NMDA-receptoren har stor betydning for den excitatoriske neurotransmission i hjernen, hvilket betyder, at den er med til at forstærke signaloverførsel mellem nervecellerne i hjernen. Receptoren findes i nervesynapser, hvor den aktiveres, når glutamat bindes til den. Receptoren aktiveres af både glutamat og aspartat, men aspartat virker dog ikke lige så kraftigt som glutamat. Receptoren kræver desuden en co-agonist som glycin for at sikre en optimal åbning af receptorens ionkanaler. Glutamat er det primære excitatoriske neurotransmitterstof, som bruges i alle områder af hjernen. NMDA-receptoren er permeabel for Ca²⁺ ioner (se figur 6). Ca²⁺ strømningen igennem NMDA-receptorens ionkanal gør den helt speciel, da Ca²⁺ kan igangsætte mange forskellige processer i cellen. Forskere mener bl.a., at indstrømningen af Ca²⁺ er skyld i de molekylære ændringer, der har betydning for lagringen af langtidshukommelsen.

Figur 4. Strukturformler for aminosyrerne glutamat, aspartat og glycin.

Når enten glutamat eller aspartat binder til NMDA-receptoren, vil ionkanalen åbnes, og Ca²⁺ og Na⁺ strømmer ind i cellen, mens K⁺ strømmer ud. Ionstrømmene fører til en depolarisering af cellens membran, som ved tilstrækkelig stimulering kan skabe en nerveimpuls i neuronet. NMDA-receptoren er et primært biologisk target for stoffet memantin, som bruges til behandling af Alzheimers sygdom.

Figur 5. Ved aktivering åbnes NMDA-receptorens ionkanal, hvorefter calciumioner og natriumioner strømmer ind i cellen, mens kaliumionerne strømmer ud. Ionstrømmen medfører en depolarisering af cellens membran.

Kendskabet til den rumlige opbygning og de kemiske egenskaber af proteinlommen på enten receptoren eller enzymet har stor betydning, når man skal udvikle et lægemiddel. Som eksempel kan lægemidlet ses som en nøgle, der skal passe i proteinlåsen for at lægemidlet virker (se figur 8).

Figur 8. Lægemiddel der vekselvirker med et aktivt center på et biologisk target.

Lægemidler binder som regel i en lomme på proteinets overflade. Bindingen kan både være covalent og ikke-covalent. Ved ikke-covalente bindinger binder lægemidlet gennem svage intermolekylære kræfter. Der findes flere typer intermolekylære kræfter, som normalt kan opstå mellem lægemiddel og target. Disse er nævnt nedenfor efter styrke, hvor ion-dipolbindinger generelt er de stærkeste, mens londonbindinger er de svageste:

• Ion-dipolbinding: Stærke kræfter mellem en ion og en polært binding. Ionen tiltrækkes af den modsatte ladning af molekylets dipol.
• Hydrogenbinding: Bindingen mellem et hydrogenatom og oxygen (O), nitrogen (N) eller fluor (F) i ét molekyle til oxygen (O), nitrogen (N) eller fluor (F) i et andet molekyle. Bindingen kan f.eks. opstå mellem en NH-gruppe og en C=O-gruppe.
• Dipol-pipol binding: Tiltrækning mellem to polære molekyler, hvor de positive og negative ender vender mod hinanden.
• London binding (Van der Waals kræfter): Dette er en hydrofob vekselvirkning. Svage tiltrækningskræfter, der opstår midlertidigt mellem alle atomer og molekyler på grund af bevægelige elektroner. De er de eneste kræfter i ikke-polære molekyler.

Figur 9. Her illustreres de fire forskellige former for intermolekylære kræfter.

Lægemidlets mange bindinger til target gør den samlede binding mellem lægemidlet og target stærkt. Hvis target f.eks. er et enzym, findes der flere måder, hvorpå lægemidler kan hæmme de forskellige processer i cellen. Et stof, som kan hæmme en proces, kaldes en inhibitor. Lægemidler kan enten være reversible inhibitorer (ibuprofen) eller ikke-reversible inhibitorer (acetylsalicylsyre). Ikke-reversible inhibitorer forårsager kemiske ændringer og ødelægger target ved at binde sig covalent til target. Reversible inhibitorer danner mange svage bindinger til target, men forårsager ingen kemisk ændring. Bindingen er derfor reversibel – heraf navnet. Reversible inhibitorer bruges ofte som lægemidler, da de i langt mindre grad giver bivirkninger.

