• Aucun résultat trouvé

Heterologous expression systems   for the production of metabolites  

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Partager "Heterologous expression systems   for the production of metabolites  "

Copied!
324
0
0

Texte intégral

(1)

Faculté des Sciences 

Institut de Recherches Microbiologiques 

Heterologous expression systems   for the production of metabolites  

during early drug research  

   

Project verricht met steun van het Vlaams Gewest – IWT   

               

Thèse présentée en vue de l’obtention du grade légal de Docteur en Sciences   

   

Promoteur de thèse: Pr. Dr. L. Droogmans  

Co‐promoteurs de thèse: Pr. Dr. J.‐P. Simon & Dr. H. Bohets 

 

Inneke Wynant 

  2010 

(2)

                                                 

(3)

     

Heterologous expression systems for the production of metabolites  during early drug research 

 

Thèse privée soutenue le 23 juin 2010, à Gosselies 

Thèse publique soutenue le 30 septembre 2010, à Gosselies 

 

Composition du jury: 

Président du jury:    Pr. Dr. E. Pays, ULB  Vice‐président du jury:  Pr. Dr. O. Leo, ULB 

Secrétaire du jury:    Pr. Dr. A. M. Marini, ULB  Promoteur de thèse:    Pr. Dr. L. Droogmans, ULB  Co‐promoteur de thèse:   Dr. H. Bohets, J&J 

Co‐promoteur de thèse:   Pr. Dr. J.‐P. Simon, UBT 

Rapporteur:      Pr. Dr. E. Dubois, ULB  Rapporteur:       Pr. Dr. V. Kruys, ULB  Expert extérieur:    Dr. M. Vinken, VUB  Expert:       Pr. Dr. P. Fickers, ULB   

 

(4)

                                                 

(5)

Voor Joeri, Dante en Storm

Amor omnia vincit. Liefde overwint alles.

(6)

 

(7)

TABLE OF CONTENTS   

THANKS TO… 

LIST OF ABBREVIATIONS  SUMMARY 

 

INTRODUCTION………..1 

  A.   Facts on drug metabolism      1 

A.1.   Biotransformation of xenobiotics      1 

A.2.   Phase I enzymes and localization      1

 A.3.   Biochemistry of CYP oxidative metabolism      2 

A.4.   Genetics and CYP nomenclature      4 

A.5.   CYP variability       5 

B.   Pharmaceutical Research and Development       7 

B.1.  Drug metabolism studies      7 

B.2.   Reactive drug metabolites      8 

B.3.   Drug metabolite synthesis      10 

B.3.1.  Classical organic chemistry      10 

B.3.2.  Enzymatic synthesis      11 

B.3.3  CYP mimicry      26 

B.4.  Purification of metabolites      26 

B.5.   Conclusion      27 

  SCOPE OF THE THESIS ………28 

  RESULTS ………... 30 

  Experimental outcome………..30 

A.  Recombinant hCYP/HR for metabolite production          30 

  A.1.     Metabolite production on analytical scale      30 

A.1.1.   Recombinant E. coli co‐expressing hCYP3A4/HR      30

    A.1.2.   hCYP3A4/HR plasmid construct       31 

    A.1.3.  Expression for small culture volumes         31 

    A.1.4.  Two biocatalytic systems: cells and cell membranes     32 

    A.1.5   Stability of activity during conservation        32 

(8)

                                                 

(9)

    A.1.6.  Kinetic parameters of recombinant hCYP3A4      32 

A.2.     Metabolite production on preparative scale         33 

A.2.1.  Application of minimal medium      33 

A.2.2.  Stability of plasmid construct and expression potential    35 

A.2.3.  Metabolite production in a controlled fermenter      36 

A.2.1.  Stability of activity during substrate turnover      36 

B.   Flexible multiphasic bioreactor system            37 

  B.1.     Application of organic solvents      37 

    B.1.1.   Biocompatibility      37 

    B.1.2.    Drug partitioning      38 

    B.1.3.  n‐Hexadecane‐diethyl ether mixture in a bioreactor     39 

  B.2.     Application of immobilization       39 

    B.2.1.  Immobilization in Ca‐alginate microbeads        39 

B.2.2.  Initial proliferation and viability in alginate beads      40 

    B.2.3.   hCYP/HR expression in alginate beads        40 

    B.2.4.  Biomass evolution during culture/conservation in alginate beads  41      B.2.5.  Metabolic potential of cells in alginate beads      41 

B.2.6.  Metabolic potential of cell membranes in alginate beads    43 

B.2.7.  Alternative cell immobilization techniques        44 

C.     Case study: Validation of the E. coli bioreactor system         49 

C.1.     Setting the scene: human versus animal metabolism      49 

C.2.    CYP identification      51 

C.3.     Selective metabolite production      51 

C.4.     Preparative purification      52 

  Discussion of results……….…………..……….……. 53 

A.1  Lab‐scale drug metabolite synthesis with recombinant hCYP/HR       53 

A.2.  Preparative metabolite synthesis with recombinant hCYP/HR      56 

B.1.  Biphasic systems for improved drug solubility          58 

B.2.  Immobilized hCYP/HR for metabolite production          58 

C.1.  Validation of selective metabolite biosynthesis using bioreactor technology       64 

  GENERAL DISCUSSION, CONCLUSION & PERSPECTIVES             66   

BIBLIOGRAPHY……….. 

 

(10)

                                                 

(11)

APPENDIX 1: Materials & methods………. 

A.   Cooperation  B.   Molecular biology  C.   Microbiology   D.   Enzymology  

E.  Analytical techniques and statistics  F.  Fermentation technology  

G.  Purification  H.   Drug solubility 

I.   Immobilization in Ca‐alginate microbeads  J.   Alternative immobilization techniques   

APPENDIX 2: Scientific manifestations………. 

(12)

                                                 

(13)

Promoveren is zeker geen solo-aangelegenheid. Dit proefschrift zou dan ook nooit tot stand gekomen zijn zonder hulp. Bijgevolg had ik iedereen willen bedanken die mij de afgelopen jaren gesteund &

geholpen heeft.

