Defining Adequate Vitamin D Intake : Cross-sectional and Intervention Studies

D-vitamiini ylläpitää normaalia luun kasvua ja uudistumista koko elämän ajan. Suomessa, kuten monissa muissakin länsimaissa, väestön D-vitamiinitilanne on riittämätön – talvisin osalla jopa puutteellinen. Tässä väitöskirjassa on tutkittu, lisääkö D-vitamiini luumassan kertymistä kasvuiässä, ja ylläpitäkö D-vitamiini luuston tasapainoista aineenvaihduntaa aikuisiällä. Nämä vaikutukset saattavat ehkäisi osteoporoosin kehittymistä eri ikäkausina. Väitöskirjatyössä tutkittiin erisuuruisten D-vitamiinilisäysten vaikutuksia kolmessa eri ikäryhmässä, jotka olivat 11-12 -vuotiaat tytöt (N=228), 21-49 -vuotiaat miehet (N=54) ja 65-85 -vuotiaat naiset (N=52). Tutkittavat satunnaistettiin ryhmiin, jotka nauttivat joko lumevalmistetta tai 5-20 µg D3-vitamiinia vitamiinilisänä. Tutkimukset olivat kaksoissokkoutettuja. Tutkimuksen aikana tutkittavilta otettiin paastoveri- ja virtsanäytteitä. Lisäksi he täyttivät tutkimuslomakkeen taustatietojen kartoittamiseksi sekä frekvenssikyselylomakkeen kalsiumin ja D-vitamiinin saannin selvittämiseksi. Tyttöjen luunmineraalitiheys (BMD) mitattiin DXA–laitteella ja miesten volumetrinen luuntiheys pQCT-menetelmällä. Näytteistä määritettiin mm. seerumin 25-hydroksi-D-vitamiinin (=S-25-OHD), lisäkilpirauhashormonin (=S-PTH) ja luun aineenvaihduntaa kuvaavien merkkiaineiden pitoisuuksia. Murrosikäisten tyttöjen poikkileikkaustutkimuksessa S-25-OHD- ja luun muodostusmerkkiaineen pitoisuudet vaihtelivat kuukausien välillä; suurimmat pitoisuudet mitattiin syyskuussa ja pienimmät maaliskuussa, mikä kuvastaa vuodenaikaisvaihtelua. Vastaava vaihtelu havaittiin lannerangan ja reisiluun BMD:ssä. D-vitamiinilisäyksellä oli myönteinen vaikutus tyttöjen luumassan lisääntymiseen. Suurin D-vitamiinilisä (10 µg/vrk) lisäsi luumassaa 17.2% enemmän reisiluussa ja 12.5% enemmän lannerangassa verrattuna lumevalmistetta nauttivien tyttöjen vastaaviin tuloksiin, mutta tulos riippui hoitomyöntyvyydestä. D-vitamiinin vaikutus luustoon välittyi vähentyneen luun hajotuksen kautta. Tutkimustuloksiin perustuen riittävä D-vitamiinin saanti murrosikäisille tytöille on 15 µg/vrk. D-vitamiinilisän vaikutus 65-85 -vuotiaiden naisten S-25-OHD-pitoisuuteen vakioitui kuudessa viikossa annoksen ollessa 5-20 µg/vrk. Näillä D-vitamiiniannoksilla ei saavutettu tavoiteltavaa S-25-OHD-pitoisuutta, joka on 80 nmol/l. Arvioimme, että 60 nmol/l -pitoisuuden, jota esiintyy kesäisin tämän ikäryhmän suomalaisilla, tämän ikäryhmän naiset saavuttaisivat 24 µg:n päivittäisellä D-vitamiinin saannilla. Terveillä miehillä havaittiin vuodenaikaisvaihtelu S-25-OHD- ja S-PTH-pitoisuudessa sekä luun hajotusta kuvaavassa merkkiainepitoisuudessa. Toisaalta vaihtelua ei havaittu radiuksen volumetrisessä luuntiheydessä eikä luun muodostusmerkkiaineen pitoisuudessa. Vuodenaikaisvaihtelu estettiin 17 µg:n päivittäisellä D-vitamiinin saannilla, mutta tämän ei havaittu vaikuttavan radiuksen luuntiheyteen kuusi kuukautta kestävän tutkimuksen aikana. Yhteenvetona todetaan, että D-vitamiinin saanti on edelleenkin riittämätöntä tutkimusten kohderyhmillä. Tämä näkyy S-25-OHD- ja PTH-pitoisuuden sekä luunaineenvaihduntaa kuvaavien merkkiaineiden vuodenaikaisvaihteluna, mikä on haitallista luuston hyvinvoinnille. D-vitamiinin saantia tulisi lisätä, jotta vähintäänkin riittävä D-vitamiinitilanne (S-25-OHD>50 nmol/l) tai mahdollisesti jopa tavoiteltava D-vitaminitilanne (S-25-OHD≥80 nmol/l) saavutettaisiin. Jotta D-vitamiinin saannin lisääminen olisi kaikissa ikäryhmissä mahdollista, on suunniteltava nykyistä enemmän D-vitamiinilla täydennettyjä elintarvikkeita.

