Studies on the Biological Ac2vity of HNO The Development - - PowerPoint PPT Presentation

Studies ¡on ¡the ¡Biological ¡Ac2vity ¡

• f ¡HNO ¡

Partially supported by the CSUPERB ENTREPRENEURIAL JOINT VENTURE MATCHING GRANT PROGRAM with Cardioxyl Pharmaceuticals ¡

The ¡Development ¡of ¡an ¡Interac2on ¡ between ¡Academia ¡and ¡Industry ¡

¡The ¡Fukuto ¡lab ¡and ¡Cardioxyl ¡ ¡

Fukuto ¡lab ¡(1989 ¡– ¡present): ¡ ¡Interested ¡in ¡the ¡chemical ¡biology ¡

• f ¡small-­‑molecule ¡signaling ¡ ¡agents ¡(NO, ¡CO, ¡H2S ¡and ¡related/

derived ¡species). ¡ ¡1989-­‑2008 ¡in ¡the ¡Department ¡of ¡Pharmacology ¡ at ¡UCLA, ¡2008-­‑present ¡in ¡the ¡Chemistry ¡Department ¡at ¡SSU. ¡ ¡ Cardioxyl ¡(2005 ¡– ¡present): ¡ ¡Small ¡biopharma ¡startup ¡company ¡ (funded ¡by ¡venture ¡capital) ¡developing ¡therapeu2c ¡agents ¡to ¡ treat ¡heart ¡failure ¡(more ¡described ¡later). ¡

Started ¡with ¡a ¡new, ¡"hot" ¡field ¡of ¡research ¡

1989-­‑1992: ¡Interest ¡in ¡the ¡biology/physiology ¡of ¡nitric ¡oxide ¡(NO) ¡was ¡at ¡ its ¡peak. ¡ ¡NO ¡was ¡discovered ¡to ¡be ¡involved ¡in ¡numerous ¡physiological ¡ func2ons: ¡ ¡ ¡a. ¡Controls ¡vascular ¡tone. ¡ ¡b. ¡Involved ¡in ¡the ¡immune ¡system. ¡ ¡c. ¡Present ¡in ¡the ¡CNS. ¡ ¡d. ¡Other ¡func2ons. ¡ ¡ NO ¡biosynthesis ¡discovered ¡to ¡be ¡a ¡result ¡of ¡enzyma2c ¡oxida2on ¡of ¡L-­‑

• arginine. ¡ ¡Three ¡dis2nct ¡ ¡enzymes ¡reported ¡and ¡characterized. ¡

NH N+H2 H2N H3N+ COO- NH NOH H2N H3N+ COO- NH O H2N H3N+ COO- Citrulline

? ?

+ NO N-Hydroxyarginine (NOHA) Arginine

Science, ¡vol ¡258, ¡1992 ¡

1990: ¡ ¡Began ¡to ¡study ¡the ¡chemistry ¡of ¡NO ¡biosynthesis. ¡ ¡Chemical ¡studies ¡indicated ¡that ¡ monooxygena2on ¡of ¡arginine ¡led ¡primarily ¡to ¡HNO ¡(not ¡NO) ¡genera2on. ¡ ¡Could ¡HNO ¡be ¡ the ¡product ¡of ¡the ¡enzyme? ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 1991-­‑1992: ¡ ¡Proposed ¡that ¡HNO ¡could ¡be ¡biosynthesized ¡by ¡the ¡enzyme ¡that ¡presumably ¡ made ¡NO. ¡ ¡Examined ¡the ¡biological ¡ac2vity ¡of ¡HNO ¡and ¡compared ¡it ¡to ¡NO. ¡ ¡ 1992 ¡– ¡2000: ¡ ¡Studied ¡the ¡chemistry ¡and ¡biological ¡ac2vity ¡of ¡HNO. ¡ ¡Established/defined ¡ many ¡of ¡the ¡chemical ¡proper2es ¡of ¡HNO ¡(pKa, ¡reduc2on ¡poten2al, ¡thiol ¡reac2vity, ¡etc.) ¡ as ¡well ¡as ¡cardiovascular ¡effects. ¡ ¡Began ¡collabora2ng ¡extensively ¡with ¡other ¡labs ¡ interested ¡in ¡the ¡biological ¡ac2vity ¡of ¡NO/HNO ¡-­‑ ¡Dave ¡Wink( ¡NCI), ¡Naz ¡Paolocci/David ¡ Kass ¡(JHU). ¡ ¡ ¡ 2001 ¡– ¡2003: ¡ ¡Paolocci, ¡Kass ¡and ¡Wink ¡find ¡that ¡HNO ¡is ¡a ¡potent ¡inotropic ¡and ¡lusitropic ¡ species ¡with ¡ac2vity ¡that ¡is ¡unrelated ¡to ¡NO. ¡ ¡Other ¡labs ¡(Toscano, ¡JHU) ¡made ¡HNO ¡ donors ¡for ¡possible ¡use ¡as ¡inotropic ¡or ¡lusitropic ¡agents. ¡ ¡It ¡is ¡reported ¡that ¡the ¡ mechanism ¡of ¡ac2on ¡of ¡HNO ¡is ¡novel, ¡dis2nct ¡from ¡other ¡cardiovascular ¡agents ¡and ¡ potent ¡in ¡vivo. ¡ ¡