Ik wil graag de volgende personen bij naam noemen:

Joeri,

Jij deelde mijn kleinste & grotere successen, maar jij was tevens mijn steun en toeverlaat tijdens de grootste beproevingen. Ik zal onze geanimeerde, nachtelijke discussies niet snel vergeten. Je was steeds liefdevol & je begrip lijkt soms grenzeloos. Dank je, omdat je steeds in mij bent blijven geloven!

Je zorgde tevens voor de nodig ontspanning in mijn spannende & drukke leven. Bovendien schonk jij mij in deze periode twee prachtige zonen, ónze allergrootste prestatie...

Ik heb de afgelopen jaren het geluk gehad om te mogen samenwerken met een aantal veelzijdige &

uiterst bekwame mensen:

Hilde,

Mijn voorbeeld. En een persoon met een warm hart voor haar medewerkers. Jij maakte me enthousiast voor de wondere wereld van drug metabolisme & gaf me de kans hiervoor een nieuwe technologie te ontwikkelen die nu reeds enige tijd zijn vruchten kon afwerpen binnen de vakgroep Drug metabolisme &

Preklinische farmacokinetiek. Het waren een aantal zware jaren, dank je om vol te houden. Jij schonk me de moed en het vertrouwen die ervoor zorgden dat dit project kon afgerond worden met een eervolle verdediging.

Jean-Paul,

Allereerst bedankt om je faciliteiten ter beschikking te stellen van Janssen. En verder, beroemd &

berucht om je scherpte. Je gaf me de nodige inzichten & ideeën om iets te kunnen betekenen. Je leerde me de kneepjes van de fermentatietechnologie & immmobilisatie kennen. Je gaf me de mogelijkheid mijn eigen kennis te toetsen & te delen met talrijke experten in het onderzoeksgebied.

Bovendien heb ik ook genoten van je talrijke jeugdavonturen uit het koloniale Afrika van weleer.

Karel,

Ik zal steeds blijven opkijken naar je genialiteit. Het ga je goed...

Alain,

Dank je voor onze talrijke waardevolle & leerrijke brain-storm sessies. Jij stond bovendien steeds klaar bij het samenstellen van de evaluatierapporten & resulterende publicaties. Ik kan nog veel van je leren.

Geert, Laurent, Mario,

Jullie gaven me de mogelijkheid te werken in een motiverende, professionele omgeving met dagelijks

talrijke uitdagingen & interessante figuren.Elke dag nog mag ik boeiende domeinen ontdekken.

(14)

                                                 

(15)

wil bedanken voor de open & kritische feedback.

Bovendien had ik het genoegen in verschillende laboratoria te mogen werken:

Mijn UBT collega’s,

In het bijzonder, Angela, het was een voorrecht met jou te mogen samenwerken. Dank je voor de fijne

& gezellige (vroege en late) uren. Alhoewel soms de zenuwen gespannen stonden, hebben we heel wat gelachen. En ondanks je eerder technische functie, toonde je tijdens het praktische werk een duidelijke betrokkenheid, grote inzet & onbedwingbaar enthousiasme. We were in it together! Je leerde me bovendien een nieuwe cultuur & oude waarden kennen. Ik zal mijn Spaans blijven oefenen, want hopelijk leiden onze wegen ooit terug naar melkaar. Joseppe en Jean-Pierre, jullie hielden steeds een oogje in het zeil tijdens de fermentatieprocessen, terwijl, Anne-Marie, jij steeds klaarstond voor trouble- shooting tijdens de HPLC analyses. Zineb, Genevieve, Benedicte, Aimee, Sebastien, Xavier, Benjamin, Jeanine, Olivier, Laurent, Marc, Noelle, Elizabeth, Tibaut, jullie zorgden voor de aangename werksfeer

& droegen ertoe bij dat ik elke dag met veel plezier naar het lab vertrok.

Mijn Janssen-collega’s,

Jullie droegen belangeloos bij tot deze realisatie. Dank je, Ellen, mijn oprechte waardering. Het is fijn de passie voor metaboliet synthese te kunnen delen met iemand als jij. Filip & Maarten bedankt voor jullie extra inspanning bij het tot leven wekken van mijn introductie. Een extra uiting van dank gaat ook uit naar Jos, Vincent, Mark, Alex, Dirk, Veronica, Lieve, Helga, Gonda, Hilde & Peter voor jullie ondersteuning. Kelly, An & Veronique, dank je voor inspirerende tijden vol humor. Het is leuk vertoeven met jullie. Aan andere collega’s uit Preklinische farmackinetiek, dank je voor de prettige samenwerking van alledag & de steun tot de laatste loodjes (en die wogen- zoals altijd-het zwaarst). Ik ben blij dat jullie in mijn team zitten!

De mama’s & papa’s wil ik ook nog danken voor hun niet-aflatende interesse in het verloop van het onderzoek. Bovendien gaven jullie mij de kans om te studeren & legden jullie lang geleden reeds de fundamenten die dit proefschrift vandaag mogelijk hebben gemaakt. Dit is mijn kleine wederdienst...

Aan allen, van harte dank je wel!

Inneke

Dit project kon tot stand komen met financiële steun van het Vlaams Gewest-IWT.

(16)

                                                 

(17)

LIST OF ABBREVIATIONS   

δ‐ALA:  δ‐aminolevulinic acid   AscA:  ascorbic acid 

BM:   Bacillus megaterium  BAL:   bioartificial liver  BBB:  blood brain barrier  BSA:  bovine serum albumin  Caco:  cancer colon 

CMC:   carboxymethyl cellulose  CNS:   central nervous system  CHO:   Chinese hamster ovary   CFU:  colony forming units 

CDS:   Chromatography Data System  CYP:   cytochrome P450 

3‐D:  3‐dimensional  DO:  dissolved oxygen  DTT:  dithiotreitol  DMSO:  dimethyl sulfoxide    EC:  electrochemical  ER:  endoplasmic reticulum   E. coli:  Escherichia coli 

EDTA:  ethylene diamine tetra‐acetic acid  EU:   European union 

FIH:  First into Human 

FDA:  Food and Drug Administration  GOI:  gain from investment 

GI:   gastro‐intestinal    G‐6‐P:   glucose‐6‐phosphate 

G‐6‐PD  glucose‐6‐phosphate dehydrogenase   GSH:   glutathione  

HPLC:   high performance liquid chromatography   hCYP:   human cytochrome P450  

HEK:  human embryonic kidney  HLM:   human liver microsomes  HR:   human NADPH CYP reductase   6β‐OHT: 6β‐hydroxytestosterone   ID:  identification 

