Syntese og biologiske evalueringer av nye omega-3-fettsyrederivater

Bakgrunn og hensikt

Inflammasjon er en vertsbeskyttende og høyst nødvendig prosess for å beskytte kroppen mot invaderende bakterier, virus og annen vevsskade (1). Det er derimot når inflammasjonen ikke går over av seg selv og blir kronisk at det kan oppstå komplikasjoner og følgelig gi opphav til en rekke alvorlige og kroniske sykdommer som astma (2), demens (3) og diabetes type 2 (4). Før i tiden ble oppløsning av inflammasjon sett på som en passiv prosess som bare gikk over av seg selv med tiden. Nyere forskning har derimot vist at denne prosessen er styrt av såkalte spesialiserte pro-oppløsende mediatorer (SPM-er) (1), som er derivater av de omega-3 flerumettede fettsyrene eikosapentaensyre (EPA), dokosaheksaensyre (DHA) og n-3 dokosapentaensyre (DPA) (figur 1). EPA, DHA og n-3 DPA omdannes nemlig til hydroksylerte produkter i kroppen i løpet av en inflammatorisk prosess, og har fått samlebetegnelsen SPM-er som følge av de svært potente antiinflammatoriske og pro-oppløsende effektene de innehar.

Kroppen produserer SPM-er i svært små mengder (piko- til nanogram), noe som gjør direkte strukturoppklaring umulig. Derfor må vi syntetisere disse naturproduktene ved hjelp av stereoselektiv totalsyntese og deretter sammenlikne syntetisert forbindelse med biologisk produsert materiale for å få bekreftet den eksakte kjemiske strukturen. Informasjonen vi får fra slike studier er viktig for å bedre kunne forstå inflammasjon og oppløsning av inflammasjon, som er en svært kompleks og sammensatt prosess. Disse SPM-ene er dessverre utsatt for rask metabolsk nedbrytning og har også en kjemisk sensitiv natur, noe som gjør dem dårlig egnet til å brukes direkte som en ny behandlingsform mot inflammasjon. Allikevel er disse naturproduktene svært interessante forbindelser som man kan gjøre strukturelle modifikasjoner på for å få mer kjemisk og metabolsk stabile  molekyler. Dette kan altså muliggjøre oppdagelse og utvikling av nye antiinflammatoriske legemidler uten de alvorlige bivirkningene til tradisjonell antiinflammatorisk behandling som for eksempel immunsuppresjon.

Materialer og metode

De nye forbindelsene ble fremstilt ved å først syntetisere en rekke byggesteiner (A–E, skjema 1 og 2) ved hjelp av stereoselektiv syntese. Deretter ble de tre byggesteinene A–C koblet sammen for å få de ulike EPA-deriverte forbindelsene: resolvin E4 (RvE4), 20-OH-RvE4 og 20-CF₃-RvE4 (skjema 1). Byggesteinene D og E ble koblet sammen for å lage RvD2_{n-3 DPA} (skjema 2), et naturprodukt derivert fra den omega-3 flerumettede fettsyren n-3 dokosapentaensyre (DPA). Mellomprodukter og endelige produkter ble renset ved hjelp av kolonnekromatografi og deretter karakterisert ved hjelp av kjernemagnetisk resonans (NMR), væskekromatografi (HPLC), massespektrometri (MS) og optisk rotasjon. Matching-studier av syntetisert RvE4, 20-OH-RvE4 og RvD2_{n-3 DPA} mot biologisk produsert materiale ble gjennomført for å undersøke om vi hadde fått syntetisert riktig stereoisomer av naturproduktet. In vitro-cellekulturstudier og in vivo-studier på mus ble gjennomført for å undersøke de antiinflammatoriske, antibakterielle og soppdrepende effektene til forbindelsene. Det eksperimentelle arbeidet har blitt utført ved Farmasøytisk institutt, Universitetet i Oslo, mens de biologiske studiene har blitt utført av våre samarbeidspartnere i Serhan-gruppen ved Harvard Medical School i Boston og i Dalli-gruppen ved Queen Mary University i London.

