Конструирование химических соединений, обладающих противовоспалительными свойствами, методом теории распознавания образов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На правах рукописи Мухаметов Азат Дилшатович

с

КОНСТРУИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ,

ОБЛАДАЮЩИХ ПРОТИВОВОСПАЛИТЕЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ, МЕТОДОМ ТЕОРИИ РАСПОЗНАВАНИЯ

ОБРАЗОВ

02.00.04 - Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

' "миг®

Уфа- 2009

003473560

Работа выполнена на кафедре физической химии и химической экологии ГОУ ВПО «Башкирский государственный университет»

доктор химических наук, профессор Герчиков Анатолий Яковлевич

доктор химических наук, профессор Кантор Евгений Абрамович

кандидат химических наук Талипов Марат Рифкатович

Учреждение Российской академии наук Институт химической физики им. H.H. Семенова, г. Москва

Защита состоится «25» июня 2009 г. в 14°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.013.10 при Башкирском государственном университете по адресу: 450074, г.Уфа, ул. Заки Валиди, 32, химический факультет, ауд. -3>05\

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Башкирского государственного университета.

Автореферат разослан «25» мая 2009 года

Ученый секретарь диссертационного совета доктор химических наук, профессор

Научный руководитель:

Официальные оппоненты;

Ведущая организация:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. На сегодняшний день известно много химических соединений, используемых в качестве действующего вещества противовоспалительных лекарственных препаратов. Однако отрицательными свойствами известных структур противовоспалительных средств являются высокая токсичность и/ или низкая противовоспалительная активность.

Применяемая в настоящее время методика поиска новых биологически активных веществ основывается преимущественно на синтезе больших библиотек соединений и последующих их биологических испытаний. Это требует больших затрат временных и материальных ресурсов, синтеза и испытаний многих тысяч соединений. Использование вычислительных методов на базе теории распознавания образов (ТРО) позволяет отсеивать соединения, не обладающие заданным свойством до процедуры синтеза. Применение идей теории ТРО представляется актуальным при создании новых эффективных лекарственных препаратов. В связи с этим в настоящей работе идеи ТРО применены при конструирования химических соединений, обладающих противовоспалительными свойствами.

Диссертация выполнена в соответствии с планом НИР Башкирского государственного университета по программе «Окислительные процессы в решении химико-экологических задач» (номер госрегистрации 01 99 000 310.1) при финансовой поддержке аналитической ведомственной целевой программы Минобрнауки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2006 - 2008 годы)», проект РНП 2.2.1.1.6332, а также гранта Республики Башкортостан для молодых ученых и молодежных научных коллективов (2008 год).

Цель работы. Конструирование структур потенциально эффективных противовоспалительных лекарственных средств с низким уровнем токсичности.

В соответствии с целью исследования были поставлены и решены следующие задачи:

1) определение структурных параметров, определяющих наличие токсичности и эффективности у противовоспалительных лекарственных средств;

2) формирование и апробация моделей прогноза;

3) конструирование новых соединений с высокой эффективностью противовоспалительного действия и сниженной токсичностью.

Научная новизна. Применены методы теории распознавания образов в рамках компьютерной системы 8А!Ш-21 для построения математической модели прогноза токсичности противовоспалительных лекарственных средств. Построена модель прогноза эффективности противовоспалительного действия потенциальных лекарственных средств, основанная на механизме ингибирования ферментов циклооксигеназ.

Предложены варианты модификации структур известных химических соединений, применяемых в качестве противовоспалительных средств, для снижения токсичности и усиления противовоспалительной активности.

Практическая ценность. В результате исследований систематизированы структурные закономерности, определяющие гастро- и нефро-токсичность нестероидных, а также эффективность нестероидных и стероидных противовоспалительных средств. Разработанную методику рекомендуется использовать при поиске новых нестероидных и стероидных противовоспалительных средств и при модификации известных структур с целью оптимизации комплекса их терапевтических свойств (токсичности и эффективности).

Сформированные модели прогноза можно использовать для отсева потенциально неэффективных структур, а также для скрининга имеющихся баз данных с целью поиска новых противовоспалительных средств.

В результате биологических испытаний соединения 4-фторфенилметилсульфона, ранее неизвестного в качестве лекарственного средства, и предсказанного в результате структурной оптимизации молекулы слабого противовоспалительного средства парацетамола, обнаружено наличие у него ярко выраженной противовоспалительной активности, значительно превышающую исходную активность парацетамола. Причем, противовоспалительная активность 4-фторфенилметмлсульфона сравнима с активностью известного НПВС ортофена, тогда как общая токсичность - в два раза ниже, чем у последнего.

Данное соединение рекомендовано для дальнейших исследований с целью создания нового противовоспалительного препарата.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: De la conception a la realization en pharmacochimie JFB07 (Бельгия, г. Намур, 2007). Advances in Synthetic and Medicinal Chemistry ASMC07 (Россия. г. С-Петербург. 2007), XVI Международной конференции по химической термодинамике RCCT 2007 (Иваново, 2007), 4-м Международном симпозиуме «Компьютерные методы в токсикологии и фармакологии, включающие Интернет-ресурсы (СМТР1-2007)» (Москва, 2007). Международной научно-технической конференции «Наука и Образование - 2007» (Мурманск, 2007). Международной научной конференции "Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий" (Томск, 2006), Международной конференции «Органическая химия от Бутлерова и Бейль-штейна до современности» (Санкт-Петербург, 2006), международных конференциях молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов 2006/ 2007» (Москва, 2006, 2007). На всероссийских конференциях: Всероссийский съезд фармакологов (С-Петербург. 2007), IV и V Всероссийской научной iNTERNET-конференции (Уфа, 2005, 2006), 65-ой юбилейной открытой научно-практической конференции молодых ученых с международным уча-

стием «Актуальные проблемы экспериментальной и клинической медицины» (Волгоград, 2007), XVII Российской молодежной конференции (Екатеринбург, 2007), XVI Российской молодежной конференции, посвященной 85-летию со дня рождения профессора В. П. Кочергина (Екатеринбург, 2006), IV межвузовской конференции молодых учёных (С-Петербург, 2007), 10-й Путинской школы-конференции молодых ученых (Пущино, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи и 17 тезисов докладов.

Структура п объем диссертации. Диссертация изложена на 158 страницах машинописного текста и включает введение, литературный обзор. результаты и их обсуждение, выводы и список литературы. Диссертация содержит 44 рисунка и 40 таблиц. К диссертации прилагается два раздела приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована задача поиска химических структур противовоспалительных лекарственных средств с низким уровнем токсичности, обоснована актуальность работы, определены цели и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность.

В литературном обчоре описаны основные подходы и методы, применяемые для изучения связи структура-свойство, дана характеристика применяемой в подобных исследованиях системы SARD-21 (Structure Activity Relationship & Design), а также описываются наиболее широко применяемые докинг-подходы к конструированию новых лекарств. Также кратко описываются механизмы проявления противовоспалительного действия нестероидных и стероидных противовоспалительных лекарственных средств. Приводится их химическая классификация, известные структурные закономерности во взаимосвязи структура-активность нестероидных и стероидных противовоспалительных средств, а также дается характеристика основных работ QSAR (Quantitative Structure-Activity Relationship; в данной области исследований.

В экспериментальной части приводятся описания методик вычислительных. а также биологических испытаний.

Раздел результаты и обсуждения состоит из четырех частей:

- прогноз токсичности и конструирование структур нестероидных противовоспалительных лекарственных средств (НПВС),

- прогноз противовоспалительной эффективности и конструирование структур НПВС,

- применение совместной модели токсичности и эффективности при конструировании НПВС,

- прогноз противовоспалительной активности и конструирование структур стероидного строения (СПВС).

В приложении / приводятся структурные формулы и характеристики активности соединений обучающих массивов, приложение // содержит

результаты биологических испытаний 4-фторфенилметилсульфона в качестве нестероидного противовоспалительного лекарственного средства (НПВС).

I. Объекты и методы исследований

1.1 Характеристика объектов исследования

Основной целью исследования было установление связи структуры противовоспалительных средств нестероидного (НПВС) и стероидного (СПВС) строения и их активностью в качестве противовоспалительных лекарств. Для достижения цели исследования в рамках теории распознавания образов были созданы обучающие массивы на основе литературных данных.

Обучающий массив математической модели прогноза токсичности НПВС состоял из 147 соединений: Класс к-12 структуры НПВС с низким уровнем токсичности, класс В - 75 структур токсичных НПВС. Фрагмент массива приведен на рис. I.

1'ид Л нетоксичные (72 структуры)

хгпа

V"'

«><>СО''ъ

гуг

Ряд В - токсичные <75 структур)

У сн,

»/' О ОН

()

и

/ { '

Рис. 1 Типичные структуры соединений обучающего магеива модели прогнотя токсичности НПВС

Массив обучения математической модели прогноза эффективности противовоспалительного действия структур НПВС сформирован на основе 91 структуры: класс А - 57 структур НПВС с высокой эффективностью противовоспалительного действия (соединения способные образовывать прочные комплексы с активным центром циклооксигеназ), класс В - 47 структур НПВС с низкой эффективностью противовоспалительного действия (соединения, образующие менее прочные комплексы с активным центром циклооксигеназ). Фрагмент этого массива приведен на рис. 2.

