OPDAGELSEN AF CITALOPRAM OG ANDRE SSRI’ER

 

 

Af funktionschef Klaus P. Bøgesø, H. Lundbeck A/S

 

Aminhypotesen for depression

Dopamin (DA), noradrenalin (NA) og serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT)(Fig. 1) er tre signalstoffer, der spiller en afgørende rolle for virkningen af lægemidler til behandling af skizofreni og depression. Reserpin (5), der isoleres fra planten Rauwolfia serpentina, blev i mange år brugt til behandling af forhøjet blodtryk. Chlorpromazin (6) udvikledes oprindeligt af firmaet Rhone-Poulenc som antihistaminikum (behandling af høfeber). Men i 50’erne opdagedes det i henholdsvis USA og Frankrig, at begge stoffer havde effekt ved behandling af skizofreni.1 Stofferne mildnede i betydelig grad de skizofrene psykoser, men samtidig fik patienterne karakteristiske neurologiske symptomer såsom rystelser (parkinsonisme) og ufrivillige bevægelser (dystonier, dyskinesier). Stofferne "greb fat i nerven" og fik fællesbetegnelsen neuroleptika. Alligevel har de to stoffer en helt forskellig virkningsmekanisme. Reserpin medfører "udtømning" af alle tre signalstoffer ved at påvirke vesiklerne (det naturlige opbevaringssted for signalstofferne, se Fig. 2), således at signalstofferne kan trænge ud i det præsynaptiske neuron. Her nedbrydes de hurtigt af enzymet monoaminooxidase (MAO), der findes i mitokondriernes ydre membran.1 Chlorpromazin derimod virker ved at blokere postsynaptiske receptorer for dopamin. Nettoeffekten er imidlertid den samme, hvad enten dopamin fjernes ved nedbrydning eller forhindres i at aktivere sin receptor. Disse observationer førte til "dopaminhypotesen for skizofreni": At de psykotiske symptomer skyldes en overaktivitet af dopamin i visse hjerneområder. De neurologiske bivirkninger opstår, når dopamin-receptorer andre steder i hjernen, indvolveret i styring af bevægelser, også blokeres.


Fig. 2. Synapse. Transporteren er virkningsstedet for antidepressiv medicin

Reserpinets stærke blodtrykssænkende effekt gjorde det i længden ikke velegnet til skizofrenibehandling, mens det fortsat blev brugt til behandling af forhøjet blodtryk. Men efterhånden erkendtes det, at stoffet havde en ubehagelig bivirkning: Det inducerede depression i helt op til 15 til 20% af patienterne. På det tidspunkt var det opdaget, at antituberkulosemidlet iproniazid (4) havde antidepressiv effekt. Det opklaredes, at denne virkning skyldtes, at 4 er en effektiv hæmmer af monoaminooxidase. I mus og rotter kan 4 modvirke reserpinets "udtømmende" effekt (der gør, at dyrene immobiliseres) ved at blokere monoaminooxidase, så signalstofferne ikke mere nedbrydes. Imens var synteserne af analoger af chlorpromazinet i gang, og hos Geigy i Schweiz syntetiseredes imipramin (7). Dette stof havde ikke chlorpromazinets dæmpende effekt, men virkede tværtimod stimulerende og antidepressivt i patienter. I dyr kunne 7 som 4 modvirke reserpineffekten, men 7 var ingen monoaminooxidase-hæmmer. Det viste sig, at stoffet virkede ved at blokere de såkaldte transportere (eng. "reuptake sites" eller blot "uptake sites") for noradrenalin og serotonin. Herved forhindres genoptagelsen af signalstofferne, og deres koncentation øges i synapsen med en stimulerende virkning som følge. Som følge heraf opstod aminhypotesen for depression, som altså går på, at der ved depression er underskud af signalstofferne noradrenalin og serotonin.1