ICH:   International Conference on Harmonization  IPTG:   isopropyl‐β‐D‐thiogalactopyranoside  

KP:  Kansai Paint 

LC:  liquid chromatography  LSC:  liquid scintillation counting  LLE:   liquid‐liquid extraction  LB:   Luria‐Bertani  

LBA:   Luria‐Bertani with ampicillin  MDCK:  Madin‐Darby canine kidney  MS:  mass spectrometry 

MCB:  Master cell bank   MTB:  modified terrific broth   MWCO:  molecular weight cut‐off  MIST:  Metabolites in Safety Testing  NCE:  new chemical entity  

NMR:  nuclear magnetic resonance  

OD660 optical density at wavelength 660 nm   PD:  pharmacodynamic 

PK:  pharmacokinetic  

PMSF:   phenylmethylsulfonyl fluoride  PhD:  philosophical degree 

PDA:   photo diode array  PGA:   poly galacturonic acid  PVA:  polyvinyl alcohol   PVDF:  polyvinylidene fluoride  POP:  Proof of Principle  ROI:  return on investment  rpm:  rotations per minute  SPE:   solid phase extraction  SD:   standard deviation 

SAR:  structure‐activity relationship  THF:  tetrahydrofurane  

TSE:  Tris‐sucrose‐EDTA  TB:  tuberculosis   UV:   ultraviolet 

UDP:  uridine diphosphate 

UGT:  UDP glucuronosyltransferase  US:  United States 

WT:  wild type  WCB:  Working cell bank  

(18)

                                                 

(19)

SUMMARY   

Biotransformation  of  drug  can  produce  toxic  metabolites;  information  on  metabolites is essential. An "in‐house" biological capacity to produce complex and  in  vivo  relevant  drug  metabolites  using  one  simple  recombinant  human  cytochrome P450 isoenzyme (hCYP) co‐expressed with human reductase (HR) in E. 

coli  cells  was  realized.  Using  fermentation  and  bioreactor  technology  for  propagation  of  cells  and  substrate  bioconversion,  the  scale‐up  of  metabolite  production was successful. Large amounts of functional hCYP3A4/HR complex were  produced by intact cells, while whole cells as well as membranes were suitable as  biocatalyst in a bioreactor system on a preparative scale for fast biosynthesis of  milligram amounts of metabolite. However, the hydrophobic character of many  molecules  frequently  resulted  in  low  solubility  in  the  aqueous  bioconversion  medium. A biphasic bioreactor was created: application of several organic solvents  resulted in a suitable and flexible organic solvent mixture. But, since even the best  tolerated  solvent  system  affected  biocatalysis,  the  biocatalytic  system  was  immobilized in a protective polymer network. Ca‐alginate appeared to be an ideal  immobilization  matrix  for  the  membranes,  displaying  hCYP/HR  functionality  together with the ability to preserve enzyme activity during long time storage. An  appropriate cell immobilization method, that protected the cells but that did not  compromise  their  hCYP/HR  functionality,  was  not  found.  The  combination  of  localization  of  the  functional  hCYP/HR  complex  in  the  inner  membrane  with  reduced  permeability  of  (immobilized)  cells  could  be  a  logical  explanation. 

Meanwhile, this  innovative bioreactor  technology is routinely used to produce 

“human” metabolites for actual drug candidates. The metabolites are successfully  purified,  demonstrating  that  the  technology  is  competitive  with  conventional  procedures and can aid in conscientious decision‐making. Still, recent advances in  enzyme‐,  cell‐  and  reaction‐engineering  are  extremely  exciting.  Re‐engineered  activity and stability open perspectives. For membranes, elimination of expensive  co‐factors would be favorable. Seen the low permeability of cells, free as well as  immobilized, surface expression of hCYP and HR might be considered for future  bioreactor research. Additionally, solvent resistant CYP activity might circumvent  the need for immobilization.  

 

(20)

                                                 

(21)

INTRODUCTION   

The main aim of this thesis was the development and optimization of a bioreactor for  the biological synthesis of milligram amounts of oxidative drug metabolites using a  combination of  

1. enzymatic  bioconversion  with  recombinant  human  cytochrome  P450  (hCYP)/human reductase (HR) enzymes expressed in Escherichia coli (E. coli),  2. fermentation (and immobilization) technology and 

3. purification techniques.  

The bioreactor was designed for innovative use in a drug development setting in the  pharmaceutical industry. 

 

Therefore, this introduction will particularly elaborate on the following: 

‐ Relevant aspects of cytochrome P450 (CYP) related to the optimization of the  bioreactor technology will be described. In addition, the importance of CYP‐

mediated drug metabolism will be demonstrated. Where appropriate, the link  between characteristic features of CYP enzymes and the bioreactor technology  will be highlighted (A). 

‐ The  importance  of  preparative  synthesis  and  purification  of  oxidative drug  metabolites will be illustrated, resulting in an extensive collection of available  techniques to synthesize metabolites, enzymatically as well as non‐enzymatically  (B). 

 

A.  Facts on drug metabolism   

A.1.   Biotransformation of xenobiotics 

Xenobiotics are chemical compounds that are not part of the normal composition of the  human body. The principal route of elimination of xenobiotics from the body is through  biotransformation. Biotransformation of xenobiotics is controlled by metabolic reactions  that can be divided in Phase I and Phase II (conjugations) reactions. Based on their  evolutionary history, many of the enzymes involved in the metabolism of xenobiotics  are principally involved in the metabolism of endogenous compounds such as steroids,  bile and eicosanoids (Parkinson, 2001; Danielson, 2002). 

 

A.2.   Phase I enzymes and localization 

Phase I reactions are functionalization reactions which can be broadly classified into 4  categories: oxidation (epoxidation, peroxidation, heteroatom oxidation and oxidation of  aromatic  rings),  reduction,  hydroxylation  and  oxidative  N‐,  O‐  or  S‐dealkylation 

(22)

                                                 

CYP 

Figure 1:   In eukaryotes, CYPs are membrane bound enzymes (Bernhardt, 2006) mainly  localized in the smooth ER (Werck‐Reichhart and Feyereisen, 2000; Danielson,  2002; Neve and Ingelman‐Sundberg, 2010; Preissner et al., 2010).  

