vad gällande ämnet prostaglandiner, dess positiva och negativa effekter samt vilken roll de spelar kliniskt och farmakologiskt. Dessa hormonliknande substanser spelar en viktig roll för kroppen både vad gällande inflammation och hematopoesen. Men som nämnt innan finns det nya rön som beskriver nya kliniska användningsområden för prostaglandiner. Det faktum att en relation har hittats mellan Alzheimerssjukdom och prostaglandiner är mycket intressant och användbart. Ett läkemedel som skulle kunna arbeta i förebyggande syfte kan bana vägen för helt nytt tänkande vad gällande Alzheimers och dess sjukdomsförlopp. Ett förebyggande läkemedel kan vara till stor hjälp för individer med bakomliggande sjukdom i släkten. Detta kan eventuellt minska incidensen att drabbas av sjukdomen eller eventuellt förlänga tiden till insjuknande. Ett sådant läkemedel skulle kunna minska lidande för många individer som befinner sig i riskzonen. Den viktiga roll som prostaglandiner spelar för hematopoesen är även ytterst viktigt ur klinisk synvinkel. Att idag hitta passande donator för patienter med leukemi och andra cancerformer med negativ effekt på blodkroppsbildningen är ytterst svårt och problematiskt. Det tar oftast lång tid att hitta en passande donator och patientens liv kan under den tiden sväva i fara. Trots lyckade transplantationer och matchade donatorer, är det inte säkert att inga avstötningskomplikationer sker. Genom att utveckla behandlingsmetoder där patientens benmärg själv stimuleras till nybildning av stamceller kan man kringgå transplantationsprocessen och på så sätt eliminera risken för avstötningskomplikationer. Framtiden ser ljus ut, fortsatta studier kring dessa ämnen kan förbättra behandlingsprocessen och om några år kan det kanske finnas läkemedel som specifikt arbetar för att förebygga demens på våra apotekshyllor. 9

Referenser 1. www.ne.se 2. www.medicinenet.com 3. Läkemedelsverket i samarbete med Svenska Läkaresällskapet. Läkemedels Guiden. Italien (2003) 4. www.alzheimers.nu 5. Chaudhry, U., Dore, S. Cytosolic Prostaglandin E Synthase:Expression Patterns in Control and Alzheimer s Disease Brains. American Journal of Alzheimer s disease and other dementias 24: 46-51(2009) 6. Townsend, K. P., Pratico, D. FASEB J. 19: 1592 1600 (2005) 7. Andreasson, K. I., Savonenko, A., Vidensky, S., Goellner, J. J., Zhang, Y.,Shaffer,A., Kaufmann, W. E., Worley, P. F., Isakson, P., Markowska,A. L. J. Neurosci. 21: 8198 8209 (2001) 8. Chaudhry, U., Zhuang, H., Crain, B., Doré, S. Elevated microsomal prostaglandin-e synthase 1 in Alzheimer's disease. Alzheimers Dement. 4(1): 6 13 (2008) 9. Hoshino, T., Nakaya, T., Homan, T., Tanaka, K., Sugimoto, Y., Araki, W., Narita, M., Narumiya, S., Suzuki, T., Mizushima, T. Involvement Prostaglandin E2 in Production of Amyloid Peptides Both in Vitro and in Vivo. The Journal of Bi Logical Chemistry 282 (45): 32676 32688 (2007) 10. Hamberg,M., svensson, J.,Waakabayashi,W., Samuelsson, B. Isolation and Structure of Two Prostaglandin Endoperoxides That Cause Platelet Aggregatio. Proc. Nat. Acad. Sci.71(2):345-349 (1974) 11. www.läkemdelsverket.se 12. Lee. A., McCluskey, P. Clinical utility and differential effectsof prostaglandin analogs in the management of raised intraocular pressure and ocular hypertension. Clinical Ophthalmology. 4: 741 764 (2010) 13. Ghosh, N., Chaki, R., Mandal, V., Mandal, S. COX-2 as a target for cancer chemotherapy. Pharmacological Reports. 62: 233-244 (2010) 14. www.biomol.se 15. Lord, A., North, T., Zon, L. Prostaglandin E2 Making More of Your Marrow. Landes Bioscience. Cell Cycle 6:24: 3054-3057 (2007) 10