Further ¡work ¡

+2e-

• 2e-

+e-

• e-

+e-

• e-

+e-

• e-

+2e-

• 2e-

+2e-

• 2e-

V IV III II I -I -III ONOO- NO3- NO2 NO2- NO HNO NH2OH NH3 O2-

HNO ¡ ¡

Levosimendan ¡ ¡ (Ca2+ ¡sensi2zer) ¡ ¡

Dobutamine ¡(β-­‑agonist) ¡ Milrinone ¡(PDE ¡inhibitor) ¡ ¡ Load ¡reduc2on ¡ Improved ¡ relaxa2on ¡

Increase ¡ ¡ In ¡HR ¡

Proarrhythmic ¡ effects ¡

` ¡

Inotropy ¡ ¡ In ¡CHF ¡

Effect ¡of ¡HNO ¡on ¡the ¡Failing ¡ ¡Heart ¡

Doyle ¡et ¡al., ¡JACS, ¡110, ¡593-­‑599, ¡1988. ¡ Wong ¡et ¡al., ¡Biochemistry, ¡37, ¡5362-­‑5371, ¡1998 ¡ Bartberger ¡et ¡al., ¡PNAS, ¡98, ¡2194-­‑2198, ¡2001 ¡ ¡

Reac2ons ¡of ¡HNO ¡with ¡Thiols ¡

RS N OH H RS+ NH R S+ NH2 OH R S NH2 O HNO is electrophilic as evidenced by its reaction with thiols. HNO + RSH → RSNHOH → etc. HNO + RSH

..

+ H2O

H+

• H+

RSH RSSR + NH2OH

4-electron oxidation in one step!

HNO ¡acts ¡as ¡a ¡Ca2+ ¡cycling ¡enhancer ¡– ¡all ¡targets ¡are ¡ thiol ¡proteins! ¡

Presumed ¡Mechanism ¡of ¡Ac2on ¡

HNO ¡and ¡Heart ¡Failure ¡

The ¡data ¡indicate: ¡ ¡ 1. ¡HNO ¡is ¡a ¡potent ¡inotropic ¡agent ¡(increased ¡contrac2ility) ¡ 2. ¡HNO ¡is ¡also ¡a ¡lusitropic ¡agent ¡(increased ¡relaxa2on) ¡ 3. ¡Sensi2zes ¡cardiac ¡2ssue ¡to ¡Ca2+ ¡(muscle ¡contracts ¡at ¡lower ¡Ca2+ ¡levels) ¡ 4. ¡Only ¡moderate ¡arterial ¡dilator ¡with ¡significant ¡venous ¡dila2on. ¡ 5. ¡Does ¡not ¡increase ¡metabolic ¡demand. ¡ 6. ¡Does ¡not ¡elicit ¡tachycardia ¡(heart ¡rate). ¡ ¡ ¡

¡ This ¡appears ¡to ¡be ¡the ¡perfect ¡drug ¡for ¡heart ¡failure! ¡ ¡ ¡

Academic ¡environment ¡not ¡ideal ¡for ¡drug ¡development ¡ ¡

HNO ¡and ¡Cardioxyl ¡

• 1. ¡ ¡Cardioxyl ¡founded ¡by ¡Paolocci, ¡Kass ¡and ¡Toscano ¡in ¡2005. ¡ ¡Funded ¡by ¡venture ¡

capital ¡(14.5 ¡million). ¡ ¡

• 2. ¡ ¡Ini2ates ¡Phase ¡I/IIa ¡clinical ¡trials ¡in ¡2009 ¡with ¡a ¡proprietary ¡HNO-­‑donor. ¡