 

(23)

(Danielson, 2002; Baader and Meyer, 2004; Gillam, 2005; Wisniewska and Mazerska,  2009). This divers set of reactions is mainly catalyzed by CYP enzymes, the major  xenobiotic metabolizing enzymes (Parkinson, 1996a). As a result, although also non‐CYP‐

mediated oxidations can play an important role in the metabolism of xenobiotics (Strolin  et al., 2006), Phase I biotransformation of drugs is mainly catalysed by CYP enzymes  (Guengerich, 1993b; Maurel, 1996; Danielson, 2002; Kumar, 2010), with aliphatic and  aromatic hydroxylation (at C‐centres), N‐ and O‐dealkylation, heteroatom oxidation (at  N‐ and S‐centres) and epoxide formation from alkenes and aromatic rings and oxidation  of aldehydes to acids being the most commonly found in human drug metabolism  (Guengerich, 2001a; Gillam, 2005; Isin and Guengerich, 2007; Gillam, 2008). This makes  hCYP  enzymes  extremely  valuable  for  production  of  in  vivo  relevant  oxidative  metabolites by the use of a bioreactor technology. 

 

Since the overwhelming majority of CYPs is localized in mainly liver cells (about 2.5% of  total hepatic microsomal protein), the primary organ of drug metabolism is the liver  (Karlgren et al., 2004; Wilkinson, 2005). The liver thus acts as the gatekeeper of the  body, the more since after absorption in the gut, all orally administered drugs are  transported through the portal vein directly to the liver. However, some CYPs also occur  extra‐hepatically (Parkinson, 1996a; Danielson, 2002; Ding and Kaminsky, 2003; Karlgren  et al., 2004; Wilkinson, 2005; Daly, 2006; McLean et al., 2007).  

 

Subcellularly, in eukaryotes, CYP  are  membrane bound enzymes (Bernhardt, 2006)  mainly embedded in the smooth endoplasmic reticulum (ER) (microsomal type) (Werck‐

Reichhart and Feyereisen, 2000; Danielson, 2002; Neve and Ingelman‐Sundberg, 2010; 

Preissner et al., 2010) (Figure 1). Axelrod (1955) and Brodie et al. (1955) were first to  report on CYP enzymes. Both found that certain xenobiotics were oxidized by an enzyme  system present in the ER of rat liver microsomes. 

 

A.3.   Biochemistry of CYP oxidative metabolism 

In general, the CYP monoxygenase system constitutes a large superfamily of heme‐

thiolate enzymes, which catalyze mainly oxidative conversion reactions of a wide range  of compounds (Porter and Coon, 1991), endogenous and exogenous (Guengerich, 1987; 

Guengerich and Shimada, 1991; Gonzalez, 1992; Danielson, 2002). In a few instances,  however, CYPs also carry out reductions (under anaerobic conditions) or peroxidations  (Blake and Coon, 1980; Estabrook et al., 1984; Marnett and Kennedy, 1995). 

 

Eukaryotic CYPs generally range in length from 480 to 560 amino acids. Even in those  cases where global sequence identity is low, the overall fold topography appears to be  2 

(24)

                                                 

(25)

highly conserved (Sirim  et  al., 2009). Although crystallography  data  on full length  membrane bound  eukaryotic CYPs are  rare, the  big  picture has  emerged  that all  members of the CYP superfamily share a common globular to triangular framework that  consist of a relatively alpha helix‐rich carboxy‐terminal half, a relatively beta sheet‐rich  animo‐terminal half and a 'meander' region. Most of the beta sheets and alfa helices are  thought to lie in roughly the same plane as the protestic heme group. Sequence  alignments feature a number of conserved sequence motifs which play important roles  in for example formation of the enzymes critical oxygen‐binding pocket or formation of  the heme binding decapeptide loop. Further, microsomal CYPs are characterized by a  transmembrane animo‐terminal signal‐anchor sequence, which along with other less  well‐defined hydrophobic contacts, forms a hydrophobic core of 20‐25 residues that  anchor the mature protein to the ER. The signal‐anchor domain is also characterized by  the  presence  of  a group  of highly  basic  residues  at  the  carboxy‐terminus  and  a  negatively charged amino acid near the amino‐terminus. These charged residues are  thought to serve a dual function of facilitating protein folding of microsomal CYP and  ensuring that the anchor domain is properly oriented in the ER. The hydrophobic region  is  followed  by  a proline‐rich  'hinge'  region,  which  imparts  flexibility  between the  transmembrane region and the globular catalytic part of the protein that resides in the  cytosolic region of the cell. This flexibility may be necessary to orient the cytosolic  portion of the molecule with respect to the membrane for substrate access and for  interaction with the appropriate electron transfer partner. For comprehensive  and  systematic comparison of protein sequences and structures, several databases are  established. Most of the databases are interlinked resulting in readily accessible online  biochemical information and provide a valuable tool to navigate in sequence space and  analyze sequence‐structure‐function relationships (Sirim et al., 2009; Preissner et al.,  2010). 

 

Although CYP was initially perceived as a single enzyme, the functional complex consists  of  

  (1) an electron‐transporting protein that contains a heme‐prosthetic group, a  hemoprotein,  where  heme  is  an  iron‐containing  protoporphyrin  IX  liganded  to  a  cysteine thiolate, and the protein is an apoprotein with a molecular mass of 45 000 –  55 000 Da (i.e. CYP, the substrate‐ and O‐binding site). 

  (2) a flavoprotein (NADPH cytochrome P450 reductase or NADH‐cytochrome b5  reductase, the e‐ shuttle) (Smith et al., 1994; Bernhardt, 2006).  Since hCYPs are not self‐

sufficient and E. coli do not possess endogenous reductase activity, coexpression of CYPs  and their redox partners in heterologous expression systems was introduced in order to 

(26)

                                               

Figure 2:  Proposed CYP‐mediated oxidative catalytic reaction cycle involving as well HR,  cofactors and oxygen. 

 

(27)

allow shuttling of electrons (Gillam et al., 1993; Blake et al., 1996; Pritchard, 1997; 

Bernhardt, 2006). The latter E. coli cells were also used to optimize the bioreactor.  