Resultater

Resolvin E4 (skjema 1) er en endogen forbindelse som produseres av hvite blodceller under hypoksi (1–5 % oksygen), og som har svært potente antiinflammatoriske egenskaper (5). En av disse egenskapene er at den øker fagocytosen av døde og gamle røde blodceller med en EC₅₀-verdi på imponerende 0,29 nM (6). Derimot er RvE4 utsatt for rask metabolisme in vivo for å danne 20-OH-RvE4, en inaktiv metabolitt (7). En analog av RvE4 som var resistent mot slik metabolisme, ble derfor syntetisert og kalt 20-CF₃-RvE4. Toksikologiske og biologiske studier av denne trifluoranalogen er planlagt å bli gjennomført i nær fremtid.

RvD2_{n-3 DPA} (skjema 2) er et naturprodukt som blir produsert in vivo under inflammatoriske prosesser og som viste svært potente antiinflammatoriske og soppdrepende egenskaper ved at den økte fagocytosen av zymosan A biopartikler. Zymosan A en type plastpartikler som blir syntetisert av sopp og som ofte brukes i forskningssammenheng for å indusere steril inflammasjon. I tillegg viste RvD2_{n-3 DPA} potente antibakterielle egenskaper ved at den økte fagocytose av bakterien Staphylococcus aureus i lave nanomolare konsentrasjoner (8). Sistnevnte er et spesielt interessant funn med tanke på den pågående og økende utfordringen innen resistensutvikling mot en rekke antibiotika.
 

Diskusjon

Gjennom metabolismestudier ble det avdekket at den potente antiinflammatoriske forbindelsen RvE4 gjennomgår rask metabolisme til en inaktiv metabolitt kalt 20-OH-RvE4. Denne prosessen skyldes mest sannsynlig metabolisme via cytokrom P-450 (CYP)-enzymer. For å forhindre denne raske metabolismen, og dermed inaktiveringen, av RvE4 til 20-OH-RvE4 ble 20-CF₃-RvE4 syntetisert. Dette er en analog som er resistent mot metabolisme via slike CYP-enzymer, og dermed er tanken at man får en forbindelse med forlenget virkningstid og forhåpentligvis de samme antiinflammatoriske og pro-resolverende effektene som RvE4 selv. Ytterligere arbeid med å syntetisere flere slike metabolske og kjemisk mer stabile analoger vil være interessant for å få mer inngående kunnskap om struktur-aktivitetsforholdet til disse forbindelsene.
 

Konklusjon

De syntetisk fremstilte forbindelsene RvE4 og RvD2_{n-3 DPA} viste svært potente antiinflammatoriske og pro-oppløsende effekter. RvD2_{n-3 DPA} hadde også potente antibakterielle og soppdrepende effekter. RvE4 og RvD2_{n-3 DPA} er interessante forbindelser som man kan gjøre strukturelle modifikasjoner på for å forhåpentligvis kunne oppdage og utvikle nye antiinflammatoriske legemidler i fremtiden.
 

Referanser

1. Serhan CN, Savill J. Resolution of inflammation: the beginning programs the end. Nat Immunol 2005; 6: 1191.
2. Krishnamoorthy N, Burkett PR, Dalli J et al. Cutting edge: Maresin-1 engages regulatory T cells to limit type 2 innate lymphoid cell activation and promote resolution of lung inflammation. J Immunol 2015; 194: 863.
3. Tabas I, Glass CK. Anti-inflammatory therapy in chronic disease: challenges and opportunities. Science 2013; 339: 166.
4. Nettleton JA, Katz R. n-3 long-chain polyunsaturated fatty acids in type 2 diabetes: A review. J Am Diet Assoc 2005; 105: 428.
5. Norris PC,  Libreros S, Serhan CN. Resolution metabolomes activated by hypoxic environment. Sci Adv 2019; 5: eaax4895.
6. Libreros S,  Shay AE,  Nshimiyimana R et al. A new E-series resolvin: RvE4 stereochemistry and function in efferocytosis of inflammation-resolution. Front Immunol 2021; 11: 631319.
7. Reinertsen AF, Libreros S, Nshimiyimana R et al. Metabolization of resolvin E4 by ω-oxidation in human neutrophils: synthesis and biological evaluation of 20-hydroxy-resolvin E4 (20-OH-RvE4). ACS Pharmacol Transl Sci 2023; 6: 1898.
8. Reinertsen AF, Primdahl KG, De Matteis R et al. Stereoselective synthesis, configurational assignment and biological evaluations of the lipid mediator RvD2_{n-3 DPA}. Chemistry 2022; 28: e202103857.

(Publisert i NFT nr. 6/2024, side 40–41)