Обучающий массив математической модели прогноза противовоспалительной активности стероидных соединений включал 103 структуры со стероидным скелетом, относящихся к применяемым лекарственным препаратам, либо к природным соединениям: ряд А - 42 структуры стероида, обладающих противовоспалительной активностью и ряд В - 61 структура соединений проявляющих прочие типы биологической активности, за исключением противовоспалительной. Примеры структур приведены на рис. 3.

Рис. 2 Типичные структуры НПВС обучающей выборки модели по противовоспалительном |ффсктивпос I и

Рид Л. ( ос/тисни» с противовоспалительной акгивностью (42 структуры)

Рил В. Соединения, не обладающие противовоспалительной активностью (61 структура)

...рч «

chS«<

Рис. 3. Типичные структуры соединений обучающего массива модели прогноза противовоспалительной активности стероидных соединений

1.2 Методы исследования связи «структура-активность»

Для исследования связи "структура - свойство" и построения математических моделей прогноза активности использована компьютерная система SARD-21 (Structure Activity Relationship & Design). Входной информацией системы является обучающий массив, состоящий из двух рядов химических соединений, альтернативных по проявляемому свойству (ряды А и В). Структуры соединений обучающего массива представляются на языке фрагментарных дескрипторов (функциональные группы, сочетания двух и трех групп, а также логические сочетания посредством логических операций И, ИЛИ, ИЛИ-НЕ). Характер влияния данных дескрипторов (признаков) описывается при помощи коэффициента информативности (г), вычис-

ляемон по формуле Юла: г~-----------------------, где где ni и п2 - число

(M«/V2.A3»/V4)"2

структур группы А, содержащих и не содержащих данный структурный

дескриптор; пЗ и п4 - то же для группы В; N1 и N2 - число структур в группах А и В; Т^З=п1+пЗ; Ш=п2+п4; г изменяется от -I до +1. Чем выше абсолютное значение коэффициента информативности г, тем больше вероятность влияния признака на анализируемое свойство («+» - положительное, «-» - отрицательное).

Полученные значения коэффициентов информативности отдельных структурных дескрипторов могут быть использованы для оценки негативного влияния отдельных фрагментов, для которых характерно наиболее отрицательное значение г с целью их замены в новых структурах на полезные фрагменты, для которых г>0 и велика.

Для получения решающего набора признаков (РНП). количество дескрипторов в наборе сокращается до 10-15 с помощью специального алгоритма, который основывается на принципах максимальной информативности, минимальной взаимозависимости признаков и оптимального покрытия объектов. Модели распознавания и прогноза строят в виде логических уравнений типа С=Р(5), где С - свойство (активность), Р - правила распознавания (алгоритм распознавания образов, по которому производится классификация исследуемых соединений. - «геометрический» или метод «голосования»), 8-набор распознающих структурных параметров (РНП).

По геометрическому подходу отнесение исследуемой структуры V; (¡= 1,...,к) к классу активных или неактивных (А или В) происходит после определения расстояния от этой структуры в евклидовой метрике до расчетных эталонов: класса А и В. 1*|;,)„э4= ^ Х(У;,/- ЭЛ,)г. \<\-,л„э1Г V V,- ,- -ЭВу)2, где V,,,- - это реализация ¡-го признака из РНП в анализируемой ¡-ой структуре в элементах булевой алгебры (¡=1, если признак присутствует в структуре, иначе ]=0).

Если К,-,- ,,„ э,1< эя. то У|€Л; если Я,( ()„ ЭА> Яг/,,„ эи, то У(€В. Эталоны рассчитаны по реализации признаков РНП в структурах соответственно класса А и В: ЭАУ= X V,-, /тЛ> ЭВX V/, ,/тв, где тА и тв число структур обучения классов А и В.

По методу «голосования» вычисляются числа признаков Р, и Р2 групп // и 12 из РНП (в группе // значение г>0, в значение г<0), совпадающие со значениями признаков структуры У|. Если Р| > Р2, то У;€А; если Р| < Р2, то У^В.

На первом этапе конструирования (оптимизации) структур, проводится анализ базовой структуры на наличие структурных дескрипторов с отрицательным значением коэффициента информативности. Генерацию гипотетически активных структур проводят заменой данных фрагментов теми, которые характерны для структур обладающих целевым свойством. На последнем этапе проводят распознавание полученных структур по методам «геометрии» и «голосования».

II. Результаты п обсуждение

1. Прогноз токсичности и конструирование структур нестероидных противовоспалительных средств (НПВС)

Для выбора оптимального метода расчета, формирование РНП проводили с использованием трех типов логических сочетаний фрагментарных дескрипторов (ФД): конъюнкций, дизъюнкций и строгих дизъюнкций. Результаты распознавания структур обучающего массива с помощью полученных трех типов РНП представлены в таблице I.

Таблица I.

Результаты распознавании массива обучения

1спод формирования логических признаков

Резудь [¡и распознавания

Геом.. %

Голос.. %

Конъюнкции Конъюнншш. дизъюнкции Конъюнкции, дизъюнкции, строгие дизъюнкции

Ряд А Ряд В Весь массив Ряд А Ряд В Весь массив РядА Ряд В Весь массив

88.00 76,39 82.19 86,67 81,94 84.31 86,67 79,17 82,92

69.33 77.78 73,56 85.33 80.56 82.94 77,33 79.17 ^ 78,25

Согласно результатам, лучшие уровни распознавания по методам «геометрии» и «голосования» как отдельных рядов, так и всего массива получено с использованием РНП сформированного с использованием логических признаков на базе конъюнкций и дизъюнкций (табл. 2).

Таблица 2.

Решающий 1окспчносгн НПВС _

И нфор м ати в ноегь.

№ признака

Содержимое признака

|"мт

Логические сочетания признаков, характерные для гастрогокспчных НПВС

1 (-01К ! (2. З-дизамешенный тиофен)! (1Ма) -0 509

2 !(>СН-) - (>С=0)! ! ¡(>С=0) - (1. 2-дизамещенныи бензол)) ! |(>С=С<) - (2, З-дизамешенный тиофен)! -0.-165

3 (>С=0) ! (-ОН)! (2, З-дизамешенный тиофен) -0.439

1 (2. З-дизамешенный тиофен) ! (-Н_Ье() ! (>М-) -0.394

5 (>СН-)! (2. З-дизамешенный тиофен)! (1.2-ди тметеннын бензол) -0.387

6 (-Н_|1е[) ! (-8-)! (>N-1 -0.344

7 (мономмещенпый бензол)! (-Н_|1е0 ! (>Ы-) -0.308

Логические сочетания признаков, характерные для негастротоксичных НПВС

0.70!

8 Н-СНЗ)--(

9 {(>Я02) --(

0.661

'гмт- коэффициент информативности по модели прогноза токсичности

10 ¡(>802) - (>С=С<)',! Ц-Ш1-)-(>802)) ! |(-0-) - (1. 2, 3. 5 -тетрачамещенный-1Н-инлол)1 0.647

11 (>802) ! (1. 2. 3, 5 -тетрачамешенный-1 Н-индол) ! (1. 2. 3. 5-тетразам. бензол) 0.636

12 !(>Я02) - (>С=С<) - (>С=С<)! 0.460

13 !(-ЫН-) - (>802)| ! !(>С=С<) - (1.4-дизам. бензол)! ! !(-СНЗ)-(-О-)! 0.457

11 (1. 4-днзам. бензол)! (1,5.6-тризамещенный пндан) \ (1,2, 4-тризам. бензол) 0.326

15 (-СНЗ)! (>С<) ! (!.3.5-тр1пмешеннын-1 Н-пиразол) 0.312

- дизъюнкция (.юг.ИЛИ-И - одновременное присутствие обоих пли одного т признаков)

В соответствии с РНП, чем ниже отрицательнее значение коэффициента информативности гмт - тем более характерен признак для токсичных НПВС. и чем выше положительное - тем более характерен для низкотоксичных структур.

Тестирование данного РНП на экзаменационной выборке, содержащей 48 соединений с известной характеристикой гастротоксичности, показало достоверное распознавание: 81% исследуемых структур по методам «геометрии» и «голосования» (табл. 3).

Таблица 3.

Выдержка щ результатов тестировании РНП на жза.менанпонной выборке

Структурная формула

N4

"О р

Н3С

.0

..........ОН

/=■( Я

Н*МЧ м

__он

" Н )С о".....

........СНз.....