 

While  the  details  of  the  catalytic  cycle  are  still  subject  of ongoing  research,  the  hydroxylation  mechanism  is  well  understood  (Rabe  et  al.,  2008)  and  the  overall  stochiometry of the mixed function oxidase function of CYP is as follows: 

substrate (RH) +O2 +NADPH +H+ → product (ROH) + H2O + NADP+ 

(Ortiz de Montellano, 1989; Sono et al., 1996, Danielson, 2002;  

Gillam, 2005; Bernhardt, 2006)   

Essentially, one oxygen atom of dioxygen is incorporated into the substrate (Parkinson,  1996a), while the other oxygen atom is reduced by two electrons to result in water. 

Therefore, molecular oxygen is an essential requirement for CYP dependent oxidation of  drugs, as is the cofactor NADPH, who usually provides the two electrons needed to  catalyze  activation  of  molecular  oxygen  (Johansson  et  al.,  2007).  Based  on  the  importance of oxygen for CYP‐mediated oxidative drug bioconversion, oxygen is often  the rate limiting factor when applying the bioreactor technology. The oxidative catalytic  cycle is demonstrated in Figure 2.  

 

Additionally,  if  the  catalytic  cycle  is  interrupted  and,  therefore,  not  completed,  uncoupling reactions can occur resulting in the formation of reactive oxygen species  such  as  superoxide  anion  radicals  and/or  hydrogen  peroxide  (Parkinson,  1996a; 

Schenkman and Jansson, 2003; Bernhardt, 2006; Myasoedova, 2008). 

 

Furthermore, phospholipids, important components of biological membranes, are also  necessary  for  the  optimal  interaction  of  hCYP  and  its  electron  transport  partner  reductase (Kumar, 2010). Thus, since E. coli do not possess an ER, but functionality  depends on a lipid environment, hCYP/HR systems are generally directed to the hosts  cell membrane (Figure 3). Additionally, it is imperative that hCYP and HR are close to  each other in the membranar system allowing efficient channeling of the electron  transport in the membrane from HR to hCYP.  

 

For more reading on recent advances on structure, mechanism and biochemistry of CYP  we refer to Ortiz de Montellano, 2005. 

 

A.4.   Genetics and CYP nomenclature 

It is believed that the modern CYP gene superfamily originated from a single ancestral  gene that existed approximately three and a half billion years ago (Danielson, 2002; 

(28)

                     

cytochrome P450  HR e, ...

substrate  metabolite  O2 

out

in   

  cell membrane

       

Figure 3:   Schematic drawing of the membrane topology of E. coli‐expressed CYP and  HR, demonstrating that CYP and HR  are both situated in the  inner  cell  membrane, probably with their catalytic site facing the cytosol (based on  unpublished LINK data; Friedberg et al., 1999; Hanlon et al., 2007; personal  communication D. Leak, Editor of Biocatal Biotrans, 2009). 

(29)

Omura, 2010). The nomenclature system for this superfamily of CYP isoforms, named  after the typical absorption maximum of the reduced CO‐bound complex at 450 nm  (Werch‐Reichhart  and  Feyereisen,  2000;  Danielson,  2002;  Bernhardt,  2006),  was  developed by Nelson et al. in 1996. Based on primary AA sequence homology, the CYP  superfamily is devided in gene families (indicated with an arabic number e.g. CYP3) and  gene subfamilies (indicated by a capital letter e.g. CYP3A). While numerous exceptions  exist, within the same family the CYP proteins share more than 40% protein sequence  homology (Danielson, 2002; Rabe et al., 2008). CYP proteins with a sequence homology  greater than 55% belong to the same subfamily and those that are more than 97% 

identical are considered to represent alleles unless there is evidence to the contrary  (Danielson, 2002). Further, molecular techniques have allowed cloning, expression and  improved characterization (generation of better antibodies, development of molecular  probes) of individual members of CYP subfamilies. Each is indicated with an arabic  number (e.g. CYP3A4, CYP3A5, CYP3A7, CYP3A43, Li et al., 1995; Daly, 2006) and is  numbered sequentially as it is characterized. Each member represents a single gene and  a single protein. 

 

A.5.   CYP variability 

Gene  duplication  remains  the  most  widely recognized  mechanism  responsible  for  driving the expansion and structural and functional diversification of the multigene  family along with the evolution of living organisms (Danielson 2002; Omura, 2010). CYP  are  ubiquitous  enzymes  found  from  archaea  to  humans  (Werck‐Reichhart  and  Feyereisen, 2000;  Danielson, 2002;  Urlacher et al.,  2004; Gillam, 2005).  Over  450  different CYP isoforms have been found in plants, bacteria, insects, yeast and mammals  (Johansson et al., 2007). Although in bacteria some very interesting CYP activities are  found lately (Gillam, 2008; Julsing et al., 2008; Rabe et al., 2008), E. coli lack CYP  enzymes (Wolf, 1999; Guengerich, 2001b). This is one of the traits that make E. coli  extremely attractive for this bioreactor technology, resulting in low background activity  as well as clear metabolic profiles.  

 

The CYPs display a tissue‐ as well as species‐specific expression (Ding and Kaminsky,  2003). Because of these interspecies differences it is discouraged to predict human  oxidative metabolism of a drug based on animal models alone (Wrighton et al., 1993; 

Nedelcheva and Gut, 1994; Ding and Kaminsky, 2003). Additionally, large intra‐species  differences exist in the expression and catalytic capabilities of the CYP enzymes.  

 

In human, 57 putative functional CYP isoenzymes (Meyer, 1996; Danielson, 2002; Miller  et al., 2009; Wisniewska and Mazersk, 2009; Kumar, 2010), divided over 18 families and 

(30)

              CYP2B6 (0,2%) CYP2D6 (2%)      Figure 4:  CYP3A4 is the most important CYP involved in drug metabolism. Left: In human liver the CYP3A4 isoform is most  predominantly present. Right: Most drugs are mainly metabolized by CYP3A4. 

