Pan-Assay Interference Compounds

PAINS gehen dabei nicht eine echte, spezifische Bindung mit dem untersuchten biologischen Target ein (keine klassische Ligand-Target-Bindung). Stattdessen basieren die beobachteten Effekte auf unspezifischen physikochemischen oder assaybedingten Störmechanismen. Beispielsweise interagieren PAINS direkt mit Fluoreszenz-Reportersystemen, deren Zweck es ist, eine passende Ligand-Target-Bindung anzuzeigen. Dadurch wird eine Aktivität vorgetäuscht, ohne das Targetprotein tatsächlich zu beeinflussen.

Viele Ergebnisse, z. B. aus Zellkulturstudien, sind daher mit Vorsicht zu interpretieren.^[2] Werden die PAINS-verursachenden funktionellen Gruppen nicht erkannt, kann viel Geld und Zeit bei der Optimierung der Aktivität einer vermeintlich vielversprechenden, tatsächlich aber ungeeigneten Substanz verschwendet werden (Wirkstoffforschung).^[3]

Die Erkenntnis, dass bestimmte Strukturmerkmale in Verbindungen regelmäßig falsch-positive Ergebnisse in biologischen Tests verursachen veranlasste zwei Wissenschaftler dazu, den Begriff der Pan-Assay Interference Compounds einzuführen. Eine Studie zu entsprechenden Strukturmerkmalen, die den Begriff erstmals nutzte, wurde 2010 im Journal of Medicinal Chemistry veröffentlicht.^[1][4]

Vielfältige physikalische und chemische Mechanismen können biologische Tests zu Ligand-Target-Interaktionen beeinflussen und falsch-positive Ergebnisse verursachen. Dazu gehören beispielsweise unerwünschte Reaktionen der getesteten Verbindungen mit Nucleophilen (zum Beispiel Thiolen und Aminen) in einem Zielprotein oder Testreagenzien, Photoreaktionen (Reaktionen unter Einwirkung von Licht) oder Redoxreaktionen. Komplexbildende Verbindungen können ebenfalls in unerwünschter Weise mit einem Zielprotein oder Testreagenzien interagieren oder Verunreinigungen in Form von Schwermetallen einschleppen. Zu problematischen physikalischen Effekten, die Tests beeinflussen können, gehören die Bildung von Mizellen oder Fluoreszenz, die fluoreszenzbasierte Tests stört.^[4]

PAINS-Teilstrukturen, die in der ursprünglichen Publikation genannt wurden, sind diverse alkyliden-substituierte Heterocyclen, beispielsweise Derivate von Rhodanin und Barbitursäure; Derivate von 2-Hydroxybenzylamin, 2-Hydroxybenzaldehydhydrazon oder 4-Hydroxybenzaldehydhydrazon; 1,2,3-trisubstituierte Pyrrole; Benzofurazane, Chinone und ortho-disubstituierte Aromaten (Derivate des Brenzcatechins).^[1] Weitere Strukturen, die in der ursprünglichen Publikation nicht enthalten waren, aber ebenfalls solche Eigenschaften aufweisen, elektronenarme Epoxide und Aziridine, Nitroalkene und β-Aminoketone.^[4]

Zu den PAINS zählen als konkrete Verbindungen z. B. Curcumin, Toxoflavin, Epigallocatechingallat, Genistein oder Resveratrol, die unspezifischen Reaktionen gehen auf darin enthaltene spezielle funktionelle Gruppen zurück.^[3][5][6]

Das Konzept der PAINS wurde unter statistischen und methodischen Gesichtspunkten kritisiert. Die ursprüngliche Studie basierte auf einer kommerziellen Molekülbibliothek, wobei die Ergebnisse auf einem Screening mit nur einer Testmethode und nur sechs Zielproteinen basierten. Zudem wurde die Mehrheit der Strukturelemente anhand von Ergebnissen von je nur vier oder weniger Testmolekülen mit einer solchen Struktur definiert. In einer umfangreichen Studie wurde außerdem gezeigt, dass PAINS vielfach keine erhöhte Anzahl von positiven Testergebnissen produzieren. Die Autoren untersuchten eine große Zahl an Verbindungen aus Pubchem, bei denen mindestens 25 Testergebnisse verfügbar waren. Über 73000 zufällig ausgewählte Verbindungen wurden nach PAINS-Kriterien in PAINS und Nicht-PAINS aufgeteilt und die Rate an positiven Tests verglichen. Im Ergebnis zeigten die PAINS nur eine gering erhöhte Rate an positiven Testergebnissen, die absolut gesehen jedoch ebenfalls gering war. Gleichzeitig stellten die Autoren fest, dass einige PAINS-Strukturen häufig in Verbindungen vorkommen, die in umfangreichen Tests keinerlei Aktivität gezeigt haben (sogenannte Dark Chemical Matter). Die höchste Positivrate bei biologischen Tests wiesen dabei in der Gesamtschau Chinone auf. Sie kommen daher zum Schluss, dass die üblichen Strukturfilter wenig geeignet sind, um tatsächlich problematische Verbindungen zu identifizieren.^[7]

• C. Aldrich, C. Bertozzi, G. I. Georg, L. Kiessling, C. Lindsley, D. Liotta, K. M. Merz, A. Schepartz, S. Wang: The Ecstasy and Agony of Assay Interference Compounds. In: ACS Central Science. Band 3, Nr. 3, 22. März 2017, S. 143–147, doi:10.1021/acscentsci.7b00069.