Ксантины и бензимидазолы, прогноз биологической активности и молекулярный дизайн тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ТОКУНОВА ЭЛЬВИРА ФАРИТОВНА

КСАНТИНЫ И БЕНЗИМИДАЗОЛЫ, ПРОГНОЗ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ И МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ДИЗАЙН

Специальность 02.00.03 - Органическая химия 14.00.25 - Фармакология, клиническая фармакология

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Тюрина Л.А.

Научный консультант: доктор химических наук, профессор Кантор Е.А.

/¡Г»

С

Уфа - 2001 г.

Сфдержжшш©

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8

1.1. Микросомальная ферментная система метаболизма (МФС) и модуляторы её активности - индукторы и ингибиторы. 8

исследования зависимости между структурой и активностью

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

и пттт;

4„2„

ЮЗА АКТИВНОСТИ МОДУЛЯТОРОВ МФС

!ФС 47

ЛЕНИН СИНТЕ 1ЬИО АКТ

3

53. Электронные и энергетические характеристики производных азолов

на основе результатов квантово-химичееких расчетов. 74

.4. Комплексный анализ влияния структурных параметров производных

азолов на проявление активности ингибиторов МФС и токсичности 94

6 Л. Методика компьютерных исследований связи структура - активность'. 99

ВВЕДЕНИЕ

Фармакологическая регуляция активности МФС осуществляется с помощью индукторов и ингибиторов этой системы.

Модуляция активности МФС должна рассматриваться как потенциальный

способ смягчения симптомов и коррекции широкого круга заболеваний,

особенно затрагивающих гепатобилиарную систему. Это приемлемо в равной

степени как к депрессорам, так и к индукторам МФС Метаболизм ряда

ксенобиотиков (полиароматические углеводороды (ПАУ), ароматические

амины и др.) идет по пути токсификации - образования высокореактивных

ишгермедиатов, обладающих канцерогенностыю, мутагенностью, иммуно»,

гепато- и эмбриотокеичностыю. Весомая роль индукции отдельных изоформ

цитохрома Р-450 в канцерогенезе и мутагенезе определяет перспективы

дальнейшего поиска микросомальных ингибиторов как потенциальных 66 /

антидотов проканцерогенов (полициклическои ароматики,

полихлорированных бифенилов, бензолов, фенолов и. др.) и собственно противоопухолевых средств. Ингибиторы МФС могут найти применение для профилактики онкологических заболеваний, причиной которых служит

лекарственная терапия или контакт с вредными химикатами.

Перспективным считают применение индукторов МФС при передозировке лекарств и витаминов, при эндогенных интоксикациях, вызванных ожогами, лучевой болезнью, почечной недостаточностью и пр., при острых и хронических отравлениях ксенобиотиками, т.к. окисление последних сопровождается образованием гидрофильных метаболитов, легко выводимых из организма.

Гетероциклические соединения, содержащие атом азота (азолы), и их производные обладают очень широким спектром биологического действия и находят применение в качестве лекарственных средств. В медицине и ветеринарии нашли применение множество лекарственных препаратов, производных азолов, проявляющих иммунотропную, спазмолитическую, гипотензивную, кардиотоническуго, антишстаминную, противоязвенную, антигельминтную, противогрибковую, противовирусную и другие виды активности. Это позволяет рассматривать производные азолов как один из возможных перспективных классов соединений, которые могут проявлять себя в качестве индукторов и ингибиторов МФС.

Поэтому несомненный интерес представляет вопрос изучения связи структура-активность модуляторов МФС, как вновь синтезированных лекарственных средств, так и уже хорошо известных, применяемых в клинике. Это позволит не только прогнозировать возможные побочные эффекты и характер взаимодействия ксенобиотиков, но и даст ключ химикам-синтетикам,

идущим по пути создания лекарственных препаратов, действие которых базируется на коррекции функциональной активности МФС.

исследуемый тип активности;

2) разработка и апробация моделей прогноза;

3) определение направлений модификации азолов, молекулярный дизайн потенциально перспективных ингибиторов МФС, в том числе с учетом токсикометрических характеристик.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые систематически изучено влияние строения производных азолов на модулирующее действие в отношении МФС.

Выявлена ряд закономерностей, связывающих строение производных бензимидазола и ксантина с ингибирующей активностью и отличие их от признаков, характеризующих индукторы МФС. Для ингибиторов характерно наличие следующих фрагментов:

а) циклических - 1,3,7кимещеннош пуриновош, бензимидазольного, шетановош циклов, 1,3-Аг, 1,4-Аг и 1,2,4-Аг. В отличие от ингибиторов для индукторов характерно наличие 3,7~замещённого пуриновош цикла, содержащего в составе заместителя третичный азот, 2, 3, 6= замещённого пуриновош цикла в составе дигидротиазоло[2,3~]Е]пурина, бензимидазольнош цикла, содержащего вторичную аминогруппу, пиперидина, пергидроазепина, морфолина;

б) ациклических - нитро-, аминогруппы, группы -№=С<, связанной с метальной группой или вторичной аминогруппой.