Fig. 3. Virkning af tricykliske antidepressiva

Tricykliske antidepressiva

Hos Lundbeck udvikledes de tricykliske antidepressiva amitriptylin (8), nortriptylin (9) og melitracen (lig med stof 11 uden CF3-gruppen, Fig. 4). Disse hæmmer alle genoptagelsen af noradrenalin, og 8 hæmmer tillige 5-HT uptake. Men stofferne er ikke selektive, ligesom imipramin og andre tricykliske antidepressiva blokerer de en række postsynaptiske receptorer (Fig. 3), specielt visse receptorer for signalstofferne acetylkolin, histamin, (nor)adrenalin (a1) og serotonin (5-HT2).2 Stofferne giver derfor forskellige bivirkninger såsom mundtørhed og vandladningsproblemer. Desuden kan hjerte og kredsløb påvirkes, hvilket især er et problem blandt ældre og folk med hjerte/kar-problemer. Spørgsmålet var derfor, om det var muligt at finde stoffer, der kun blokerede transporterne og ikke postsynaptiske receptorer?

Opdagelsen af talopram

I 1965 ville en kemiker hos Lundbeck syntetisere trifluormethyl derivatet 11 af melitracen. Ved syntesen af melitracen ringsluttes 10 (uden CF3-gruppen) ved behandling med koncentreret svovlsyre. Den deaktiverende effekt af CF3-gruppen gjorde imidlertid, at der dannedes noget andet end det ønskede produkt. Heldigvis blev stoffet testet, og det viste sig yderst overraskende, at det selektivt hæmmede noradrenalin-uptake! Strukturopklaring viste, at stoffet var phenylphthalanen 12, og dermed havde Lundbeck opdaget de første virkelig selektive noradrenalin-uptake hæmmere! Analog syntese førte til stofferne talopram (13) og talsupram (14), begge ekstremt selektive noradrenalin-uptake hæmmere (se Fig. 5 og Tabel 2).

Fig. 5. Citalopram (5A) og talopram (5B) blokerer selektivt transporterne for henholdsvis 5-HT og NA

Opdagelsen af citalopram

Omtrent samtidig med opdagelsen af talopram fremsatte flere forskere (deriblandt svenskeren Arvid Carlsson) og klinikere den hypotese, at det var serotonin, der primært var indvolveret i depressionen (altså patientens "stemningsleje", eller engelsk "mood"), medens noradrenalin påvirkede patienters fysiske energi ("aktiveringen", engelsk "drive").3 Carlsson foreslog derfor, at man skulle udvikle helt selektive serotonin-uptake hæmmere - når først stemningslejet var hævet, ville "drive" komme af sig selv.

På Lundbeck var der da syntetiseret nogle få talopram-derivater (17 og 18, Tabel 1), der både hæmmede serotonin- og noradrenalin-uptake. På det tidspunkt var der ikke testmodeller for måling af neuronalt uptake, i stedet måltes hæmning af serotonin-uptake i blodplader fra kaniner, medens noradrenalin-uptake måltes som hæmning af optagelsen af tritieret noradrenalin in vivo i musehjerter (Tabel 1). Måling af neuronalt uptake etableredes senere (Tabel 2), men under det meste af projektet anvendtes de nævnte tests. Det var klart, at serotonin-uptake hæmning fremmedes ved at fjerne methylgrupperne i 1-positionen (R1) og dimethylere N-atomet til dimethylaminoforbindelserne. Chlorderivatet 19 viste selektivitet, og dichlorderivatet 20 var den første selektive serotonin-uptake hæmmer. Bromderivatet fremstilledes som følge af tidlige QSAR-analyser4 (kvantitative struktur-aktivitetsberegninger), og ud fra dette stof kunne cyano-forbindelsen 22 fremstilles ved omsætning med cuprocyanid i dimethylformamid (DMF). Cyanoderivatet viste bedre effekt end brom, og selvom cyanogruppen var en usædvanlig substituent fremstilledes 23 og 24 (citalopram), begge ekstremt selektive serotonin-uptake hæmmere. Efter kun at have syntetiseret ca. 60 derivater af talopram4 var det dermed lykkedes at udvikle en selektiv serotonin reuptake inhibitor (SSRI): Citalopram!