¡

• 3. ¡ ¡Announces ¡posi2ve ¡results ¡in ¡2010 ¡at ¡Na2onal ¡mee2ng. ¡

¡

• 4. ¡ ¡Dose ¡ranging ¡studies ¡started ¡in ¡2010. ¡

¡

• 5. ¡ ¡In ¡2012 ¡Cardioxyl ¡gets ¡second ¡round ¡of ¡funding ¡(28 ¡million) ¡

¡

• 6. ¡ ¡Cardioxyl ¡publishes ¡clinical ¡findings ¡ ¡(Circ ¡Heart ¡Fail. ¡2013;6:1250-­‑1258). ¡

¡

• 7. ¡ ¡Clinical ¡trials ¡for ¡second ¡genera2on ¡HNO-­‑donor ¡started ¡in ¡2014. ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Results ¡of ¡study ¡

“The ¡combina2on ¡of ¡effects ¡ differen2ates ¡HNO ¡donors ¡from ¡

• ther ¡classes ¡of ¡inotropes ¡or ¡

inodilators ¡and ¡provides ¡a ¡strong ¡ ra2onale ¡for ¡con2nuing ¡studies ¡ to ¡develop ¡donors ¡with ¡

• p2mized ¡pharmacological ¡and ¡

clinical ¡efficacy ¡for ¡the ¡treatment ¡

• f ¡conges2ve ¡HF.” ¡

Greater ¡SVI ¡(stroke ¡volume ¡index) ¡ and ¡CI ¡(cardiac ¡index) ¡

Con2nuing ¡work ¡with ¡Fukuto ¡lab ¡on ¡possible ¡ endogenous ¡HNO ¡biosynthesis ¡

• 1. ¡ ¡All ¡pharmacological ¡data ¡point ¡to ¡possible ¡endogenous ¡genera2on ¡of ¡

HNO ¡(potency, ¡specific ¡targets, ¡no ¡toxicity, ¡no ¡apparent ¡side-­‑effects, ¡etc.). ¡ ¡

• 2. ¡ ¡Previous ¡studies ¡in ¡lab ¡indicate ¡possible ¡amino ¡acid ¡(not ¡arginine) ¡

precursor ¡for ¡possible ¡HNO ¡biosynthesis. ¡ ¡

• 3. ¡ ¡Chemistry/biochemistry ¡make ¡sense. ¡ ¡ ¡

If ¡HNO ¡is ¡an ¡endogenously ¡generated ¡signaling ¡agent ¡made ¡to ¡help ¡ regulate/protect ¡the ¡cardiovascular ¡system, ¡then ¡developing ¡HNO ¡donors ¡ as ¡treatments ¡for ¡heart ¡failure ¡becomes ¡significantly ¡easier. ¡ ¡

What ¡were ¡the ¡key ¡factors ¡in ¡the ¡forma2on ¡of ¡this ¡academic-­‑ industry ¡rela2onship? ¡(my ¡perspec2ve) ¡

• 1. ¡ ¡Pharmacology: ¡ ¡A ¡great ¡field ¡of ¡study ¡for ¡those ¡wan2ng ¡to ¡develop ¡therapeu2c ¡

agents, ¡therapeu2c ¡strategies, ¡do ¡work ¡with ¡clinical ¡relevance, ¡etc. ¡ ¡Will ¡learn ¡aspects ¡

• f ¡drug ¡ac2on, ¡drug ¡metabolism, ¡pharmacokine2cs, ¡integrated ¡physiology, ¡etc. ¡

¡ ¡

• 2. ¡ ¡Field ¡of ¡Study: ¡ ¡This ¡was ¡a ¡new ¡(hot) ¡field, ¡albeit ¡risky. ¡ ¡Linle ¡was ¡known ¡and ¡all ¡

mechanism ¡of ¡biological ¡ac2on ¡were ¡new. ¡ ¡Allows ¡for ¡the ¡genera2on ¡of ¡intellectual ¡ property ¡– ¡a ¡key ¡to ¡securing ¡funding, ¡support ¡and ¡successful ¡commercializa2on ¡(CSU ¡ system ¡needs ¡to ¡be ¡aware ¡of ¡this ¡and ¡have ¡mechanisms ¡in ¡place ¡to ¡facilitate ¡intellectual ¡ property ¡rights). ¡ ¡ ¡