CYP2A6 (4%) CYP2E1 (7%) CYP1A2 (13%) CYP2C (18%) unknown (27%)

CYP3A (29%)

CYP2E1 (1%) CYP1A2 (5%) CYP2C (20%) CYP2D6 (25%) CYP3A (55%)

(31)

43 subfamilies (Danielson, 2002; Preissner et al., 2010), occur. The most important hCYP  isoenzymes are CYP1A2, 2A6, 2B6, 2C, 2D6, 2E1 and 3A (Shimada et al., 1994). The  percentage of different CYP isoforms present in the human liver is displayed in Figure 4. 

Three hCYP gene families CYP1, CYP2 an CYP3 (Ding and Kaminsky, 2003; Karlgren et al.,  2004; Wilkinson, 2005), including especially hCYPs CYP1A2, 2C9, 2C19, 2D6 and 3A4, are  involved in ~95% of the CYP‐mediated metabolism of drugs in clinical use (Wisniewska  and  Mazersk,  2009)  (about  ~75%  of  drug  metabolism  (Lamb  et  al.,  2007)).  The  percentage of CYP isoforms that metabolize existing drugs is given in Figure 4. This  clearly illustrates the importance of CYP3A in drug metabolism. Especially CYP3A4 is  qualitatively and quantitatively the most important CYP involved in drug metabolism  (Wrighton et al., 1996; Anzenbacher and Anzenbacherova, 2001; Danielson, 2002; Daly,  2006;  Sawayama et al., 2009), followed  by  CYP2D6 and CYP2C9  (Wisniewska and  Mazersk, 2009). CYP3A4 and CYP2D6 are responsible for 80% of all CYP‐related drug  metabolism (Guengerich, 2003; Gillam, 2008). Therefore, development of the current  bioreactor technology focused mainly on CYP3A4 activity (and to a lesser extent on  CYP2C9 and CYP2D6).  

 

CYPs are characterized by unique, but broad and frequently overlapping substrate  specificity  and  regio‐  and  stereoselectivity  (Crespi  et  al.,  1993;  Danielson,  2002; 

Wilkinson, 2005), reflecting the wide variety of compounds they have to cope with, thus  underscoring  their  catalytic  versatility  (Danielson,  2002;  Gillam,  2005).  Therefore,  recombinant (human) CYP isoenzymes are particularly valuable for selective generation  of (potentially human‐)specific oxidative metabolites of drugs in development. The  details of the mechanism underlying the unusual substrate diversity of these CYPs are  currently not fully understood (Urlacher et al., 2004).  

 

Finally,  extensive  inter‐  (Danielson,  2002)  and  intra‐individual  differences  in  the  expression and activity of CYP exist. For example, there are no individuals lacking CYP3A,  although high inter‐individual variation (>10‐fold in vivo) is not exceptional (Danielson,  2002; Wilkinson, 2005). These differences are largely caused by environmental factors  such as sex, age (e.g. CYP3A5 and CYP3A7 in human fetal liver; Wilkinson, 1996), diet  (caffeine), hormonal influences, disease state (cirrhosis, hepatitis), drug consumption  (induction and inhibition), chemicals (smoke, alcohol), but also genetic and epigenetic  factors  (genetic  polymorphism:  CYP2C9,  CYP2C19  and  2D6;  London  et  al.,  1996; 

Ingelman‐Sundberg, 2005; Wilkinson, 2005) play an important role (Wrighton et al.,  1996;  Danielson,  2002;  Wilkinson,  2005).  Therefore,  genetic  variations  such  as  polymorphisms and regulatory mechanisms at mainly the transcriptional (Guengerich,  2001b),  but  also  translational  and  posttranslational  (e.g.  mRNA  stabilization,  6 

(32)

                                                Figure 5:  The whole process of drug development takes more than a decade and costs hundreds of millions. During this process the  efficacy of a NCE as well as its safety are rigorously investigated.     

(33)

phosphorylation) levels of these enzymes have been extensively explored (Lim and  Huang, 2008).  Several nuclear receptors (such as the constitutive androstane receptor,  pregnane  X  receptor,  peroxisome  proliferator  activated  receptor alpha,  retinoid  X  receptor alpha, liver X receptor alpha, farnesol X receptor, aryl hydrocarbon receptor  and glucocorticoid receptor) function as key regulators of CYP expression upon binding  of foreign chemical inducers and endogenous hormones, growth factors and cytokines  (Guengerich, 2001b; Zordoky and El‐Kadi, 2009; Yang et al., 2010). Pelkonen et al. (2008)  and Hengstler  and  Bolt  (2008)  provided excellent  articles  on  CYP  regulation  with  emphasis  on  extensive  lists  of  inducers  and  inhibitors  (down‐regulation)  and  a  systematic  survey  of  Yang  et  al.  (2010)  provides  a  comprehensive  view  of  the  functionality,  genetic  control  and  interactions  of  hCYPs.  Another  previously  unappreciated source of genetic variation in drug metabolism are variants  in CYP  oxidoreductase (Hart et al., 2008; Miller et al., 2009).  

 

B. Pharmaceutical Research and Development 

 

The following overview will be presented in: 

Publication: “Metabolite synthesis in drug development: a partnership between biological  and chemical methodologies”, Wynant I., Cuyckens F., Vliegen M., Scheers E., Bohets H. (for  Current Drug Metabolism) (Accepted abstract in Appendix 2, manuscript in preparation). 

 

B.1. Drug metabolism studies 

The history of the pharmaceutical industry shows that many important drugs have been  discovered by a combination of fortuity and luck. Today, however, new chemical entities  (NCEs)  are designed  to  achieve an  improved  efficacy  (pharmacological activity) in  combination with limited side effects (toxicology). A large number of potential NCEs are  generated  via  combinatorial  chemistry  and  high‐throughput  screening  techniques  (Guengerich and MacDonald, 2007). The process of drug development takes more than  a decade and costs hundreds of millions and besides the efficacy of a NCE, its safety is  rigorously investigated (Figure 5). Since lots of drug failures result from lack of efficacy,  toxicity  (Guengerich  and  MacDonald,  2007;  Guengerich,  2008)  and/or  inadequate  pharmacokinetics (PK), the toxicological and PK properties are examined to have a  better understanding of the human drug safety profile. Therefore, it is important to  develop in vitro drug metabolism models which allow rapid and flexible screening of  unfavorable properties from a series of drug candidates (Figure 6). Reactive or toxic  metabolites can be one of the potential cases of failure. Gathering information on  metabolites in an early stage of development helps in judgment of potential safety and  efficacy outcome. 