ИТ- не токсичен. Т - токсичен

Класс соотв. л нгср. да пи_ым

ИТ

НТ

Распознавание по геометрии

ИТ

НТ

III

Распознавание по голосованию

НТ

ИТ

ИТ

Результаты анализа знамений коэффициентов информативности отдельных функциональных групп позволили установить, что для структур противовоспалительных средств с низким уровнем токсичности характерны такие функциональные группы, как сульфоновая группа >Б03 (гмт=0.595), мсгильная группа (Гу, ,-=0.268), атомы брома (гмт=0.211) и фтора (гмт=0.197), разветвленные фрагменты, содержащие четвертичный атом углерода (1'мт~0.227) (рис. 4).

(П) I

СЭ

I (>so,)

(-CN)t

ст (-о-)

I (-N-N-) I <-N=C<)

I (-NO,)

D (-Ml-)

<-CI !„„,-> П

а К'»,-)

........................ ■ :■■■■'■■:'-»j-'J'bi.

■0,(i -<M

Высокчш ТОКЧИЧШК'П,

(1,2 <—

0

1"чт

0.2

<М 0,6 0,8 Ни IV.1H токсичность

Рис. 4 U'vMwiiiioiiM.ibin.ic группы н шичсмии коэффициентов информативности гм1.

Следует отметить, что такие заместители, как гидроксильная- (гмт= (Ы38), кетофушта (гмт= -0.419) . атом натрия (гмт= -0.182) усиливают токсичность соединений (рис. 4).

Применение установленных структурных фрагментов к оптимизации структуры известного НГ1ВС с целью снижения токсичности можно продемонстрировать на примере индометашжа ([1-(4-хлоробензоил)-5-метокси-2-метид-! ^-индол-3-ил]уксусная кислота) (рис. 5, слева).

н3с-О

щс-о

Рис. 5 Пример оптими шнчн структуры нн.тометаннна с целью скнжч-ння токсичности.

В результате замены гидроксильной группы, отличающейся отрицательным значением коэффициента информативности (гм г= -0.438), на вторичную аминогруппу (гмт=0.016) и полиметиленовый фрагмент (гмт=0.171), получается соединение известное своей сниженной токсичностью - индо-метацина Ы-октиламид (2-[1-(4-хлорбензоил)-5-метокси-2-метил-1 Я-индол— ил]-Л'-октилацетамид) (рис.5, справа).

2. Прогноз эффективности противовоспалительного действия и конструирование IIГ1 ВС

Для формирования РНП также было проведено сравнительное изучение уровня распознавания соединений обучающей выборки с применением трех методов: конъюнкций, дизъюнкций и строгих дизъюнкций. В результате сравнения результатов установлено, что максимальный уровень достигается в методе формирования РНП с применением подхода конъюнкций, дизъюнкций, и строгих дизъюнкций (82-85%). Этот РНП представлен в табл. 4.

Таблица 4.

Решающий наОорпрнзнаков модели прогноза зффеьтнвносги _

№ признака Содержимое признака Информативность. 1'МЕ

Признаки харакгерные для высокоэффективных МПВС

1 !(>С=С<)-(-С1)!! ¡(>802)-( 1.4-дизам.бензол)|! ¡(>С=С<М-Вг)| 0,504

2 !(-МН2М>80г)1! !(>С=С<Н-С1)1! !(>С=С<)-(-Вг)} 0.497

3 (-С1)! (-ЫН>)! (-Вг) 0.465

4 {(>.ЧОз 1-( 1.4-дизам.бензол)|# {<>С=С<)-<2.3-дизам.тиофен)|# ¡(>С=0)-( 1 ,4-дизам.бензол)'. 0,422

5 (1,4-дизам. бензол)! (>СН-)! (-Я-) 0.362

6 (1.3.5-трнзам,-1Н пиразол )# (Т.3.4-тр1Шм.бензод)# (1.1.2.3.4-пентазам.-1,2.3.4-тетрагидра-1 а4 тиено 12.3-е]( 1,2] тиазин) 0.314

7 (-ОН)#(-ЫИ-)#(-Н_11е1) 0.307

Признаки характерные для низкоэффективных ИГ1ВС

8 (>С=0) Щ 1.2.3.5-тетразам.-| Н-индол)# (1,1,2.3.4-пентазам-1,2,3 Л-тетрагидро-1а4 тиено [2.3-е]|1.2] тиазин) -0.346

9 -0,297

10 (К2.3,4.5-пеитазам.-2.5-днгндро-1Н-пиррол)# (2.3-дизам. тетрагидро-2Н-фуран)# (-СН;-) -0.277

11 !(-0Н)-(>С=0)-(>С=С<)1 -0,239

12 'Д-ОН)-(>С=С<)> -0.217

13 !(>С=0)-(>С=С<)! -0.205

14 (Р)#(-Н_ЬеО #(>N1-) -0,202

'-1иик дтъюнкции. #~1нак строгой дизъюнкции.

В соответствии с РНП, чем ниже отрицательное значение коэффициента информативности гМЕ' - тем более характерен признак для структур низкоэффективных НПВС, и наоборот, чем более положительное - тем более характерен для высокоэффективных противовоспалительных средств.

Тестирование РНП на экзаменационной выборке показало, что при данных условиях максимальный уровень прогноза составляет -78%. Таким образом модель прогноза на базе данного РНП позволяет выявлять структуры высокоэффективных НПВС среди множества низкоэффективных с вероятностью 78%.

В результате анализа структурный фрагментов, установлено, что для эффективных НПВС наиболее характерны такие функциональные группы, как хлор (гмк= 0.288), первичная аминогруппа (гМЕ= 0.256), а также - атом брома (гМЕ= 0.227), сульфоновая группа (гМЕ= 0.161). трифторметильная группа (1\.|г~ 0.176), полиметиленовыи фрагмент 0ме= 0.158) (рис. 6).

(N.1)

(-е-) а

(Н'=0) I

(-011) с

(-0-1 с=з

(-N=('<1 I

/■N11-) I

-0/1

(-ОН;-) (

-0.2

I

КР)

(>С=С'Ч =Э (Н_|1Г1)

1|В>)

ИС1)

1 (>80,)

1 км

1 (-N0;)

>{>С<)

>н<||:|<л„-|

■ <»ОН-> =Э (-СИ.,. -)

1-СН,) СЭ

о

Низка» эффективное п. -4

0.2 0.4

->• Высокая эффективность

Рис. 6 Функциональные группы н шячения коэффициентов информативности гмс.

Пониженная эффективность противовоспалительного действия характерна для структур, содержащих в качестве заместителей кетогрулпу

*гМЕ - коэффициент информативности пртнака по модели противовоспалительной эффективное™

(гмг.:= -0.264). гидроксильную группу (гМе= -0.193), сульфоксидную группу (гМЕ=-0.135) (рис.6).

Существенную роль для эффективного действия потенциального лекарственного средства играет оптимальное сочетание функциональных групп в структуре молекулы. В частности установлено, что среди азотсодержащих признаков наибольшее влияние на противовоспалительную активность (ПВА) оказывает сочетание первичной аминогруппы с сульфоно-вым фрагментом (гМЕ= 0.307).

Применение установленных структурных фрагментов можно продемонстрировать на анализе структуры, обладающей согласно литературным данным сильной противовоспалительной активностью. 4-[5-(4-бромофенил)-3-(трифторметил)-2,3-дигидро-Ш-пиразол-1-ил] бензенсуль-фонамнда (8С-558, рис.7 слева). В своей молекуле оно содержит только фрагменты с высокими положительными значениями коэффициента информативности, тогда как ресвератрол (5-[(£>2-(4-гидроксифенил)винил] бензен-1.3-диол) (рис. 7 справа вверху) имеет три гидроксильные группы (гмг= -0.193), вследствие чего его противовоспалительная активность очень слабая. Путем замены хотя бы одного из гидроксилов на атом брома (г,ме= 0.227) можно получить соединение, обладающее согласно прогнозу, высоким уровнем противовоспалительной активности (рис. 7. справа внизу).

Рис. 1. Пример высокоэффективного (слева, 8Г-558) и низкоэффективного (справа, ресвератрол) соединения, и пример повышения противовоспалительной активности ресве-ратрола.

3. Применение совместной модели токсичности и эффективности при конструировании НПВС

Структурные признаки совместной модели были выявлены путем сопоставления признаковых пространств двух раннее сформированных моделей - модели прогноза токсичности структур нестероидных противовоспалительных средств (НПВС), и модели прогноза эффективности противовоспалительного действия НПВС.

ОН

В результате анализа признаков, установлено, что из ациклических признаков заметно способны повышать противовоспалительную активность структуры противовоспалительного средства, одновременно характеризуясь низкими уровнями токсичности, такие функциональные группы, как -N141 (1\п= 0.147, гмг= 0.256). -Вг (гмт= 0.211. гМР= 0.227). -СР3 (гмт= 0.134, |\.„- 0.176), -80, Очп, 0.223, гу,г= 0.183), -N0, (гш= 0.148, гМЕ= 0.129) и (СН,)4 к) (г„, == 0.171, гмг= 0.158) (рис. 8).

