05_fag-lygre.fm

Henning Lygre, Nathalie Reuter og Ingunn Rødland Bioinformatikk anvendt på lokalanestetikas
virkningsmekanisme
Flere teknologiplattformer har i de senere årene blitt etablert for å Tjenester fra CBU er basert på forskningsaktiviteter og styrke norsk forskning. En plattform er etablert i bioinformatikk, dvs.
består av to hovedelementer. Det ene omfatter utvikling av bruk av informasjonsteknologi til å forstå biologi. Verktøyet kan bl.a.
verktøy og databaser som gjøres allment tilgjengelig, som brukes til å utvikle nye medikamenter, og det var en del av grunnlaget oftest gjennom websidene til plattformen (www.bioinfo.no).
Det andre er direkte hjelp til brukere. Hjelpen kan bestå i alt, for introduksjon av legemiddelet sildenafil som Viagra®. Bioinformatikk fra enkle råd om valg av metode eller programvare, til at kan også brukes til å studere basale farmakologiske prosesser. Et medi- plattformen gjennomfører bioinformatikkdelen av et stort sinsk, men også et viktig odontologisk diskusjonstema, er hvilke moleky- prosjekt. Servicegruppen har etablert en «diagnosetjeneste».
lære mekanismer som er ansvarlige for at lokalanestetika virker. I artik- Dette betyr at etter at det er kommet et spørsmål per e-post, kelen presenteres en modell der matematisk modellering basert på kje- bruker gruppen en dag eller to på å analysere problemstillin- miske egenskaper gir muligheter for å studere dynamiske aspekter ved gen og gi brukeren en tilbakemelding om gjennomførlighet, biologiske prosesser. Dette ble anvendt på artikain (Septokain®) og lido- estimat på tidsramme og eventuelt kostnader. Deretter vil bru- kain (Xylokain®) i vekselvirkning med cellemembranen. Funnene antyder keren inngå en avtale med servicegruppen, gjerne ved å møtes at det kan være forskjeller i virkningsmekanismen til artikain og lidokain og diskutere nærmere konkrete handlinger. I tillegg organise- basert på kjemiske egenskaper. Resultatene vil bli fulgt opp i et sam- rer plattformen flere kurs hvert år, rettet mot forskere og stu- arbeid med bioinformatikk-plattformen ved Universitetet i Bergen ved denter (master eller PhD). Temaer kan være metoder i anvendt bioinformatikk (sekvensanalyse, proteinstrukturbestemmelse, bruk av molekylær dynamisk simulering.
analyse av mikromatrise-data, molekylær dynamikk), stati- stikk (grunnleggende statistikk) og forskjellige programme- UGE bioinformatikk-plattform er en av elleve teknolo- giplattformer som ble etablert for å styrke norsk forsk- Fning innen funksjonell genomikk (FUGE). Bioinforma- Bioinformatikk, beregningsorientert biologi og
tikkplattformen har som mål å drive forskning innen bioin- molekylær modellering
formatikk på et internasjonalt nivå og å støtte norsk funksjo- Det finnes flere ulike definisjoner av bioinformatikk. Et nell genomforskning på bioinformatikk-siden. Plattformen eksempel på en meget vid definisjon er «bioinformatikk er koordineres av Universitetet i Bergen, Universitetet i Oslo og å bruke informasjonsteknologi til å forstå biologi». Det Norges teknisk vitenskapelige universitet i Trondheim og amerikanske nasjonale helseinstitutt (NIH) skiller mellom ledes av Enhet for Beregningsorientert Biologi (CBU) ved Uni- Hovedbudskap
• En bioinformatikk-plattform er etablert for å styrke norsk forskning innen funksjonell genomikk(FUGE) Forfattere
Henning Lygre, førsteamanuensis, dr.odont. Odontologisk institutt • Plattformen ledes av Enhet for Beregningsorientert Biologi Nathalie Reuter, seniorforsker/gruppeleder, PhD. Enhet for Beregningsorientert Biologi/Bergen Senter for • Ved hjelp av bioinformatikk-verktøyet molekylær modelle- ring kan man simulere biologiske/farmakologiske reaksjoner Ingunn Rødland, universitetsbibliotekar, cand.scient. Det • Metoden er anvendt på artikain og lidokain for å studere matematisk naturvitenskapelige fakultetsbibliotek, UiB DEN NORSKE TANNLEGEFORENINGS TIDENDE 2007; 117 NR 11
bioinformatikk og beregningsorientert biologi (computational Både sammensetningen, type av fettsyre og hodedelen kan varie- biology) og definerer det sistnevnte som: «Utvikling og anven- res og vil ha betydning for relevansen av modellen. For at model- delse av dataanalytiske og teoretiske metoder, matematisk mo- len og stoffenes oppførsel i den skal være mest mulig realistisk, dellering og metoder for beregningssimulering for å studere bio- plasseres vannmolekyler på begge sider av membranen. Ved logiske, atferdsmessige og sosiale systemer.» dynamisk simulering basert på parametisering kan man etterligne Molekylær modellering er en metode for strukturelle studier av vekselvirkningen som skjer mellom legemiddelet og cellemem- blant annet membraner og membrankomponenter basert på eksperi- branen. Stoffene tilføres ladning, og krefter og vekselvirkningen mentell informasjon, i tillegg til bioinformatikk. Ved molekylær observeres over tid. Dette stiller store krav til datamaskinens modellering forstår man kunnskapen å studere molekylær struktur kapasitet, men også til valg av programvare. De fleste tilgjenge- og funksjon ved modellbygging og beregning (1).