• 3. ¡ ¡Dissemina2on ¡of ¡the ¡science: ¡ ¡Industry ¡will ¡find ¡the ¡science ¡if ¡it's ¡out ¡there ¡to ¡find. ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

¡

• 4. ¡ ¡Novelty: ¡In ¡this ¡case, ¡biological ¡ac2vity ¡was ¡important ¡but ¡the ¡novel ¡mechanism(s) ¡
• f ¡ac2on ¡and ¡new ¡small ¡molecule ¡compounds ¡gave ¡this ¡important ¡"patentability". ¡ ¡ ¡

¡

• 5. ¡ ¡The ¡science: ¡ ¡This ¡is ¡always ¡paramount. ¡ ¡The ¡science ¡must ¡be ¡strong, ¡credible, ¡

reproducible, ¡defendable, ¡etc. ¡ ¡This ¡is ¡especially ¡true ¡in ¡the ¡area ¡of ¡drug ¡development. ¡ ¡

Importance ¡of ¡preclinical ¡data ¡

Open ¡2mes, ¡drug ¡development ¡programs ¡come ¡out ¡of ¡the ¡scien2fic ¡

• literature. ¡ ¡Academic ¡researchers ¡examining ¡therapeu2cally ¡useful ¡

pathways, ¡compounds ¡or ¡strategies ¡need ¡to ¡be ¡aware ¡of ¡this ¡and ¡publish ¡ with ¡this ¡in ¡mind. ¡ ¡

Recent ¡study ¡on ¡scien2fic ¡reproducibility ¡

Begley ¡and ¡Ellis, ¡Nature, ¡483, ¡531-­‑533 ¡(29 ¡March ¡2012) ¡ Knowing ¡that ¡the ¡development ¡of ¡cancer ¡drugs ¡relies ¡heavily ¡on ¡the ¡ literature, ¡especially ¡with ¡regards ¡to ¡new ¡targets ¡and ¡biology, ¡they ¡tested ¡ the ¡reproducibility ¡of ¡53 ¡"landmark" ¡studies. ¡ ¡Only ¡6/53 ¡(11%) ¡studies ¡ were ¡deemed ¡reproducible ¡enough ¡to ¡drive ¡a ¡drug ¡development ¡

• program. ¡

"Unques2onably, ¡a ¡significant ¡contributor ¡to ¡ failure ¡in ¡oncology ¡trials ¡is ¡the ¡quality ¡of ¡ published ¡preclinical ¡data." ¡ ¡

Perpetua2on ¡of ¡ques2onable ¡science ¡

"Some ¡non-­‑reproducible ¡preclinical ¡papers ¡had ¡spawned ¡an ¡en2re ¡field, ¡ with ¡hundreds ¡of ¡secondary ¡publica2ons ¡that ¡expanded ¡on ¡elements ¡of ¡ the ¡original ¡observa2on, ¡but ¡did ¡not ¡actually ¡seek ¡to ¡confirm ¡or ¡falsify ¡its ¡ fundamental ¡basis." ¡ ¡

Journal ¡rank ¡and ¡credibility? ¡

Important ¡points ¡for ¡the ¡CSU ¡ ¡

1. ¡Basic ¡research ¡of ¡this ¡type ¡is ¡amenable ¡to ¡a ¡primarily ¡undergraduate ¡ ¡ins2tu2on ¡with ¡talented ¡undergraduate ¡students. ¡ ¡ 2. ¡CSU ¡needs ¡to ¡be ¡aware ¡of ¡the ¡importance ¡of ¡the ¡intellectual ¡property ¡that ¡ ¡comes ¡out ¡of ¡research. ¡ ¡ 3. ¡Dissemina2on ¡of ¡the ¡work ¡is ¡essen2al ¡(publica2on, ¡mee2ng ¡presenta2ons, ¡ ¡etc.). ¡ ¡If ¡important, ¡it ¡can ¡be ¡found. ¡ ¡ 4. ¡The ¡quality/reproducibility ¡of ¡the ¡work ¡is ¡paramount. ¡ ¡Valuable ¡lesson ¡for ¡ ¡young ¡students. ¡ ¡