Высокая эффективность

ГМЕ

11|ПК;Ш

токсинкость

-1'нт

0,4 04 0,2 0.1 о

-0,1 | -»Д ; -03 ]

-о.,;

-0,5 1 -0,6 | -0,7 I

ИЗ ~ 'V

ш ▲

А 5 ?г

А г

у [Л

I в

«Г* -Е

Рос. 8 Влияние отдельных функциональных групп, я также их сочетаний на проявление высокой эффекгнпносэ II нротннопоспалнтельного действия (и. г<иг.). и на отсутствие токсичности (А. -гЧ1 ).

Также большое влияние на активность оказывает ближайшее окружение данных признаков (рис. 8). Из субструктурных признаков наиболее сильно повышают эффективность противовоспалительного действия и снижают токсичность НПВС сочетания первичной аминогруппы с сульфоновой группой (гмт= 0.217, гМР= 0.307). Меньшими уровнями коэффициента информативности по обоим свойствам характеризуется аминогруппа аудированная остатком, содержащим гетероатом в непосредственной близости к альфа-положению (гмт= 0.148, гМЕ= 0.129).

Установлено, что для эффективных НПВС с низким уровнем токсичности характерны 1,4-дизамещенные (гмг= 0.230, гМЕ= 0.252) и 1,2,4,5-тетразамещенные 0мт= 0.165. гМЕ= 0.149) бензольные фрагменты.

Сформированные модели прогноза и структурные признаки совместной модели были использованы для оптимизации структуры известного НПВС диклофенака ({2-[(2,6-дихлорфенил)амино] фенил} уксусная кислота), отличающейся высокой гастротоксичностью (рис. 9).

В результате модификации структуры диклофенака получено 9 новых структур с пониженным уровнем гастротоксичности и сохранением высоко-

го уровня противовоспалительной активности по сравнению с исходной структурой диклофенака, согласно результатам прогноза (рис. 10).

! н;-о1

Рис. 9 Очередность тамен фрагментов в структуре диклофенака

Ц - приоритетность тамен фрагментов с целью снижении токсичности - приоритетность замен фрагментов с целью повышения >ффек-тивиости

ОСИ, I

1

III

II

Л

1.,СО УТ

IV

Рис. 10 Примеры пршпводнмх диклофенака с предполагаемо сниженной токсичностью

Проведен анализ структуры известного соединения с низким уровнем противовоспалительной активности и высокой токсичностью - парацетамола (]У-(4-гидроксифенил)аиетамид), на наличие фрагментов с отрицательными значениями коэффициента информативности (рис. 11, слева).

:гМЕ=-0.Юб ; гмт= -0/138

\ он

:• -о. 111

; гмг=о.ок;

I ;

ЫН:

СН,

гМЕ= -0.264;

: гМг= -0.-119;

!гмк=-0.024 ►............■■

: гмт= 0.268 :

0.065 0.197

: о=5=0 гмЕ" 0.161

!■.....--у.....гмт= о.595

: С1Ь •..............

! гМР= -0.024 ! : гмт= 0.268 •

Рпс. 11 Оптимтанни структуры парацетамола (слева - структура парацетамола, справа - структура 4-фторфснилметилсульфона)

В результате замен этих структурных фрагментов на фрагменты, соответствующие низкой токсичности и высокой эффективности противовоспалительного действия, было сконструировано новое соединение, обла-

дающее согласно проточу, высоким уровнем противовоспалительном активности - 4-фторфенилметилсульфон (рис. 11, справа).

В результате экспериментальных исследований токсичности и противовоспалительной эффективности 4-фторфенилметилсульфона установлено. что оно действительно обладает ярко выраженной противовоспалительной активностью а сочетании с низкой обшей токсичностью (табл. 5).

Таблица 5

Влияние 4-фторфе1П1.!1мегнлсульфона на величину отека вызванного различными

веществами (мыши)

Название препарата

4-фторфенил

мстил сульфон -«»-

Ортофен_ Контроль

Доза, % выраженности отека (М±т)

мг/кг Каррагеннном Формалином Гнстампном

20 44.3 46.3 77,3

100 48.1 41.4 Н г 79.6

20 30,3 55,0 79,0

64.1 79,0 122.0

мг/кг

1570 " 780

Противовоспалительная активность 4-фторфенилметилсульфона, согласно результатам биологических испытаний, сравнима с активностью известного противовоспалительного препарата ортофена, а токсичность 4-фторфенилметнлсульфона почти в два раза ниже. Представляются перспективными дальнейшие исследования 4-фторфенилметилсульфона с возможностью его внедрения как перспективного противовоспалительного лекарственного препарата.

Результаты биологических испытаний 4-фторфенилметилсульфона, ранее неизвестного в качестве лекарственного средства, доказывают применимость установленных структурных признаков и моделей прогноза для оптимизации структур известных противовоспалительных лекарственных средств, с целью снижения их токсичности и повышения противовоспалительной эффективности.

4. Прогноз противовоспалительной активности и конструирование стероидных соединений (СПВС)

Выбор метода формирования РНП для модели прогноза противовоспалительной активности стероидов показал, что наиболее предпочтительным является метод с сочетанием конъюнкций и дизъюнкций, дающий 88-90% уровень распознавания соединений обучения, и 90% экзаменационной выборки. Соответствующий РНП приведен в табл. 6.

" Биологические испытания проведены в лаборатории новых лекарственных средств в Институте органической химии Уфимского научного центра РАН

№

Таблица

Решающий набор признаков модели прогноза ирогивовоепя.нтмьнон

Признак |инфорадив

I ность, I

Признаки характерные для противовоспалительных стероидов Н>ОС<) - (>00) - (>С=С<)!

¡(>С=€<)-(>С<Ы>С=С<)}

; ос<)-(>со) | &и>с>он>ос<) {&; (>с<н --с<>; _Г *_ }(>С'=он>с=С'<))&!(>с'н-)-(-он))&|'(-сн2-Н':'С<); ((кчй>С<ЧпГ&!(>СН-И-5н)Г&{(а2-ИЧ:<)!

!(-СН21к:И-(-(!И)!! {(>ООН 3,9.и.16,17.!7-гексазаме1не>шый андроста-1,4-диен) (! | «ИЗ М 3.6.9,11.16.17.17-гептазамешеннмй андроста-1.4-лиен)!

!(>СН-)~(-СН2-)-(-'СН-);____

¡(>с<) - (>С<) - (>СЮ)!

{(>СН-)-(>С<)-(-(СН2)2-)!

0.724

°_721 0.71 Я

0.717

О 696

0.657

0.655

0.638 0.636 0.690

Признаки характерные для стероидов не обладающих противовоспалительным действием

|(>С<) - (-(СИ2)2-),! !«'1Шеь) ! Ц-СШЬеИ - «Н2Ьен! _ |

(-(СН2)2-1#(3.6.1 / ,1 7.17-пешаза,метенный лндроста-Ы-диен) 1 -0.623

Ц>С'Н-) - (>СН-) - (-(СН212-)}

-0.584

сС - знак конъюнкций (логическое «и»), ! - знак ¿иуьюнкций (погн'и'ское «или и«). - !няк строгих дизъюнкции (логическое «или не»)

В соответствии с РНП, чем отрицательнее значение коэффициента информативности признака г.\^ , тем менее он характерен ¿¡.ля структур.*..' противовоспалительного стероида, и наоборот, чем положительное - тем более типичен для молекул стероидов обладаюши.х противовоспалительной активностью. Таким образом, наиболее важным для проявления стероидом противовоспалительной активности будет наличие в его структуре триады {(>ОС<) - (>С=0) - (>С=С<)} 0\,, • 0.724) и ¡с С С - > - (>С<) • (>ОС<)} (гм$= 0.724). В то же время наиболее сильным структурным признаком, нивелирующим противовоспалительную активность стероида, будет {(-СНЗ) -(>С<) - (-(СМ2)2-)} (гМ!5= -0.657). Общий итог биологической активности молекулы будет зависеть от конкретного набора логических признаков и соответствующих им информативностей гмх.

Анализ признакового пространства сформированной модели прогноза показал, что для противовоспалительных стероидов наиболее значимы такие функциональные группы, как атом фтора (гмХ= 0.477), кетогруппа (г»^= 0.356), атом серы (гш= 0.325), этиленовый фрагмент (гМ5= 0.241) (рис. 12).

"гмя- коэффициент информативное™ по модели прогноза противовоспалительной активности стероидн ы х сое дм нени й.

(СТ,)

1 <П)

кп

К«£ -) [

I (>( =('<)

I (-Н_Нг»)

I (-5-)

1 (-ОН)

3 (>С=0) I (О)

(Х*-) I (-М1-) [

сз <-с\)

I (-N=00

И*'",),-) [

(-N11,) I <-(СН,)г) с=

I Г-С1 I (К II )

I (СН,1т)

-0,8 -0/,

Ми н.;)и активность

-0,4

-0,2

0

I ( < ";-)

0,2 0.4 0,6

Высока» акшвность

Рис. 12 Функциональные группы и их чначепии кчкффннпентон информативности Гм<..