 

(34)

                                     

Figure 6:   Early  elimination  of  drug  candidates  with  unfavorable  characteristics  is  important in order to facilitate lead optimization and ultimately attempt  reduction in the overall development cost of new drug substances. Bringing  new or better drugs to the market is the main objective of the pharmaceutical  industry, although elimination of drug candidates at an early stage that would  eventually not make it to the clinic is just as important. 

 

(35)

One of the selection criteria in early phase of development (discovery) is the metabolic  stability of a NCE. Therefore, the metabolism is investigated in vitro in the different  toxicological and/or pharmacological animal species and man, supported by in vivo  metabolism  studies  in  animals.  Resulting  data  primarily  give  information  on  the  relevance  of  the  toxicological  and/or  pharmacological  species  and  on  the  (semi‐)quantitative  occurrence  of  potentially  (re)active  and/or  human‐specific  metabolites. Next to the metabolism, data on the enzymes involved in the metabolism  are gathered. Therefore, investigation of the metabolism in human liver microsomes  (HLM) in the presence of specific CYP inhibitors (Halpert et al., 1994; Bourrie et al.,  1996; Guengerich, 1996) and in heterologous expression systems expressing a single  hCYP are conducted (Ono et al., 1996; Guengerich, 1996; Van ‘t Klooster and Lavrijsen,  1997; McGinnity et al., 2000) to identify CYPs involved. Metabolism data allow assessing  the impact of toxicological and pharmacological characteristics of the NCE and can drive  initiation of specific metabolite synthesis. The scope of the current research is the  development of  a bioreactor to produce metabolites. As mentioned before, these  metabolites  are  mainly  needed  to  assess  the  pharmacological  and  toxicological  properties  of  metabolites  formed.  The  basis  of  our  bioreactor  system  is  E.  coli  expressing recombinant hCYP.  

 

B.2. Reactive drug metabolites 

The ultimate goal of xenobiotic metabolism is the ''elimination'' of xenobiotics (Porter  and Coon, 1991; Ioannides, 1996) by altering their physical properties from those  favouring  absorption (lipophylicity)  to those favouring excretion in urine or faeces  (hydrophilicity) (Taavitsainen, 2001; Gillam,  2005). Therefore,  the drug metabolism  reaction cascade generally tends to increase hydrophilicity, which can influence the  pharmaco‐toxicological drug properties. Therefore, biotransformation does not always  stand  for  bioinactivation  or  detoxification,  especially  among  oxidative  reactions  (Blaauboer,  1996).  Numerous  examples  are  known  of  compounds  which  are  biotransformed  into  pharmacologically  or  toxicologically  active  metabolites  (bioactivation) with desirable (prodrugs) or adverse effects, including hepatotoxicity,  cellular  necrosis,  hypersensitivity,  carcinogenicity,  teratogenicity  and  mutagenicity  (Wrighton and Stevens, 1992; Guengerich, 1993a; Park et al., 1995; Blaauboer, 1996; 

Parkinson, 1996a; Friedberg and Wolf, 1996; Parkinson, 2001; Purnapatre et al., 2008)  due to the production of electrophylic species that can react with cellular nucleophiles,  such as glutathione, lipids, DNA and proteins (Gillam, 1998; van Bladeren, 2000). Over  the last few years, several high profile late stage failures and post‐approval drug recalls  caused by toxicity or negative drug‐drug interactions have led to an increased focus on  metabolite studies, including metabolite synthesis. 

(36)

                                                 

(37)

Regulatory documents in this perspective include the Food and Drug Administration  (FDA) guidance for industry on safety testing of drug metabolites, published in February  2008. The guidance mainly focuses on Phase I metabolites. The guidance provides  recommendations to industry on how to deal with safety of drug metabolites (MIST or  Metabolites in Safety Testing) and especially deals with human unique metabolites, i.e. 

metabolites which are not present in the toxicology species used to support the clinical  development program. Disproportionately higher levels in humans than in any of the  animal species used during standard nonclinical toxicology testing are discussed as well. 

Based  on  the  FDA  guidance,  coverage  of  a  human  metabolite  (and  nonclinical  characterization) is only warranted in the toxicity studies when that metabolite is  observed at exposures greater than 10% of the total parent drug at steady state  concentration. This guidance triggered a lot of discussions as referred to in the following  review articles: Smith and Obach, 2005; Vishwanathan et al., 2009; Smith et al., 2009; 

Leclercq et al., 2009; Frederick and Obach, 2010. One of the major concerns by the  different scientists authoring the reviews and by industry was the “10% of parent drug  AUC exposure rule and the lack of dose relationship”. Further discussions between  industry  and  regulators  resulted  in  an  updated  International  Conference  on  Harmonization (ICH) M3 (R3) guidance “Non‐clinical safety studies for the conduct of  human clinical trials and marketing authorization for pharmaceuticals.” The guidance is  intended to be applicable in the EU, Japan and the US and is less conservative compared  to  the  MIST  guidance  of  FDA.  In  the  M3  guidance  coverage  (and  nonclinical  characterization) of human metabolites only needs to be assessed for compounds with a  recommended daily dose exceeding 10 mg with metabolites at exposures greater than  10% of total drug‐related material and at significantly greater levels in humans than the  maximum exposure seen in the toxicity studies. 

Pharmacological  activity  and/or  toxicity  of  metabolites  can  be  put  into  different  categories as described by Park et al. (1998). The different categories and how to put  this in the context of MIST was further discussed in the review of Frederick and Obach  (2010). Some examples of drugs with metabolites that can potentially result in toxicity  are acetaminophen, clozapine, carbamazepine, troglitazone (Park et al., 2009; Smith and  Obach, 2006). Still clinical relevance of toxic metabolites will depend on specific clinical  situations. Acetaminophen is seen as a safe drug in clinical use but can result in severe  hepatotoxicity at overdose. Reactive metabolites which are not trapped by glutathione  is one of the causes of this type of toxicity. Troglitazone was withdrawn from the market  due to safety issues. Examples of drugs with active metabolites, such as atorvastatin,  amitryptyline (active metabolite nortriptiline) codeine (active metabolite morphine),  propranolol, risperidone, tolbutamide, loratidine, zolmitriptan, tramadol are described  in reviews of Gad (2003), Fura (2006) and Smith and Obach (2005, 2009). Both the  9 

(38)

                                                 

(39)

occurrence  of  reactive  or  active  metabolites  can  significantly  affect  the  drug  development process, both in terms of developmental activities and cost. As mentioned  earlier, it is therefore important to understand the specific features of a metabolite in  an early phase of development. The CYP bioreactor technology can play a major role in  this process.   