Synthesis, Reactivity and Biological Activity of 17β-HSD1 Inhibitors Based on a Thieno[2,3-d]pryrimidin-4(3H)-one Core

Breast cancer is the most common cancer in women in Western countries. In the early stages of development most breast cancers are hormone-dependent, and estrogens, especially estradiol, have a pivotal role in their development and progression. One approach to the treatment of hormone-dependent breast cancers is to block the formation of the active estrogens by inhibiting the action of the steroid metabolising enzymes. 17beta-Hydroxysteroid dehydrogenase type 1 (17beta-HSD1) is a key enzyme in the biosynthesis of estradiol, the most potent female sex hormone. The 17beta-HSD1 enzyme catalyses the final step and converts estrone into the biologically active estradiol. Blocking 17beta-HSD1 activity with a specific enzyme inhibitor could provide a means to reduce circulating and tumour estradiol levels and thus promote tumour regression. In recent years 17beta-HSD1 has been recognised as an important drug target. Some inhibitors of 17beta-HSD1 have been reported, however, there are no inhibitors on the market nor have clinical trials been announced. The majority of known 17beta-HSD1 inhibitors are based on steroidal structures, while relatively little has been reported on non-steroidal inhibitors. As compared with 17beta-HSD1 inhibitors based on steroidal structures, non-steroidal compounds could have advantages of synthetic accessibility, drug-likeness, selectivity and non-estrogenicity. This study describes the synthesis of large group of novel 17beta-HSD1 inhibitors based on a non-steroidal thieno[2,3-d]pyrimidin-4(3H)-one core. An efficient synthesis route was developed for the lead compound and subsequently employed in the synthesis of thieno[2,3-d]pyrimidin-4(3H)-one based molecule library. The biological activities and binding of these inhibitors to 17beta-HSD1 and, finally, the quantitative structure activity relationship (QSAR) model are also reported. In this study, several potent and selective 17beta-HSD1 inhibitors without estrogenic activity were identified. This establishment of a novel class of inhibitors is a progressive achievement in 17beta-HSD1 inhibitor development. Furthermore, the 3D-QSAR model, constructed on the basis of this study, offers a powerful tool for future 17beta-HSD1 inhibitor development. As part of the fundamental science underpinning this research, the chemical reactivity of fused (di)cycloalkeno thieno[2,3-d]pyrimidin-4(3H)-ones with electrophilic reagents, i.e. Vilsmeier reagent and dimethylformamide dimethylacetal, was investigated. These findings resulted in a revision of the reaction mechanism of Vilsmeier haloformylation and further contributed to understanding the chemical reactivity of this compound class. This study revealed that the reactivity is dependent upon a stereoelectronic effect arising from different ring conformations.

Molecular Modelling of Estrogen-Producing Enzymes CYP450 Aromatase and 17beta-Hydroxysteroid Dehydrogenase Type 1

Breast cancer is the most common cancer in women in the western countries. Approximately two-thirds of breast cancer tumours are hormone dependent, requiring estrogens to grow. Estrogens are formed in the human body via a multistep route starting from cholesterol. The final steps in the biosynthesis include the CYP450 aromatase enzyme, converting the male hormones androgens (preferred substrate androstenedione ASD) into estrogens(estrone E1), and the 17beta-HSD1 enzyme, converting the biologically less active E1 into the active hormone 17beta-hydroxyestradiol E2. E2 is bound to the nuclear estrogen receptors causing a cascade of biochemical reactions leading to cell proliferation in normal tissue, and to tumour growth in cancer tissue. Aromatase and 17beta-HSD1 are expressed in or near the breast tumour, locally providing the tissue with estrogens. One approach in treating hormone dependent breast tumours is to block the local estrogen production by inhibiting these two enzymes. Aromatase inhibitors are already on the market in treating breast cancer, despite the lack of an experimentally solved structure. The structure of 17beta-HSD1, on the other hand, has been solved, but no commercial drugs have emerged from the drug discovery projects reported in the literature. Computer-assisted molecular modelling is an invaluable tool in modern drug design projects. Modelling techniques can be used to generate a model of the target protein and to design novel inhibitors for them even if the target protein structure is unknown. Molecular modelling has applications in predicting the activities of theoretical inhibitors and in finding possible active inhibitors from a compound database. Inhibitor binding at atomic level can also be studied with molecular modelling. To clarify the interactions between the aromatase enzyme and its substrate and inhibitors, we generated a homology model based on a mammalian CYP450 enzyme, rabbit progesterone 21-hydroxylase CYP2C5. The model was carefully validated using molecular dynamics simulations (MDS) with and without the natural substrate ASD. Binding orientation of the inhibitors was based on the hypothesis that the inhibitors coordinate to the heme iron, and were studied using MDS. The inhibitors were dietary phytoestrogens, which have been shown to reduce the risk for breast cancer. To further validate the model, the interactions of a commercial breast cancer drug were studied with MDS and ligand–protein docking. In the case of 17beta-HSD1, a 3D QSAR model was generated on the basis of MDS of an enzyme complex with active inhibitor and ligand–protein docking, employing a compound library synthesised in our laboratory. Furthermore, four pharmacophore hypotheses with and without a bound substrate or an inhibitor were developed and used in screening a commercial database of drug-like compounds. The homology model of aromatase showed stable behaviour in MDS and was capable of explaining most of the results from mutagenesis studies. We were able to identify the active site residues contributing to the inhibitor binding, and explain differences in coordination geometry corresponding to the inhibitory activity. Interactions between the inhibitors and aromatase were in agreement with the mutagenesis studies reported for aromatase. Simulations of 17beta-HSD1 with inhibitors revealed an inhibitor binding mode with hydrogen bond interactions previously not reported, and a hydrophobic pocket capable of accommodating a bulky side chain. Pharmacophore hypothesis generation, followed by virtual screening, was able to identify several compounds that can be used in lead compound generation. The visualisation of the interaction fields from the QSAR model and the pharmacophores provided us with novel ideas for inhibitor development in our drug discovery project.