Также проанализированы закономерности для различных типов триад в структурах стероидных соединений. Так, например, замещение атома водорода у третичного атома углерода во фрагменте (>СН-)-(>СН-)-(>СН-) (гм5= -0.277) до (>СН-)-(>СН-)-(>С<) (гмк= 0.117) увеличит вероятность проявления стероидной структурой противовоспалительной активности.

Проведен анализ структур ряда стероидов, не обладающих противовоспалительной активностью на наличие наименее значимых для противовоспалительной активности фрагментов [рис. 13). н,с

2>гидроксихолестерол

н,с;

сн,

<.-»Г Г ¿>>\Ч<

/ ..... (И

си,

Витамин ДЗ 11-дечоксикортикосгерон

Рис. 13 Структуры стероидов, не обладающие противовоспалительной активностью, и приоритет ?амеи фрагментов с целью увеличения противовоспалительной активности.

В результате установлено, что в структурах 25-гидроксихолестерола, витамина ДЗ за подавление противовоспалительного действия структуры, помимо диметиленовых фрагментов 11-12, 15-16, 1-2 согласно ИЮГ1АК, ответственен также трнметиленовый фрагмент, связанный с трет-С в поло-женин 17.

В результате замены вышеуказанных фрагментов в структуре 11-дезоксикортикостерона, было получено 16 новых структур обладающих высоким уровнем противовоспалительного действия. Три из них представлены на рис. 14.

Рис. 14 Некоторые результаты оптимизации структуры 11-лезокспкортикостерона

1. Установлено, что для низкотоксичных нестероидных противовоспалительных лекарственных средств (НПВС) с высоким уровнем эффективности противовоспалительного действия характерно наличие в молекуле НПВС сульфоновой группы, первичной аминосульфониларильной, метил-сульфонильной, атома брома; фтора, амино-, нитрогруппы. Характерны циклические фрагменты 1,4-дизамещенный бензол, 1, 2, 4, 5 -тетразамещенный бензол, 1,2,4-тризамещенный бензол.

2. Найдено, что наличие в структуре стероидных противовоспалительных средств (СПВС) фрагментов {(>С=С<) - (>С=0) - (>С=С<)}, {(>С=С<) - (>С<) - (>С=С<)} приводит к увеличению их эффективности противовоспалительного действия. К такому же результату приводит наличие в структуре атомов фтора, серы, а также кетогруппы, этиленового фрагмента, метиленовой группы, полиметиленового фрагмента

3. На базе структур диклофенака, индометацина, II-дезоксикортикостерона предложены новые структуры противовоспалительных средств которые с вероятностью 80 - 90% обладают высокой эффективностью при пониженной токсичности по сравнению с базовыми структурами.

4. Предсказано, что ранее неизвестный в качестве лекарственного средства 4-фторфенилметилсульфон должен обладать противовоспалительной активностью. Согласно результатам изучения его общей токсичности и противовоспалительной активности, проведенного в лаборатории новых лекарственных средств Института органической химии Уфимского научного центра РАН, 4-фторфенилметилсульфон обладает ярко выраженной противовоспалительной активностью, сравнимой с известным НПВС ортофе-

ио

гн,

выводы

ном. 4-Фторфенил метилсульфон рекомендован для дальнейшего изучения в целях возможного получения нового противовоспалительного препарата.

СПИСОК РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. А. Я. Герчиков, Ю. Б. Монаков, В. Р. Хайруллина, А. Д. Мухаметов, Г. Г. Гарифуллина, Г. П. Тарасов, J1. А. Тюрина. Новые производные 2-[2-(2,6-дихлораннлнно)фенил]уксусной кислоты с выраженным противовоспалительным действием// Известия ВУЗов. Сер. Химия и хим. технология. 2008 г., т.5 I, №5, с.87-92.

2. В. Р. Хайруллина, А. Д. Мухаметов, Г. Г. Гарифуллина, А. Я. Герчиков, Л. А. Тюрина, Ф. С. Зарудий. Нестероидные противовоспалительные лекарственные средства. Сообщение I. Исследование взаимосвязи «структура-эффективность противовоспалительного действия»// «Биомедицинская химия». - т. 53, вып. №3, 2007 г. - с. 266 - 275.

3. В. Р. Хайруллина, А. Д. Мухаметов, Г. Г. Гарифуллина, А. Я. Герчиков, Л. А. Тюрина, Ф. С. Зарудий. Компьютерный анализ взаимосвязей «структура-активность» для селективных и неселективных ингибиторов ииклооксиге-наз 1 и 2// «Химико - фармацевтический журнал». - Том 41, №4, 2007 г. - с. 37-42.

4. А. Д. Мухаметов, В. Р. Хайруллина, Г. Г. Гарифуллина, А. Я. Герчиков, Л. А. Тюрина, Ф. С. Зарудий. Селективные ингибиторы циклоок-сигеназы-2 на основе индометацина// «Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии». - №4, 2006 г. - с. 28-32.

5. KhayruJItna V. R.. Mukhametov A. D., Тагаsov G. P., Gercbikov A. Y., Garifullina G. G., Turina L. A., Zarudiy F. S. The forecast of anti-inflammatory action effectiveness of medicines// International Conference: De la conception a la realization en pharmacochimie JFB07. - Belgium, Namur, 2007, p. 46.

6. Мухаметов А.Д., Хайруллина В.P., Герчиков А.Я., Гарифуллина Г.Г., Тарасов Г. П., Тюрина Л.А., Зарудий Ф.С. Влияние структуры противовоспалительных средств на эффективность комплексообразования с изомерными формами циклооксигеназ// XVI Международная конференция по химической термодинамике RCCT 2007. - Иваново: ИХР РАН, 2007. - Т. 2, стр. 434.

7. Khayrullina V. R., Mukhametov A. D., Gerchikov A. Y„ Garifullina G. G., Turina L. A.. Zarudiy F. S. Theory of pattern recognition in the development of the low-toxic anti-inflammatory drugs// International Symposium CMTP1 2007/ Moscow. 2007. September, - p. 107.

8. Mukhametov A. D„ Khayrullina V. R., Gerchikov A. Y.. Garifullina G. G., Tarasov G. P.. Turina L. A.. Zarudiy F. S. Diclofenac structural modification for the purpose of optimizing therapeutic properties combination// International Symposium on Advances in Synthetic and Medicinal Chemistry ASMC 07/ Saint-Petersburg, Russia, 27-31 August, 2007. - P. 330.

9. Хайруллина B.P., Мухаметов А.Д., Герчиков А.Я., Гарифуллина Г.Г., Тарасов Г.П., Тюрина Л.А., Зарудий Ф.С. Эффективные нестероидные проти-

вовоспалителыше лекарственные средства с низким уровнем ульцерогенного действия'/ 65-ая юбилейная открытая научно-практическая конференция молодых ученых с международным участием «Актуальные проблемы экспериментальной и клинической медицины». - Волгоград, 2007. - с. 202 - 203.

10. Г. П. Тарасов, А. Д. Мухаметов, В. Р. Хайруллина, Г. Г. Г'арифулли-на, Л. А. Тюрина, Ф. С. Зарудий. Машинный поиск структур противовоспалительных средств с улучшенными показателями эффективности и токсичности// Материалы IV межвузовской конференции молодых учёных. - СПб: СпбГУ ИТМО, 2007. с. 99.

11. В. Р. Хайруллина, А. Д. Мухаметов, Л. А. Тюрина, Г. Г. Гарифулли-на, А. Я. Герчиков. Ф. С. Зарудий. Изучение структурных характеристик эффективных противовоспалительных средств// Международная научно-техническая конференция «Наука и Образование - 2007». - Мурманск: МГТУ, 2007.-е. 8.1! -835.

12. Мухаметов А.Д., Хайруллина В.Р., Тарасов Г. П., Гарифуллина Г.Г., Герчиков А.Я., Тюрина Л.А., Зарудий Ф.С. Изучение взаимосвязи «структура-эффективность противовоспалительного действия» в ряду нестероидных противовоспалительных средств// Проблемы теоретической и экспериментальной химии: тезисы докладов XVII Российской молодежной конференции. - Екатеринбург: Изд-во Урал. Ун-та, 2007. - с. 301-302.

13. Мухаметов А. Д., Хайруллина В. Р., Гарифуллина Г. Г., Герчиков А. Я.. Тюрина Л. А., Зарудий Ф. С. Дизайн структур нестероидных противовоспалительных средств с учетом эффективности и токсичности// Материалы Международной конференции молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов 2007»: Химия. - Москва: МГУ им. М. В. Ломоносова, 2007. - с. 531.

14. Хайруллина В.Р., Мухаметов А.Д., Тарасов Г. В., Гарифуллина Г.Г., Герчиков А.Я., Тюрина Л.А., Зарудий Ф.С. Противовоспалительные средства на основе транс-стнльбенов// Интеграция науки и высшего образования в области био- и органической химии и биотехнологии: Материалы V Всероссийской научной 1МТЕ11ЫЕТ-конференции. - Уфа: Государственное издательство научно-технической литературы «Реактив», 2006.