 

B.3. Drug metabolite synthesis 

These documents state that already in the early phase of development of a NCE,  information about the identity and pharmacological or toxicological activity of drug  metabolites can be useful in the further development process. Therefore, sufficient  amounts (in the order of milligrams) of drug metabolites are desired (Kumar, 2010): 

1) to identify metabolite structure via Nuclear Magnetic Resonance (NMR),  2) to screen the metabolites for their pharmacological activity, 

3) as reference material for the optimization of bioanalytical methods,  4) for screening in receptor binding studies, 

5) for PK tests (such as drug‐drug interaction studies at the level of CYP) and  6) for in vitro investigation of potential (cyto)toxicity

7) data on drug metabolites will be used for selection of the toxicological species  and 

8) to support regulatory filings.

Early identification (ID) of potential therapeutic problems related to drug metabolites is  vital  to  drive  a  more  profound  evaluation  of  metabolite  safety  and  reduce  the  development costs of NCEs.

 

B.3.1. Classical organic chemistry 

Hitherto drug metabolites are still mainly produced by traditional chemical synthesis  because this approach generally allows large quantities to be synthesized. However,  depending on the nature of the metabolite, this process is often time consuming,  frequently in the order of weeks or even months and expensive, depending on the raw  materials. The technique is extra complicated when dealing with a chiral mixture and/or  when several steps are involved, requiring development of specific purification methods  (Griffin  et  al.,  1998).  Additionally,  the  exact  structure  of  the  metabolite  to  be  synthesized is not always known from previous in vitro and in vivo experiments reducing  chemical synthesis often to a play of trial and error. Sometimes it is simply impossible to  produce metabolites by chemical synthesis (Zöllner et al., 2010). Complementary to  chemical synthesis, stress‐induced degradation of product to generate drug metabolites  is currently gaining more interest, since some metabolites are sometimes also formed 

10 

(40)

 

Table 1:   General advantages and limitation of in vitro liver preparations, adopted from  Guillouzo, 1998. 

 

(41)

during natural degradation, although generally in smaller amounts. Further reading is  supplied in Appendix 2. 

B.3.2. Enzymatic synthesis 

Since animals provide the most physiologically relevant test system for evaluation of  drug metabolism (Tingle and Helsby, 2006), isolation and purification of metabolites  from animal biological fluids (excreta such as urine, faeces and bile and blood or plasma)  and tissues (e.g. liver, brain), following in vivo studies, has been common practice for  decades.  Some  of  the  possible  limitations  are  difficult  purification  from  complex  matrices resulting in considerable losses, need for human‐specific metabolites and  insufficient yield of one particular metabolite due to multiple metabolic pathways. 

Therefore, although a combination of in vivo animal and in vitro human studies will  remain a foreseeable future (Tingle and Helsby, 2006), a whole area of alternative in  vitro methods are used to evaluate human drug metabolism. Since this domain is too  extensive to describe in detail, we will give a brief overview of interesting in vitro  models  to  study  drug  metabolism  (not  drug‐drug  interaction)  and  mimic  human  metabolism  and  their  respective  evolutions,  but  especially  elaborating  on  drug  metabolite  synthesis. Well‐established  methods using  biological  matrices  are  liver‐

derived models and pure enzymes: 

 

Liver‐derived models 

Since the liver is the key organ involved in drug biotransformation (Lohmann and Karst,  2008), human liver tissues (from liver subcellular fractions, cultured hepatocytes, liver  slices to perfused liver, Table 1) are valuable in vitro models for drug metabolism studies  (Donato et al., 2008). Although all kinds of cell‐based assays are beginning to replace  traditional liver subcellular fractions (Sinz and Kim, 2006), liver microsomes are still used  extensively as one the simplest forms (Tingle and Helsby, 2006). A recent review on the  essential role of HLM in in vitro metabolism of drugs was written by Asha and Vidyavathi  (2009). For complex metabolite profiles involving sequential or competing pathways,  freshly isolated hepatocytes, mainly primary hetapocyte cultures, are of important value  (Allen et al., 2005; Tingle and Helsby, 2006) to qualitatively predict in vivo metabolic  profiles (Marianthi et al., 2009) but are also the “gold standard” to study induction (Sinz  and Kim, 2006). Since the optimization of precision‐cut technology, freshly isolated liver  slices  ‐where the physiological liver micro‐architecture is maintained (Vermeir et al.,  2005)‐ can be added to the battery of in vitro assays of drug metabolism (Thohan and  Roosen, 2002; Gebhardt et al., 2003). Together with perfused liver, these systems can  be used for short time studies (Allen et al. 2005). Besides all being very interesting test  systems, in vitro phenotypic instability of hepatocytes, high functional variability in the  11 

(42)

                                                 

Références

Documents relatifs

By constructing an infinite graph-directed iterated iterated function system associated with a finite iterated function system, we develop a new approach for proving

The logarithmic Minkowski problem asks for necessary and sufficient conditions for a finite Borel measure on the unit sphere so that it is the cone-volume measure of a convex

A Critical Analysis of Husserlian Phenomenology in IS Research and IS Development: The Case of Soft

It was also realized that although mass blood testing was still effective in detecting and bringing to treatment syphilis cases in the reservoir, the venereal-

Keywords: Dynamical systems; Diophantine approximation; holomorphic dynam- ics; Thue–Siegel–Roth Theorem; Schmidt’s Subspace Theorem; S-unit equations;.. linear recurrence

Verpaelst is a friend of Maude Laliberté, Section editor at BioéthiqueOnline; Ms Laliberté was not involved in the evaluation of this

An algebraic variety can be described as the set of points in C m satisfying certain equations with algebraic coefficients; and this is a subset of the algebraic variety given by

To address this question we investigated the protein interfacial composition and the stability of dairy emulsions reconstituted with 30% milk fat and 3 to 6%