En inhibitor kan yderligere opdeles i tre kategorier: kompetitiv, non-kompetitiv (også kaldet ikke-kompetitiv) og ukompetitiv. Ved kompetitiv hæmning kan inhibitoren binde i det aktive center og kæmpe om pladsen med substratet. En kompetitiv inhibitor er reversibel og kan udkonkurreres ved tilførsel af mere substrat. En non-kompetitiv inhibitor binder til et andet sted på enzymet (allosterisk site), ændrer strukturen i det aktive center og forhindrer dermed substratet i at binde sig. En ukompetitiv inhibitor binder til enzym-substrat-kompleks, hvorved reaktionen blokeres og ikke kan fuldføres. En non-kompetitiv og ukompetitiv inhibitor kan ikke udkonkurreres af øget mængder substrat, men de er stadig reversible inhibitorer og kan fjernes ved f.eks. nedbrydning, temperatur- eller pH-ændringer.

Som tidligere omtalt, har lægemidlers rumlige opbygning stor betydning for deres effekt i kroppen. Det skyldes, at lægemidler kan være chirale. Chirale molekyler har samme funktionelle sidegrupper, men er spejlbilleder af hinanden, og kaldes spejlbilledisomere (se figur 10). Det bedste eksempel på spejlbilledisomere er vores hænder. Lige meget, hvordan man vender og drejer dem, vil de altid være spejlbilleder af hinanden selvom begge hænder har både tommel-, pege-, lange-, ring- og lillefinger.

Figur 10. Den rumlige opbygning af carbonmolekylets sidegrupper kan optræde i forskellige former. De to molekyler er spejlbilleder af hinanden og kaldes spejlbilledisomere.

Et molekyle kaldes chiralt, når det indeholder et carbonatom, der er bundet til fire forskellige grupper. Dette carbon kaldes et chiralt carbonatom. For at finde ud af, hvilken form molekylet har, giver man de fire grupper en prioritet, alt efter hvilket grundstof de starter med. Gruppen med det højeste atomnummer i det periodiske system får højest prioritet, og den med det laveste får lavest prioritet. Når man har givet alle grupper en prioritet, vender man den lavest prioriterede gruppe væk fra sig selv, så man ser direkte på det centrale carbon og de tre andre grupper rundt om det. Hvis man derefter følger rækkefølgen fra højest til lavest prioritet og den går mod venstre, har molekylet S-form (S kommer af det latinske ord sinister, som betyder venstre). Går rækkefølgen i stedet mod højre, har molekylet R-form (fra rectus, som betyder højre på latin).

Et chiralt carbonatom kaldes også et stereocenter, og hvis et molekylet indeholder flere stereocentre, kan molekylet findes som flere stereoisomere. Stereoisomere kan enten være spejlbilleder af hinanden, hvor alle chirale centre er spejlbilleder, hvilket kaldes enantiomere. Eller kun nogle chirale centre er spejlbilleder af hinanden, hvilket kaldes diastereomere (se figur 11).

Figur 11. På dette billede ses fire stereoisomerer af aminosyren threonin. Stereocentrerne er angivet med en rød stjerne.

De fleste stoffer, der oprenses fra naturen eller fremstilles kunstigt i et laboratorium, har stereocentre. Det har vist sig, at det tit kun er en stereoisomer, som har den ønskede medicinske effekt. To forskellige stereoisomerer kan pga. deres forskellige strukturer virke på to fuldstændigt urelaterede receptorer, som hver især igangsætter to vidt forskellige biologiske processer (se dropdown om thalidomid-skandalen). Årsagen til dette er som omtalt orienteringen af de funktionelle sidegrupper (se figur 12).

Figur 12. Stoffet til venstre passer i receptoren, mens stoffet til højre ikke gør.

Betydningen af stereokemiske forhold i forbindelse med udviklingen af nye lægemidler har ført til, at der forskes meget indenfor fremstillingen af den rigtige stereoisomer med den ønskede medicinske virkning. I 2001 gik Nobelprisen i kemi til William Knowles og Ryoji Noyori for deres arbejde med fremstilling af stereoselektive kemiske synteser. W. Knowles fremstillede katalysatoren RhDiAMP, som bruges til syntesen af den ønskede stereoisomer af lægemidlet DOPA, som bruges til behandling af Parkinsons sygdom. Derved vil kun den ønskede stereoisomer af lægemidlet fremstilles.

