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

Studies ¡on ¡the ¡Biological ¡Ac2vity ¡ of ¡HNO ¡ The ¡Development ¡of ¡an ¡Interac2on ¡ between ¡Academia ¡and ¡Industry ¡ Partially supported by the CSUPERB ENTREPRENEURIAL JOINT VENTURE MATCHING GRANT PROGRAM with Cardioxyl Pharmaceuticals ¡

¡ The ¡Fukuto ¡lab ¡and ¡Cardioxyl ¡ ¡ Fukuto ¡lab ¡(1989 ¡– ¡present) : ¡ ¡Interested ¡in ¡the ¡chemical ¡biology ¡ of ¡small-­‑molecule ¡signaling ¡ ¡agents ¡(NO, ¡CO, ¡H 2 S ¡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. ¡ Science, ¡vol ¡258, ¡1992 ¡ ¡ NO ¡biosynthesis ¡discovered ¡to ¡be ¡a ¡result ¡of ¡enzyma2c ¡oxida2on ¡of ¡L-­‑ arginine. ¡ ¡Three ¡dis2nct ¡ ¡enzymes ¡reported ¡and ¡characterized. ¡ N + H 2 H 2 N H 2 N O H 2 N NOH NH NH NH ? ? + NO H 3 N + COO - H 3 N + COO - H 3 N + COO - Arginine N-Hydroxyarginine (NOHA) Citrulline

Further ¡work ¡ 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? ¡ ¡ ¡ ¡ V IV III II I -I -III ¡ +2e - +e - +e - +e - +2e - +2e - NO 3- NO 2 NO 2- NO HNO NH 2 OH NH 3 ¡ -2e - -e - -e - -e - -2e - -2e - ¡ O 2- ¡ ¡ ONOO - 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 ¡(pK a , ¡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 . ¡ ¡

Effect ¡of ¡HNO ¡on ¡the ¡Failing ¡ ¡Heart ¡ Dobutamine ¡( β -­‑agonist) ¡ Levosimendan ¡ ¡ HNO ¡ ¡ Milrinone ¡(PDE ¡inhibitor) ¡ ¡ (Ca 2+ ¡sensi2zer) ¡ ¡ Inotropy ¡ ¡ ` ¡ In ¡CHF ¡ Load ¡reduc2on ¡ Improved ¡ relaxa2on ¡ Increase ¡ ¡ In ¡HR ¡ Proarrhythmic ¡ effects ¡

Reac2ons ¡of ¡HNO ¡with ¡Thiols ¡ HNO is electrophilic as evidenced by its reaction with thiols. HNO + RSH → RSNHOH → etc. OH .. H + RS + HNO + RSH + H 2 O RS N NH H RSH O OH RSSR + NH 2 OH -H + R S + R S NH 2 NH 2 4-electron oxidation in one step! Doyle ¡et ¡al., ¡JACS, ¡110, ¡593-­‑599, ¡1988. ¡ Wong ¡et ¡al., ¡Biochemistry, ¡37, ¡5362-­‑5371, ¡1998 ¡ Bartberger ¡et ¡al., ¡PNAS, ¡98, ¡2194-­‑2198, ¡2001 ¡ ¡

Presumed ¡Mechanism ¡of ¡Ac2on ¡ HNO ¡acts ¡as ¡a ¡Ca 2+ ¡cycling ¡enhancer ¡– ¡all ¡targets ¡are ¡ thiol ¡proteins! ¡

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 ¡Ca 2+ ¡(muscle ¡contracts ¡at ¡lower ¡Ca 2 + ¡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 ¡ Greater ¡SVI ¡(stroke ¡volume ¡index) ¡ and ¡CI ¡(cardiac ¡index) ¡ “The ¡combina2on ¡of ¡effects ¡ differen2ates ¡HNO ¡donors ¡from ¡ other ¡classes ¡of ¡inotropes ¡or ¡ inodilators ¡and ¡provides ¡a ¡strong ¡ ra2onale ¡for ¡con2nuing ¡studies ¡ to ¡develop ¡donors ¡with ¡ op2mized ¡pharmacological ¡and ¡ clinical ¡efficacy ¡for ¡the ¡treatment ¡ of ¡conges2ve ¡HF.” ¡

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. ¡ ¡