15. Мухаметов А.Д., Хайруллина В.Р., Гарифуллина Г.Г., Герчиков А.Я.. Тюрина Л.А., Зарудий Ф.С. Модель прогноза эффективности противовоспалительного действия лекарственных средств// Международная научная конференция "Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий". - Томск, 2006. - с. 401-402.

16. Мухаметов А. Д., Хайруллина В. Р., Гарифуллина Г. Г., Герчиков А. Я„ Тюрина Л. А., Зарудий Ф. С. Производные индола как перспективные противовоспалительные средства// Материалы международной конференции «Органическая химия от Бутлерова и Бейльштейна до современности». - Санкт-Петербург, 2006. - с. 464.

17. В.Р. Хайруллина. А.Д. Мухаметов. A.C. Утяшева, Г.Г. Г'арифул-лина, А.Я. Герчиков, Л.А. Тюрина, Ф.С. Зарудий. Конструирование нестероидных противовоспалительных лекарственных лекарственных средств с низким уровнем ульцерогенного действия// Интеграция науки и высшего образования в области био- и органической химии и биотехнологии: Материалы IV Всероссийской научной 1NTER.NET-конференцин. - Уфа: Государственное издательство научно-технической литературы «Реактив», 2006. - с.75.

18. Мухаметов А.Д., Хайруллина В.Р., Утяшева A.C., Баймуратова Г.Р., Гарифуллина Г.Г., Герчиков А.Я., Тюрина Л.А., Зарудий Ф.С. Выявление структурных признаков, ответственных за селективное ингиби-рование ферментов циклооксигеназы-1 и цнклооксигеназы-2// Материалы 10-й Путинской школы-конференции молодых ученых. - Пущино, 2006.-с. 155.

19. Мухаметов А. Д., Утяшева А. С., Хайруллина В. Р., Гарифуллина Г. Г.. Герчиков А. Я., Тюрина Л. А., Зарудий Ф. С. Конструирование производных ибупрофена со сниженным уровнем ульцерогенного действия'/ Материалы Международной конференции молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов 2006»: Химия. - Москва: МГУ им. М. В. Ломоносова, 2006. - с. 34.

20. Мухаметов А.Д., Хайруллнна В.Р., Гарифуллина Г.Г., Герчиков А.Я., Тюрина Л.А., Зарудий Ф.С. Модель прогноза ульцерогенного действия нестероидных противовоспалительных препаратов// Проблемы теоретической и экспериментальной химии: тез. докл. XVI Российской молодежной конференции, посвященной 85-летию со дня рождения профессора В. П. Кочергина. - Екатеринбург: Изд-во Урал. Ун-та, 2006. -с. 319-320.

21. А.Я. Герчиков, В.Р. Хайруллина, А.Д. Мухаметов, Г.Г. Гарифуллина, Г.П. Тарасов, Л.А. Тюрина, Ф.С. Зарудий. Конструирование новых противовоспалительных препаратов/ Материалы III съезда фармакологов России: Санкт-Петербург 23-27 сентября 2007 г// Психофармакол. биол. наркол. 2007, т.7. спец. вып. (сентябрь) 41 (А-П). - с. 167.

Автор выражает благодарность за руководство в процессе выполнения диссертации своему научному руководителю профессору, доктору химических наук Герчикову А. Я., доценту к.х.н Хайрулли-ной В. Р., доценту к.х.н Гарифуллпнон Г. Г., а также профессору д.м.н. Зарудшо Ф. С. за помощи при выполнении данного исследования.

Мухаметов Азат Дилшатович

КОНСТРУИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ,

ОБЛАДАЮЩИХ ПРОТИВОВОСПАЛИТЕЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ, МЕТОДОМ ТЕОРИИ РАСПОЗНАВАНИЯ

ОБРАЗОВ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Лицензия на издательскую деятельность ЛРN» 021319 от 05.01.99 г.

Подписано в печать 19.05.2009 г. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,49. Уч.-изд. л. 1,56. Тираж 100 экз. Заказ 286.

Редакционно-издателъский центр Башкирского государственного университета 450074, РБ, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.

Отпечатано на множительном участке Башкирского государственного университета 450074, РБ, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.

Введение 7 I. Литературный обзор

1.1 Системы и методы анализа связи «структура - активность»

1.1.1 Основные подходы и методы С^АК.

1.1.2 Система прогноза ЭАБШ

1.1.3 Докинг - подходы к созданию новых лекарств

1.2 Особенности механизма проявления биологической активности противовоспалительных лекарственных средств

1.2.1 Нестероидные противовоспалительные лекарственные средства

1.2.2 Стероидные противовоспалительные лекарственные средства

1.3 Поиск новых нестероидных противовоспалительных лекарственных средств

1.3.1 Химическая классификация и направления модификации

Противовоспалительные лекарственные средства широко применяются в клинической практике в терапии воспалительных процессов различной природы [1-2].

Наиболее распространенный класс противовоспалительных препаратов составляют нестероидные противовоспалительные лекарственные средства (НПВЛС) - диклофенак, индометацин, аспирин [3-6]. Однако, несмотря на огромную популярность, весьма серьезным недостатком их применения является проявление гастро- и -нефротоксического воздействия [7-10].

Другим достаточно часто назначаемыми в клинической практике классом противовоспалительных средств являются стероидные противовоспалительные лекарственные препараты (СПВП) — гидрокортизон, его эфиры, дефлузонид, алклометазон и другие [11]. Более высокая биологическая активность СПВП позволяет использовать их в наиболее тяжелых клинических ситуациях. Однако, они обладают и широким спектром тяжелых побочных эффектов [12-14].

Таким образом, поиск новых биологически активных соединений, сочетающих высокую противовоспалительную активность с низким уровнем токсического действия, является актуальной задачей. Наличие объективной взаимосвязи между строением и биологическими свойствами веществ позволяет использовать для этих целей методы теории распознавания образов.

Целью данной работы является проведение систематических исследований взаимосвязи структура - активность, а также приложение установленных закономерностей к модификации известных противовоспалительных лекарственных средств, с целью снижения их негативных побочных эффектов с сохранением высокого уровня противовоспалительной активности.

I Литературный обзор

IV. Выводы

1. Установлено, что для низкотоксичных нестероидных противовоспалительных лекарственных средств (НПВС) с высоким уровнем эффективности противовоспалительного действия характерно наличие в молекуле НПВС сульфоновой группы, первичной аминосульфониларильной, метилсульфо-нильной, атома брома; фтора, амино-, нитрогруппы. Из циклических фрагментов для них характерны: 1,4-дизамещенный бензол, 1,2,4,5 — тетразамещенный бензол, 1,2,4-тризамещенный бензол.

2. Найдено, что наличие в структуре стероидных противовоспалительных средств (СПВС) фрагментов {(>С=С<) - (>С=0) - (>С=С<)}, {(>С=С<) -(>С<) - (>С=С<)} приводит к увеличению эффективности их противовоспалительного действия. К такому же результату приводит наличие в структуре атомов фтора, серы, а также кетогруппы, этиленового фрагмента, метилено-вой группы, полиметиленового фрагмента

3. На базе структур диклофенака, индометацина, 11-дезоксикортикостерона предложены новые структуры противовоспалительных средств, которые с вероятностью 80-90% обладают высокой эффективностью при пониженной токсичности по сравнению с базовыми структурами.

4. Предсказано, что ранее неизвестный в качестве лекарственного средства 4-фторфенилметилсульфон должен обладать противовоспалительной активностью. Согласно результатам изучения общей токсичности и противовоспалительной активности этого соединения, проведенного в лаборатории новых лекарственных средств ИОХ УНЦ РАН, 4-фторфенилметилсульфон обладает ярко выраженной противовоспалительной активностью, сравнимой с известным НПВС ортофеном. 4-Фторфенилметилсульфон рекомендован для дальнейшего изучения в целях возможного получения нового противовоспалительного препарата.

1. Зиганшипа Л.Е., Зиганшин А.У. Возможности лекарственной регуляции воспаления: обзор// Казан, мед. журн. - 1996. - №3. - С. 212-216.

2. Насонов E.JI. Нестероидные противовоспалительные препараты (Перспективы применения в медицине)/Москва: Издательство «Анко», 2000. 143 с.

3. Brooks P.M., Day R.O. Non-steroidal anti-inflammatory drugs: differences and similarities// N. Engl. J .Med. 1993. - V. 324. - P. 1716-1725.

4. Насонов E.JI. Применение нестероидных противовоспалительных препаратов: терапевтические перспективы// РМЖ. 2002. - 10. - 4. - С. 206-212.

5. Мусалатов Х.А. Применение НСПВП нового поколения в травмотологии и ортопедии// Вестник травматологии и ортопедии. 2002. - №1. - С. 49-53.

6. Насонов E.JI., Цветкова Е.С. Селективные ингибиторы циклооксигеназы — 2: новые перспективы лечения заболеваний человека // Терапевт, арх. 1998. - №5. - С. 8-14.