Stoffet R-thalidomid lindrer morgenkvalme hos gravide kvinder, mens den anden stereoisomer forårsager alvorlige defekter på ufødte fostre, som f.eks. manglende eller misdannede organer eller lemmer.

Figur 13:Til venstre ses R-thalidomid, som er et sovemiddel, og til højre ses S-thalidomid, som er et teratogen.

I 1956 blev Thalidomid lanceret til behandling af morgenkvalme og søvnbesvær hos gravide kvinder. I starten af 1960’erne blev der indrapporteret en lang række svære fødselsdefekter hos nyfødte som bl.a. manglende arme og ben. Det førte til, at den tyske producent Grünenthal i 1961 måtte fjerne lægemidlet fra hylderne. Skandalen skabte røre over hele verden og i 1968 indførtes et rapporteringssystem for bivirkninger i Danmark. Selvom skandalen ikke var årsag til opdagelsen af stereoisomere, havde den en væsentlig betydning for forståelsen af og opmærksomheden på stereoisomerers biologiske betydning i medicinalindustrien.

HeLa kræftcellerne bruges i dag i en lang række biomedicinske sammenhænge bl.a. for at undersøge bindingen mellem et potentielt lægemiddel og dets biologiske target. Cellerne stammer oprindeligt fra den 31-årige Henrietta Lacks, som i 1951 blev indlagt på Johns Hopkins Hospital med en cancer tumor. På trods af at hun døde få måneder efter, lever hendes tumorceller stadig i dag, hvor de bruges i mange forskellige biologiske assays. HeLa kræftceller omtales tit som udødelige, da de kan dele sig uendeligt mange gange.

Figur 18. HeLa kræftceller farvet med det fluorescerende stof Hoechst 33258. Cellerne har været dyrket i laboratorier siden 1951. Cellerne har hjulpet til at forstå mange mekanismer som bl.a. reproduktion i humane celler.

På Lundbeck bruger man både HeLa-kræftceller og kinesiske hamster-ovarieceller i forskningen. Cellerne gensplejses med moderne bioteknologi, hvor forskerne indsætter DNA, som koder for helt bestemte biologiske targets. Disse celler egner sig særligt godt til cellebaserede assays, hvor man f.eks. undersøger, hvordan et stof binder til eller påvirker en bestemt receptor eller et enzym. Både kinesiske hamster-ovarieceller og HeLa-kræftceller er velegnede til denne type analyser, da de deler sig hyppigt og er lette at gensplejse. I nogle assays bruger forskerne også rekombinant HIV-virus til at integrere udvalgte gensekvenser i cellekulturerne, da virussen er særligt effektiv til at indsætte DNA i cellens arvemateriale.

Efter en lang række in silico og in vitro tests er det tid til, at teste lægemiddelkandidaterne på levende organismer in vivo. Inden lægemidlet gives til mennesker, gennemtestes kandidatens effektivitet og toksikologi på forsøgsdyr. Der bruges mange forskellige slags forsøgsdyr, dog oftest mus og rotter. I Danmark kræver det godkendelse for at arbejde med forsøgsdyr. De enkelte forsøg skal også godkendes af Dyreforsøgstilsynet, som hører under Justitsministeriet.

En af metoderne, der kan bruges til at undersøge et lægemiddels indvirkning på hukommelse og indlæring, er forsøg i Morris water maze (Morris vandlabyrint). Morris water maze ville kunne være relevant til test af lægemidler mod sygdomme som f.eks. Alzheimers sygdom og skizofreni, hvor der ses tab af hukommelse og indlæringsevne. I forsøget sættes en rotte i en stor vandtank fyldt med mælket vand. Under overfladen i den ene del af karret er der en lille platform, som giver rotten mulighed for at undgå at svømme. En normal rotte vil svømme rundt, indtil den finder platformen. Anden gang rotten bliver placeret i bassinet, vil den svømme direkte hen til platformen. I det ikke-normale tilfælde, som f.eks. ved hukommelsessvigt ved Alzheimers eller skizofreni, vil rotten have svært ved at huske placeringen af platformen og derfor svømme rundt uden at finde den hurtigt anden gang.

Figur 19. PCP blokerer ionkanalen i NMDA-receptoren.