lige programmer inneholder parametre for proteiner, i mindre Andre strukturelle og dynamiske metoder
Nukleær magnetisk resonans (NMR) og røntgenstrålediffraksjon er
Lokalanestetika og farmakologi
biofysikalske metoder som kan anvendes til å gi strukturell informa- Strukturformlene til lokalanestetika indikerer amfifile egenskaper sjon på molekylnivå. De brukes bl.a. til å beskrive den tredimensjo- (dvs. at de inneholder både hydrofile og hydrofobe grupper) og de nale (3-D) struktur av mindre molekyler, store biomolekyler, samt har således evnen til å interagere direkte med cellemembraner uten Molekylær modellering er komplementær til NMR og røntgendif- Den basale molekylære virkningsmekanismen for lokalanestetika er fraksjon og kan brukes til å simulere biologiske molekyler i betingel- under stadig diskusjon. Et antatt scenario er at stoffene diffunderer ser som reproduserer in vitro betingelser (temperatur, trykk, konsen- gjennom nervemembranen og gjenoppretter den kjemiske likevekten trasjon). Dette betegnes som molekylær dynamisk simulering (MD).
ved den indre del av nervemembranen. Deretter penetrerer lokalanes- Metoden gir både strukturell og dynamisk informasjon.
tetika inn i membranen og binder til reseptorer i natriumkanalen. Om bindingsstedet for lokalanestesimiddelet utelukkende er en bestemt Farmakologi og bioinformatikk
aminosyresekvens av proteinet eller deler av fosfolipider, eller begge Utviklingen av medikamentet Viagra® ble resultatet av et forsk- deler, er imidlertid fremdeles diskutabelt (3). Ingen har hittil kunnet vise ningsprogram startet i 1985 for å utforme og syntetisere nye me- at en bestemt tredimensjonal aminosyresekvens i humane perifere dikamenter for kardiovaskulære lidelser, bl.a. hypertensjon. Anven- aksonale natriumkanaler er forenlig med den tredimensjonale struktu- delse av beregningsorientert biologi bekreftet i dette prosjektet at ut- ren til eksempelvis lidokain. Det kan også tenkes at vekselvirkningen gangsmedikamentet zaprinast hadde en tredimensjonal struktur som mellom lokalanestetika og cellemembranen kan ha betydning for den var forenlig med binding til enzymet phosphodiesterase. Resultatet basale molekylære virkningsmekanismen til lokalanestetika. Slike vek- av dette programmet ble imidlertid lanseringen av sildenafil som Vi- selvirkninger vil også være av betydning ved transport av medikamen- ter gjennom membranen. Den nære relasjonen mellom proteiner og Den basale virkningsmekanisme for de fleste medikamenter er via fosfolipider i cellemembranen gjør også at vekselvirkning med en type enzymer eller membranproteiner. Cellemembranproteiner omfatter cellebestanddeler vil kunne påvirke den tredimensjonale strukturen til ionekanaler og reseptorer som overfører signaler fra utsiden av andre bestanddeler i membranen. Det er derfor gode grunner til å stu- membranen til innsiden. De er involvert i et utall av cellulære pro- dere vekselvirkninger mellom membraner og medikamenter.