7. Simon L.S., Smolen J.S., Abramson S.B. et al. Controversies in COX-2 selective inhibition// J. Rheumatology. 2002. - V. 29. - P. 1501-1510.

8. Strand Y., Hochberg M,C. The risk of cardiovascular thrombotic events with selective cyclooxigenase-2 inhibitors// Arthritis Care Res. 2002. - V. 47. - P. 249-255.

9. Kujuba D.A., Herschman H.R.// J. Biol. Chem. 1992. - V. 267. - P. 7991-7994.

10. Насонов E. Jl. Глюкокортикоиды: 50 лет применения в ревматологии// Терапевт. Арх.- 1999. №5.-С. 5-9.

11. Алексеева А.И. Побочные эффекты длительного лечения глюкокортикоидами у больных с тяжелыми вариантами ювенильного ревматоидного артрита// Мед. Помощь. 2000.- №6, С. 49-51.

12. Багкаев Э.А., Рюмин Д.В. и др. Осложнения топртческой кортикостероидной терапии// Вестник последипломного образования. 2004. - №2. - С. 8-10.

13. Ергеев П.В., Карева Е.Н. Гипотетическая модель действия стероидных гормонов// Пробл. Эндокринологии. 1993. - Т. 39. -№4. - С. 48^19.

14. Кадыров Ч.Ш., Тюрина Л.А., Симонов В.Д., Семенов В.А. Машинный поиск препаратов с заданными свойствами/ Ташкент: Фан, 1989. 164 с.

15. Стьюпер Э., Брюггер У., Джуре П. Машинный анализ связи химической структуры и биологической активности/ М.: Мир, 1982. 235 с.

16. Pliska V., Testa В., Waterbeemd Н. Lipophilicity in Drug Action and Toxicology/ Weinheim: VCH, 1996.-P. 311-337.

17. Kim H.-J., Chae C.H., Yi K.Y., Park K.-L., Yoo S.-e. Computational studies of COX-2 inhibitors: 3D-QSAR and docking // Bioorganic and Medicinal Chemistry. 2004. - V. 12. - № 7. -P. 1629-1641.

18. Кузьмин В.E., Артеменко А.Г., Ковдиенко Н.А., Желтвай А.И. Решеточные модели молекул для решения задач QSAR // Химико фармацевтический журнал. - 1999. - № 4. -С. 14-20.

19. Turner B.D., Willett P. Evaluation of the EVA descriptor for QSAR studies: 3. The use of a genetic algorithm to search for models with enhanced predictive properties (EVA-GA) // Journal of Ethnopharmacology. 2000. - № 6. - P. 110-150.

20. Buchbauer G., Klinsky A., Weiss-Greiler P., Wolschann P. Ab initio Molecular Electrostatic Potential Grid Maps for Quantitative Similarity Calculations of Organic Compounds // Journal of Molecular Modeling. 2000. - V. 6. - № 4. - P. 425-430.

21. Tanu M., Hashimoto К. Structure toxicity: relationship of acrylates and metacrylates// Toxicol. Lett. - 1982.-V. 11.- № 1.-2.-P. 125-129.

22. Babu M.A., Shakya N.N., Prathipati P.P., Kaskhedikar S.G., Saxena A.K.A. Development of 3D-QSAR models for 5-Lipoxygenase antagonists: chalcones// Bioorganic and Medicinal Chemistry. 2002. - V. 10. - № 12. - P. 4035-4041.

23. Кирлан В.В. Прогноз и молекулярный гетероорганических соединений с комплексом заданных свойств// Дисс. . канд. хим. наук. Уфа. - 2003. - 337 с.

24. Brooijmans N. & Kuntz l.D. Molecular recognition and docking algorithms// Ann. Rev. Bio-phys. Biolmol. Struct. 2003. - V. 32. - P. 335-373.

25. Des.larlais R. L. Docking flexible ligands to macromolecular receptors by shape// J. Med Chem.- 1986.-V. 29. P. 2149-2153.

26. Kramer В., Rarcy M. Lcngauer T. Evaluation of the FlexX incremental construction algorithm for protcin-1 igand docking// Proteins. 1999. - V. 37. - P. 228-241.

27. Welch W., Ruppert J. & Jain A.N. Hammerhead: fast, fully automated docking of flexible ligands to protein binding sites// Chem. Biol. 1996. - V. 3. - P. 449^162.

28. Olson A.J. & Goodsell D.S. Automated docking in crystallography: analysis of the substrates of aconilasc//Proteins. 1993.-V. 17.-P. 1-10.

29. Wcsthcad D. R., Clark D. E. & Murray C. W. A comparison of heuristic search algorithms for molecular docking// J. Comput. Aided Mol. Des. 1997. - V. 11. - P. 209-228.

30. Deng Z. Chuaqui C. & Singh. J. Structural interaction fingerprint (SIFt): a novel method for analyzing threcdimensional protcin-ligand binding interactions// J. Med. Chem. 2004. - V. 47. - P. 337-344.

31. Ewing T.J.A. Makino S. Skillman A.G. & Kuntz l.D. DOCK 4.0: scarch strategies for automated molecular docking of flexible molecule databases// J. Comput. Aided Mol. Des. -2001.-V. 15.-P. 411-428.

32. GOLD Version 1.2. / http://vvvvvv.ccde.cam.ac.uk/ products/lifesciences/gold/. 2003.

33. Friesner R. A. et al. Glide: a new approach for rapid, accurate docking and scoring. 1. Method and assessment of docking accuracy// J. Med. Chem. 2004. - V. 47. - P. 1739-1749.

34. PengH. el al. Identification of novel inhibitors of BCR-ABL tyrosine kinase via virtual screening. Bioorg// Med. Chem. Lett. 2003. - V. 13. - P. 3693-3699.

35. Rarey M, Kramer В., Lengauer Т. & Klebe G. A fast flexible docking method using an incremental construction algorithm// J. Mol. Biol. 1996. - V. 261. - P. 470-489.

36. Morris G.M. et al. Automated docking using a Lamarckian genetic algorithm and an empirical binding free energy function//J. Comput. Chem. 1998. - V. 19. - P. 1639-1662.

37. Verdonk M.L., Cole J.C., Hartshorn M.J., Murray C.W. & Taylor R. D. Improved protein-ligand docking using GOLD// Proteins. 2003. - V. 52. - P. 609-623.

38. Böhm 11.-J. LUD1: rule-based automatic design of new substituents for enzyme inhibitor leads// J. Comput. Aided Mol. Des. 1992. - V. 6. - P. 593-606.

39. Böhm ll.J. The development of a simple empirical scoring function to estimate the binding constant for a protein-ligand complex of known three-dimensional structure// J. Comput. Aided Mol. Des. 1994. - V. 8. - P. 243-256.

40. Wang R., Liu L., Lai L. & TangY. SCORE: a new empirical method for estimating the binding affinity of a protein-ligand complex// J. Mol. Model. 1998. - V. 4. - P. 379-394.

41. Wang R. Lai L. & Wang S. Further development and validation of empirical scoring functions for structure-based binding affinity prediction// J. Comput. Aided Mol. Des. 2002. - V. 16.-P. 11-26.

42. Mueggc I. A knowledge-based scoring function for protein-ligand interactions: probing the reference state// Perspect. Drug Discov. Des. 2000. - V. 20. - P. 99-114.

43. Gohlke H., Hendlich M. & Klebe G. Knowledge-based scoring function to predict protein-ligand interactions// J. Mol. Biol. 2000. - V. 295. - P. 337-356.

44. DeWitte, R. S. & Shakhnovich, E. 1. SMoG: de novo design method based on simple, fast, and accurate free energy estimates. 1. Methodology and supporting evidence// J. Am. Chem. Soc. 1996. - V. 118. - P. 11733-11744.

45. Karplus M. & Miranker A. Functionality maps of binding sites: a multiple copy simultaneous search method// Proteins. 1991. - V. 11. - P. 29-34.

46. Caflisch A. Computational combinatorial ligand design: application to human a-thrombin// J. Comput. Aided Mol. Des. 1996. - V. 10. - P. 372-396.

47. Pearlman D.A. & Charifson P.S. Improved scoring of ligand-protein interactions using OWFEG free energy grids// J. Med. Chem. 2001. - V. 44. - P. 502-511.

48. Aquist J., Medina C. & Samuelsson, J.E. A new method for predicting binding affinity in computer-aided drug design// Protein Eng. 1994. - V. 7. - P. 385-391.

49. Kollman. P. A. et al. Calculating structures and free energies of complex molccules: combining molecular mechanics and continuum models// Acc. Chem. Res. 2000. - V. 33. P. 889-897.

50. Sitkoff D.F. Sharp K.A. & Honig, В. Accurate calculation of hydration free energies using macroscopic continuum models// J. Phys. Chem. 1998. - V. 98. - P. 1978-1983.