 

Synteseproblemer

Den første citalopram-syntese var på ni trin og ikke specielt teknisk egnet. 5-Bromphthalid (29) (og senere 5-cyanophthalid, 30) er nøgleintermediater (Fig. 6). I første trin nitreres phthalimid (25) med salpetersyre/svovlsyre. I august 1978 løb en nitrering af 20 kg phthalimid løbsk, fordi der under tilsætningen af phthalimid til nitrersyren var kølet for kraftigt, således at der var for meget ureageret stof i reaktionsmediet. De tre tilstedeværende personer nåede at bringe sig i sikkerhed, så ingen kom til skade, selvom halvdelen af beholderens indhold slyngedes ud i lokalet. Nitroforbindelsen fremstilledes herefter hos Dynamit Nobel. 5-Aminophthalid (28), der fremstilles gennem to efterfølgende reduktioner, kan ved Sandmeyer-reaktion omdannes til enten 5-brom- eller 5-cyanophthalid. Citalopram fremstilledes første gang fra 5-bromphthalid (29), som vist på Fig. 7. Lundbeck er specialist i at køre Grignard-reaktioner i produktionsskala. Der var ingen tekniske problemer med de første to trin, men omsætningen med cuprocyanid var ikke teknisk egnet. Der udvikledes først en anden proces4, ved hvilken de første kilomængder fremstilledes, men heller ikke denne proces viste sig i længden teknisk egnet. Men så opdagedes det, at 5-cyanophthalid helt overraskende kunne omsættes med de to Grignardreagenser på Fig. 7 og ringsluttes i stærk syre, uden at nitrilgruppen reagerede eller hydrolyserede. Denne proces anvendes i dag til teknisk fremstilling af stoffet.

Gruppen af SSRI’er

En række firmaer udviklede i 70’erne ligesom Lundbeck selektive serotonin-uptake hæmmere (SSRI’er). Disse stoffer er vist på Fig. 8, hvor også prioritetsdatoer for patenterne er vist. Selvom citalopram fremstilledes første gang i august 1972, indleveredes det endelige patent af forskellige grunde først i januar 1976. Det interessante er, at ingen firmaer (undtagen Pfizer, der fremstillede sertraline senere) kendte konkurrenternes stoffer, medens opfindelserne stod på. Strukturerne er da også meget forskellige. Alle stoffer udviser imidlertid selektivitet for serotonin-transporteren relativt til noradrenalin- eller dopamin-transporteren (Tabel 2).2 Citalopram er det mest selektive stof. Ingen stoffer blokerer i væsentligt omfang postsynaptiske receptorer. SSRI’erne har derfor ikke de bivirkninger, der blev omtalt for de tricykliske stoffer, og stofgruppen har derfor generelt fået en kollosal markedsmæssig udbredelse. De omtales ofte her i landet som "lykkepiller". Dette er en uheldig betegnelse, idet der ingen effekt er på raske personer, medens navnet kan virke sårende på depressive.

To af stoffene i Fig. 8 fik en krank skæbne. Både zimeldin og indalpin blev trukket tilbage fra markedet på grund af sjældne bivirkninger. Zimeldin blev trukket tilbage i september 1983 efter 1 1/2 år på markedet på grund af en influenzalignende reaktion i 1-2% af patienterne, som i sjældne tilfælde (1/10000) udviklede Guillain-Barré syndrom, en sygdom der påvirker nerver, der styrer musklernes bevægelsesevne.5 Indalpin viste sig at fremkalde agranulocytose (blodændring) i 1/20000 patienter, og det blev trukket tilbage efter mindre end ét år i april 1984.6

En generel model for serotonin-uptake sitet

SSRI’ernes strukturer er som vist på Fig. 8 meget forskellige. Alligevel binder de selektivt til samme site. Det er også et mysterium, hvordan to stoffer, der ligner hinanden så meget som talopram og citalopram, kan have så forskellig aktivitet. For at forklare disse spørgsmål har vi undersøgt stoffernes konformationer med computerbaserede beregnings-metoder (molecular modelling) og sammenlignet alle lavenergikonformationer.7 Disse studier har ført til den på Fig. 9 viste farmakoformodel af serotonin-uptake sitet. Når talopram og andre selektive noradrenalin-uptake hæmmere indpasses i modellen, bliver det klart, at de alle, i modsætning til serotonin-uptake hæmmerne, har substituenter i området symboliseret med den hvide pyramidestruktur, hvilket rationaliserer noradrenalin-selektivitet. Både citalopram og fluoxetin er racemblandinger. Fluoxetin enantiomererne udviser ringe stereoselektivitet, medens citalopram enantiomererne udviser høj stereoselektivitet. Også dette kan rationaliseres udfra de steriske energier af de konformationer af enantiomererne, der passer i modellen. Med disse metoder er det derfor vist, at selvom SSRI’erne umiddelbart ser meget forskellige ud, så passer de nøje ind i den samme tredimensionelle model.