sesser og utgjør et stort potensial som mål for nye medikamenter. For at medikamenter skal kunne virke i kroppen, må deres tredimensjo- Molekylær dynamisk simulering av artikain og lidokain
nale struktur tilpasses kroppens egne stoffer. Dette er det basale Molekylær dynamisk simulering er blitt brukt til å studere forskjel- grunnlaget for at det skal skje en vekselvirkning (interaksjon) i krop- lige typer av lokalanestetika som vekselvirker med modellmembra- pen. Den tredimensjonale strukturen til mange reseptorer og enzy- ner (4, 5). I disse undersøkelsene ble fosfolipider bestående av met- mer er imidlertid ukjent. For å utvikle nye medikamenter er derfor tede fettsyrer, samt en hodedel av kolin, benyttet. Dobbeltbindinger detaljert strukturell informasjon viktig, både for medikamentet og i fettsyrene er kjent å kunne modifisere egenskapene i betydelig grad i cellemembranene. Et biologisk relevant fosfolipid bør derfor inn- Cellemembraner er svært sentrale i forståelsen av hvordan holde flerumettede fettsyrer. I tillegg må molekylene tilføres ladning.
medikamenter virker i organismen. Funksjonelle membraner kan Et viktig poeng ved simuleringer er tidsaspektet. Dette har en klar betraktes som todimensjonale væsker, og de er grunnlaget for far- sammenheng med hvilke fenomener som observeres. Hvis man vil makokinetiske og farmakodynamiske prosesser, dvs. enten medi- studere diffusjonsprosesser (bevegelse av molekyler) vil man trenge kamentet kun skal passere membranen eller at membranens lipi- lengre simuleringstid enn ved vekselvirkninger mellom molekyler der er målmolekylene. Modeller av cellemembraner kan bygges (interaksjoner). Vekselvirkningene er grunnlaget for medikamente- opp i datamaskiner ved hjelp av bioinformatikk. Et fosfolipidlag nes basale mekanisme. Eksempelvis vil intermolekylære vibrasjoner bestående av to fettsyrer og en vannløselig del (hodedel) som bin- ha et tidsaspekt på 10–14 sekund. I de første publiserte arbeider med der dem sammen, kan bygges opp på samme måte som i en bio- umettete fettsyrer ble simuleringer begrenset til kun å vare i 100 logisk membran, men basert på tilgjengelige strukturelle data (2).
pikosekunder (10–10). Med dagens teknologi kan simuleringer kjøres DEN NORSKE TANNLEGEFORENINGS TIDENDE 2007; 117 NR 11
Figur 1. Modell av
artikain. Den blå fargen
er nitrogenatomer, gule
er svovel, røde er
oksygen, store grå er
karbon og små grå er
hydrogen.
i 100 nanosekunder(10–7). Prosesser som involverer lokalanestetika skjer svært raskt (4).
Lidokain er virkestoffet i Xylokain®. Artikain er Figur 2. Øyeblikksbilde av molekylær dynamisk simulering applisert på artikain som
virkestoffet i Septokain® og Septokain Forte®. Til vekselvirker med ettlags membran. Artikain ligger slik at tiopenringen i molekylet er parallell tross for at den prinsipielle oppbygning av disse med fosfolipidets hodedel. De grønne «stengene» er fettsyrer. molekylene er like har de kjemiske egenskaper som er forskjellige. Dette kan ha betydning for den For å konstruere en tredimensjonal modell av artikain ble substanser fra det norske programmet for forskning i FUnksjonell GEnomfors- med tilnærmet lik kjemisk struktur anvendt (6–8) (Figur 1). Ved hjelp av tilgjengelige data (2) og programvare (Insight II) ble også en tre- dimensjonal struktur av et fosfolipidmolekyl modellert. Det ble da kon- English summary
struert en monolagsmembran (dvs. ett lag fosfolipider) bestående av fosfolipider med vannmolekyler på begge sider. Programmet MOIL- View (9) ble brukt til å lage den molekylære grafikken. Etanolamin som Bioinformatics applied on the mode of action of local
anesthetis
hodedel i fosfolipidet representerer en modell av cellemembranens indre del, dvs. mot cytosol. Når artikain tilsettes membranen, kan man Nor Tannlegeforen Tid 2007; 117: 672–5.