51. Sheridan R., Holloway M.K., McGaughey G.B., Mosley R.T. & Singh S.B. A simple method for visualizing the differences between related receptor sites// J. Mol. Graph. Model. 2002. -V. 21.-P. 71-79.

52. Picot D., Loll P.J., Garavito M. The X-ray crystal structure of the membrane protein prostaglandin synthase// Nature. 1994. - №367. - P. 243-249.

53. Насонов E.JI. Значение циклооксигеназы-2 в развитии боли// Терапевтический архив. — 1998. №5. -С. 8-14.

54. Викторов А.П. Селективная ингибиция изоформ циклооксигеназы: новый подход к изысканию эффективных и безопасных НПВП// Врачебное дело. 1997. - №5. - С. 106111.

55. Ленинджер А. Основы биохимии// Москва: Издательство «Наука». 1986. - Т. 3. - С. 779-786, 801-808.

56. Bradshaw R.A., Frazier W.A. Hormone Receptors as Regulators of Hormone Action// Curr. Top. Cell Regul. 1977. - V. 12,- P. 1-35.

57. O'Malley B.W., Schrader W.T. The Receptors of Steroid Hormones/ Sci. Am. 1976. - V. 234.-P. 32.

58. Sutherland E. W. Studies on the Mechanism of Hormone Action/ Science. 1972. - P. 401408.

59. T. Rhen, Cidlowski J.A. Antiinflammatory Action of Glucocorticoids — New Mechanisms for Old Drugs// N. Engl. J. Med. -2005. -V. 353. P. 1711-1723.

60. Talley J.J. Selective inhibitors of cyclooxygenase-2 (COX-2)// Prog. Med. Chem. 1999. -V. 36.-P. 201-234.

61. Dannhardt G., Laufer S. Structural approaches to explain the selectivity of COX-2 inhibitors: Is there a common pharmacophore?// Curr. Med. Chem. 2000. - V. 7. - P. 1101-1112.

62. Black W.C., Bayly C., Belley M., Chan C.C., Charleson S., Denis D., Gauthier J.Y., Gordon R., Guay D., Kargman S., Lan C.K., Leblanc Y., Mancini J., Quellet M., Percival D.,

63. Kalgutkar A.S., Marnett А.В., Crews B.C., Remmel R.P., Marnett L.J. Ester and amide derivatives of the nonsteroidal antiinflammatory drug, indomethacin, as selective cyclooxygenase-2 inhibitors// J. Med. Chem. 2000. - V. 43. - №15. - P. 2860-2870.

64. Barnett J.W., Dunn J.P., Kertesz D.J., Morgans А.В., Ramesha C.S., Sigal C.E., Sjogren E.B., Smith D.B., TalaTalamas D.B. / Eur. Pat. Appl. EP 714895; Chem. Abstr. 125,142546.

65. Carson J.R., Wong S. 5-Benzoyl-l-methylpyrrole-2-acetic acids as antiinflammatory agents. 2. 4-Methyl compounds// J. Med. Chem. 1973. - V. 16. - P. 172-174.

66. Stewart K.D., Loren S., Frey L., Otis E., Klinghofer V., Hulkower K.I. Discovery of a new cyclooxygenase-2 lead compound through 3-D database searching and combinatorial chemistry// Bioorg. Med. Chem. Lett. 1998. - V. 8. - P. 529-534.

67. Black C., Girard M., Guay D., Wang Z.// Chem. Abstr. 1997. - V. 127. - №220465.

68. LEONARD H. ROME AND WILLIAM E. M. LANDS. Structural requirements for time-dependent inhibition of prostaglandin biosynthesis by anti-inflammatory drugs// Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1975. - V. 72. - №12. - P. 4863-4865.

69. Wen Hui HU, Zon Ru GUO*, Ai Ping BAI, Zhi Bin XU. A Convenient Synthesis of the Substituted 2, 3-Diarylindole the Potent Selective COX-2 Inhibitors// Chin. Chem. Lett. 2002. - V. 13.-№4.-P. 296-298.

70. Akaho E., Fujikawa Ch., Runion H. I., Hill C. R., and Nakano II. Study on Binding Models of Nonsteroidal Antiinflammatory Drugs to COX1 and COX2 as Obtained by Dock 4.0// J. Chem. Software. 1999. - V. 5. - № 3.

71. Jiang Zhu, Haibo Yu, Hao Fan, Ilaiyan Liu & Yunyu Shi. Design of new selective inhibitors of cyclooxygenase-2 by dynamic assembly of molecular building blocks// Journal of Computer-Aided Molecular Design. 2001. - V. 15. - P. 447-463.

72. Liu S. S., Yin C. S„ Shi Y. Y., Cai S. X., Li Z. L., MEDV-13 For QSAR Studies on the COX-2 Inhibition By Indomethacin Amides and Esters// Chin. J. Chem. 2001. - V. 19. - P. 751-756.

73. Raichurkar A.V. and Kulkarni V.M. 3D-QSAR of Cyclooxygenase-2 Inhibitors by Genetic Function Approximation// Internet Electronic Journal of Molecular Design. 2003. - V. 2. - P. 242-261.

74. Barreiro E.J., Fraga C.A. M., Miranda A. L. P., Rodrigues C. R. A Química Medicinal de N-acilidrazonas: novos compostos-prototipos de farmacos analgésicos, antiflamatorios e antitrom-boticos//Quim. Nova. -2002. V. 25.-№ l.-P. 129-148.

75. Foye W.O., Lemke T.L. and Williams D.A. Principles of Medicinal Chemistry/ Williams & Wilkins: Fourth Edition, 1995.

76. Terry R. Stouch and Peter C. Jurs. Computer-Aided Studies of the Structure-Activity Relationships between the Structure of Some Steroids and Their Antiinflammatory Activity// Journal of Medicinal Chemistry. 1986. - V. 29. - № 11.

77. Bodor N., Harget A.J., and Edward W. Phillips. Structure-Activity Relationships in the Antiinflammatory Steroids: A Pattern-Recognition Approach// J. Med. Chem. 1983. - V. 26. - P. 318-328.

78. Robinson D.D., Winn P. J., Lyne P.D. and Richards W.G. Self-organizing Molecular Field Analysis: A Tool for Structure-Activity Studies// J. Med. Chem. 1999. - V. 42. - P. 573-583.

79. Wenz J.J. and Barrantes F.J. Steroid Structural Requirements for Stabilizing or Disrupting Lipid Domains// Biochemistry. 2003. - V. 42. - P. 14267-14276.

80. Cvitas T., Covac B., et al. Photoelectron spectra, electronic structure and long-range electronic interaction in some steroids// Pure&Appl. Chem. 1989. - V. 61. - №12. - P. 2139-2150.

81. Dannhardt G., Kiefer W. Cyclooxygenase inhibitors current status and future procpects// Eur. J. Med. Chem. - 2001. - V. 36. - P. 109-126.

82. Bovill J.G. AINES Cox-2 Selectivos// vvww.medens.com, P. 1-15

83. Romeiro A., Barreiro C. Inhibidores selectivos de prostaglandina endoperoxido sintase-2 (PGHS-2): nova estrategia para о tratamento da inflamacao// Quimica Nova. 1998. - V. 21. -№6.-P. 761-771.

84. Ryn J., Trummlitz G. and Pairet M. COX-2 Selectivity and Inflammatory Processes// Current Medicinal Chemistry. 2000. - V. 7. - P. 1145-1161.

85. Stewart K.D., Loren S., Frey L., Otis E., Klinghofer V., and Hulkower K.I. Discovery of a new cyclooxygenase-2 lead compound through 3-D database searching and combinatorial chemistry// Bioorg. Med. Chem. Lett. 1998. - V. 8. - P. 529-534.

86. Veloso R.C.R., Verli M.P., Fraga H., Miranda C.A.M., Barreiro A.L.P. Selective PGHS-2 Inhibitors: A Rational Approach for Treatment of the Inflammation// Current Medicinal Chemistry. 2002. - V. 9. - №8. - P. 849-868.

87. Information from Cayman Chemical Corp. web resource: www.caymanchem.com/app/template/productLine,Cyclooxygenase.vm/a/z

88. Heck S., Bender К., Kullmann М., Gottlicher М., Herrlich P. and Lato А. С. В. IkB-alfa-independent downregulation of NF-kB activity by glucocorticoid receptor// The EMBO Journal. 1997. - V. 16. - № 15. - P. 4698-4707.

89. Lau C.K., Black W.C., Belley M., Chan C. From indomethacin to a selective COX-2 inhibitor. Development of indolalkanoie acids as potent and selective cyclooxygenase-2 inhibitors.// Adv. Exp. Med. Biol. 1997. - V. 407. - P. 73 - 78.

90. Беленький М.Л. Элементы количественной оценки фармакологического эффекта/Л: Медгиз, 1963. 152 с.

91. Руководство по экспериментальному (доклиническому) изучению новых фармакологических веществ. Под ред. Фисенко В.П./ М.: ЗАО ИИА «Ремедиум», 2000.1<9