Fig. 9. Farmakoformodel for 5-HT uptake sitet. SP: Hypotetisk bindingssted på 5-HT transporteren. N: Basisk kvælstof i SSRI'erne. Substituenten i hvid pyramide fremmer NA-uptake hæmning.

Tabel 1. 5-HT- og NA-uptake hæmning af udvalgte talopramderivater

Lu nr. Stof nr. R1 R2 X Y 5-HT uptake
(in vitro)
Kaninblodpl.
IC50 (nM)
NA uptake
(in vivo)
Musehjerte
ED50(µmol/kg)

3-010

13

CH3

H

H

H

3400

2.2

3-009

15

CH3

CH3

H

H

53000

5

3-039

16

H

H

H

H

1300

43

3-018

17

H

CH3

H

H

600

66

7-087

18

H

H

H

Cl

110

170

8-052

19

H

H

Cl

H

220

>200

9-191

20

H

H

Cl

Cl

24

>80

9-249

21

H

H

H

Br

310

NT

9-270

22

H

H

H

CN

54

23

10-036

23

H

H

CN

Cl

10

>80

10-171

24

H

H

CN

F

38

>40

Tabel 2. Effekten af SSRI’er samt talopram og talsupram på hæmning af uptake af 5-HT, NA og DAa

Stof

5-HT

NA

DA

NA/5-HT

DA/5-HT

citalopram

1.8

6100

40000

3400

22200

indalpin

2.1

2100

1200

1000

570

sertralin

0.19

160

48

840

250

paroxetin

0.29

81

5100

280

17600

fluvoxamin

3.8

620

42000

160

11000

zimeldin

56

3100

26000

55

460

fluoxetin

6.8

370

5000

54

740

talopram

1400

2.5

44000

0.0017

0.00006b

talsupram

770

0.79

9300

0.0010

0.00008b

aIC50 værdier i nM.
bNA/DA (Ref. 2 og Lundbeck’s Pharmacological Screening Database).

Referencer

1. S.H. Snyder, Drugs and the Brain. Scientific American Library; 18, W.H.Freeman and Company, New York, 1996, 61-119.

2. J. Hyttel, Pharmacological characterization of selective serotonin reuptake inhibitors (SSRIs). Int. Clin. Psychopharmacology 9, Suppl. 1 (1994) 19-26.

3. A. Carlsson, H. Corrodi, K. Fuxe og T. Hökfelt, Effect of antidepressant drugs on the depletion of intraneuronal brain 5-hydroxytryptamine stores caused by 4-methyl-a-ethyl-meta-tyramine. Eur. J. Pharmacol. 5 (1969) 357-366.

4. A.J. Bigler, K.P. Bøgesø, A. Toft og V. Hansen, Quantitative structure-activity relationships in a series of selective 5-HT uptake inhibitors. Eur. J. Med. Chem. - Chim. Ther. 12 (1977) 289-295.

5. A. Kristofferson, og B. Nilsson, Zimeldine: Febrile reactions and peripheral neuropathy. In: Autoimmunity and Toxicology. M. E. Kammüller, N. Bloksma og W. Seinen, eds, Elsevier Science Publishers B.V. (biomedical Division), 1989, 184-213.

6. M.-C. Pérault-Pochat, A. Paillat og B. Vandel, Pharmacovigilance. In: Thérapeutique psychiatrique. J.-L. Senon, D. Sechter og D. Richard, eds, Hermann Èditeurs des Sciences et des Arts, 1995, 117-124.

7. K. Gundertofte, T. Liljefors og K.P. Bøgesø, A Stereoselective Pharmacophoric Model of the Serotonin Reuptake Site. In: Computer-Assisted Lead Finding and Optimization. H. van de Waterbeemd, B. Testa og G. Folkers, eds, (Basel: VHCA), 1997, 443-459.