observere en dynamisk biologisk prosess i et modellsystem, dvs. at man In recent years platforms of technology have been established in kan observere at lokalanestesimolekylet beveger seg i nervecellens Norwegian universities to strengthen the level of research. Among others, a platform of bioinformatics, i.e. the use informatics to un- I dette forsøket ble cellemembranene bygget opp av fosfolipider med derstand biology, has been build. This kind of technology may be fettsyrer av forskjellig lengde. De langkjedede fettsyrer viste bedre inte- used in drug-design, as with the introduction of Viagra®. Basic phar- greringsevne for lokalanestetika enn de korte. Ved sammenligning av macological processes may also be studied by these methods. Thereis still a discussion about the molecular mechanisms in local anaes- artikain og lidokain viste artikain best integreringsevne i en monolags- thetics. In this preliminary report a model by mathematical model- membran. Artikain var orientert slik at tiopenringen lå parallelt med ling based on chemical properties is presented. Applied on articaine fosfolipidets hodedel (Figur 2). Den andre delen av molekylet var ori- (Septocaine®) and lidocaine (Xylocaine®) our data indicate that the entert mellom fettsyrekjedene. I tillegg til disse strukturelle data er det molecular mechanism in these local anaesthetics may not be identi- også mulig, ved hjelp av denne metoden, å måle hvilke type av bindin- cal. Further research in cooperation with The Computational Biology ger som skjer mellom atomer, samt i hvor lang tid bindingene varer.
Unit at the University of Bergen has been promoted to seek more Funnene i dette preliminære forsøket er, med sine begrensninger, en måte å visualisere farmakologiske prosesser på. De kan sannsyn- liggjøre forskjeller mellom den basale molekylære mekanismen for Referanser
artikain og lidokain. Den informasjonen som foreligger med den 1. Karplus M, McCammon JA. Molecular dynamics simulations of bio- omtalte metoden er ikke nok til å trekke en endelig konklusjon ved- molecules. Nat Struct Biol 2002; 9: 646–52.
rørende lokalanestesimidlenes basale mekanisme. Funnene danner 2. Tieleman DP, Berendsen HJ. A molecular dynamics study of the imidlertid et godt utgangspunkt for videre studier med NMR, men pores formed by Escherichia coli OmpF porin in a fully hydrated palmi-toyloleoylphosphatidylcholine bilayer. Biophys J 1998; 74: 2786–801.
også for videreføring av den omtalte metoden. Et samarbeid med 3. Tsuchiya H, Mizogami M, Takakura K. Reversed-phase liquid chro- bioinformatikk-plattformen CBU ved Universitetet i Bergen er plan- matographic retention and membrane activity relationships of local anesthetics. J Chrom A 2005; 1073: 303–08.
4. Pasenkiewicz-Gierula M, Róg T, Grochowski J, Serda P, Czarnecki R, Librowski T, et al. Effects of carane derivative local anesthetic on phos-pholipid bilayer by molecular dynamics simulation. Biophys J 2003; Prosjektet er finansiert med midler fra Melzters Høyskolefond ved Universitetet i Bergen. Norsk Forskningsråd stilte midler til rådighet 5. Högberg CJ, Maliniak A, Lyubartsev AP. Dynamical and structural DEN NORSKE TANNLEGEFORENINGS TIDENDE 2007; 117 NR 11
properties of charged lidocaine in a lipid bilayer. Biophys Chem2007; 125: 416–24.
6. Hanson AW, Banner BW. 2-Diethylamino-2',6'-acetoxylidide(lidocaine). Acta Cryst 1974; B30: 2486–88.
7. Weber L. The application of multi-component reactions in drugdiscovery. Curr Med Chem 2002; 9: 1241-53.
8. Storsberg J, Schollmeyer D, Ritter H. Route towards new hetero-atomic benzo[1,4] dioxine derivates. Chem Lett 2003; 32: 140.
9. Simmerling C, Elber R and Zhang J. MOIL-View – A Programfor visualization of structure and dynamics of biomolecules andSTO- A Program for computing stochastic paths. In: Pullman A etal., editors. Modelling of biomolecular structure and mechanisms.
Netherlands: Kluwer; 1995.p.241–65.
Adresse: Henning Lygre, Seksjon for farmakologi, Armauer Hansens Hus, 5021 Bergen. E-post: henning.lygre@odont.uib.no Artikkelen har gjennomgått ekstern faglig vurdering.
DEN NORSKE TANNLEGEFORENINGS TIDENDE 2007; 117 NR 11

Source: http://www.tannlegetidende.no/dntt/pdf2007/P07-11-672-5.pdf