Ved at give rotten stoffet PCP, som blokerer NMDA-receptoren, svækkes rottens indlæringsevne og andre kognitive funktioner, hvilket også er karakteristisk for personer med skizofreni. Lægemidler mod Alzheimers eller skizofreni kan nu testes på rotter, som har fået PCP. Hvis lægemidlet får rotten til hurtigt at finde platformen i anden omgang, har lægemidlet virket. Morris water maze er en ud af flere metoder, som forskerne kan bruge til at analysere og tolke dyrenes adfærd. Disse metoder hjælper forskerne til at forstå, hvordan lægemiddelkandidaterne virker, inden de testes i mennesker.

Figur 20. Morris vandlabyrint. En normal rotte vil hurtigt lære, hvor platformen befinder sig i tanken, og derfor vil den have let ved at finde den anden gang, forsøget udføres. Den PCP-påvirkede rotte vil bliver ved med at have problemer med at finde platformen, også anden, tredje og fjerde gang forsøget udføres. Dette skyldes PCPs påvirkning af rottes indlæring. (Kør musen henover billedet og se forskellen på de to rotters adfærd).

Når nye lægemidler udvikles, skal de naturligvis også testes i mennesker. I Danmark kræver myndighederne, at nye lægemiddelkandidater først er gennemtestet for toksikologi og bivirkninger i forsøgsdyr. Herefter kan lægemiddelkandidater blive godkendt af Lægemiddelstyrelsen og Den Centrale Videnskabsetiske Komité til at gå over i de fire kliniske faser. De kliniske faser er langt den dyreste del i udviklingen af nye lægemidler. Ud af f.eks. 5.000-10.000 stoffer er der måske kun fem, som går videre til de kliniske faser, og heraf kun et stof, som bliver et lægemiddel.

• Fase 1 (Sikkerhed): I første fase gives lægemidlet til en lille gruppe af raske frivillige (10 til 100 personer), og der igangsættes en undersøgelse af, hvordan den menneskelige organisme optager og reagerer på stoffet. I løbet af forsøget modtager forsøgspersonerne flere forskellige doser af stoffet. Dog meget mindre doser end en normal dosis, idet der holdes skarpt øje med tegn på forgiftning. I denne fase fokuseres der primært på, om lægemidlet har en giftig virkning i mennesket. Effektiviteten af stoffet evalueres ikke nødvendigvis.
• Fase 2 (Sikkerhed, effektivitet, dosering): I anden fase gives lægemidlet til en lidt større gruppe af frivillige (50 til 300 personer), som vil kunne have gavn af lægemidlet. Gennem denne fase undersøges forskellige doser for deres effektivitet og bivirkninger. Som regel udføres der sideløbende kontrolforsøg, hvor kontrolgruppen modtager placebo i stedet for det rigtige lægemiddel. Hverken forskere eller forsøgspersoner ved, hvilke grupper, der får hvad. Til sidst i forsøget sammenlignes doser og bivirkninger fra de to grupper, og de mest optimale doser bestemmes.
• Fase 3 (Sikkerhed, effektivitet, bivirkninger): I tredje og sidste fase udføres forsøg i stort omfang med mange frivillige (1500-4000 personer), som vil kunne have gavn af lægemidlet. Lægemidlet gives i de doser, som man tidligere har fundet passende. I løbet af forsøget går forsøgspersonerne til kontrol hos deres egen læge, hvor de rapporterer om bivirkninger. Denne undersøgelse giver mulighed for at se, om lægemidlet giver sjældne bivirkninger, dvs. bivirkninger hos nogle få af forsøgspersonerne.
• Fase 4: I denne fase er lægemidlet godkendt af myndighederne og vil nu kunne bruges til behandling af sygdommen. I denne fase laves der tit forsøg, hvor lægemidlet sammenlignes med allerede eksisterende behandlinger.

Figur 21. Oversigt over faserne i lægemiddeltest.

De meget omfattende undersøgelser, som skal udføres gennem de kliniske faser, gør det meget kostbart at udvikle lægemidler. Udviklingen af et nyt lægemiddel er estimeret til at koste omkring 800 mio. dollars. Selv om et lægemiddel kommer på gaden, kan det stadig blive taget af hylderne, hvis det ikke fungerer efter hensigten. Ligesom det var tilfældet med thalidomid. Efter endelig godkendelse og etablering på markedet holdes der altså stadig øje med nyopståede bivirkninger eller toksiske effekter.