Определены перспективные направления синтеза новых азолов -потенциальных ингибиторов МФС, которые заключаются в том, что расчетным путём выявлены производные бензимидазола и ксантина и их функциональные группы, модификация которых наиболее предпочтительна.

Предпочтительной тенденцией дизайна является модификация производных ксантина, содержащих в качестве заместителей тиетановый (тиетан(ди)оксидный) цикл и фенил, замещенный атомом хлора или аминогруппой в пара-положении, (преимущественная замена атома азота и оксогруппы 6 - членного кольца ксантиновош цикла). Квашгово-химические

7

расчеты показали, что атомы, предлагаемые к замене, участвуют в образовании граничных орбиталей и являются наиболее благоприятными для изменений свойств молекулы в целом; отрицательное значение энергии низшей свободной молекулярной орбитали (НСМО) и относительно низкая разность энергий НСМО и ВЗМО свидетельствует о выраженной склонности к межмолекулярным взаимодействиям.

тельные для модификации их функциональные группы, являющиеся

основой для целенаправленного синтеза потенциальных ингибиторов МФС

Сформированы компьютерные база данных и база знаний, содержащие сведения о влиянии фрагментов на модулирующее действие, характеристики направлений модификации и модели прогноза активности азолов по отношению к МФС, необходимые для дизайна и прогнозной оценки новых ингибиторов. Они внедрены и используются для синтеза, прогноза и определения направлений биотестирования производных азолов на кафедре фармацевтической химии БГМУ и институте медицины труда и экологии человека. Результаты исследования используются также в образовательном процессе в УГШГУ.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

К1. Микросомальная ферментная система метаболизма (МФС) и модуляторы её

активности - индукторы и ингибиторы

В настоящее время происходит всевозрастающее загрязнение ксенобиотиками внешней среды и увеличивающееся их поступление в организм человека. Ксенобиотики (чужеродные вещества) - это природные и синтетические непитательные вещества, которые, поступая в организм человека, не используются как источники энергии и структурные компоненты тканей. По мнению [1] ксенобиотики можно разделить на три группы: 1) продукты хозяйственной деятельности человека (промышленность, транспорт, сельское хозяйство), 2) бытовая химия, 3) лекарственные вещества. Однако организм не беззащитен: в клетках происходит метаболизм, связывание и выведению ксенобиотика» Функцию детоксикации ксенобиотиков в организме человека при первой фазе метаболизма выполняет система цитохрома Р-450, называемая также микросомальной системой метаболизма или монооксигеназной системой [2-7].

Основная биологическая роль МФС связана со способностью осуществлять окисление низкомолекулярных химических соединений, как поступающих в организм извне (лекарственные вещества, яды, пищевые добавки, атмосферные загрязнения), так и эндогенных биологически активных веществ, образующихся в клетке (холестерин, насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, стероидные гормоны, простагландины и др.) [8, 9].

Семейство цитохромов Р-450 включает в себя по крайней мере 4 группы изоформ [10=12]. Цитохром Р-450 I окисляет "плоские" молекулы субстратов с образованием высокореактивных интермедиатов. Подгруппа Р-4501А1 взаимодействует преимущественно с ПАУ (бензпиреном, 3=метилхолантреном), Р-4501А2 - с ароматическими аминами (типа в=нафтиламина). В результате

образуются продукты, нприводящие к повреждению клетки и канцерогенезу.

9 ^-^У-Л Л 9

1Т К ИХ

юнзол, (Ь<Ы4 и т„д

проетагландинов

поступления ксенобиотиков в организм (желудочно-кишечный тракт, печень,

шдроксилирование циклических углеводородов (бензол, фенол, анилин,

1чн,

м.

он

анилин

ю по азоту алк!

н,с

н—снэ

НэС

СрИ

еР5

С6Н§

моно-метил-аминоантипириы амино-антипирин

3) деалкилирование по кислороду (кофеин, колхицин, фенацетин), например:

1МН—с-сн3

о---С,Н5

N4 —С——СН3

ОН

4]

3—сн3

по атому серы (производные пурина] зн

н

6-метилтиопурин

б-тиопурин

6) окисление по атому азота (аминазин, никотин, анилин), например:

мн,

-он

*ч

8=Р — (С2Н30)2 О

зенилгидроксиамин Жирование (паратион, та

0=Р — (С2Н50)2

В связи с выявлением множественности форм цитохрома Р-450 доказана ,с одной стороны, избирательная способность отдельных изоформ к метаболизму ограниченного числа субстратов, с другой - элективная индукция различных цитохромов под воздействием экзогенных и эндогенных факторов [10].

Фармакологическая регуляция активности микросомальной ферментной системы осуществляется с помощью индукторов и ингибиторов этой системы.

Хорошо известно, что ксенобиотики, в том числе и лекарственные

появление угрожающих жизни желудочковых аритмий, переходит

Принимая во внимание лишь фармакометаболизирующую функцию печени, оценка способности соединений регулировать функции МФС

антидоты при отравлении «суицидными субстратами» [27-33]. Доказана эффективность ингибиторов метаболизма ATRA (all-trans retinoic acid) (CYP 26) в лечении псориаза [22]. Ингибиторы CYP1А2 могут найти применение для профилактики онкологических заболеваний, причиной которых служит лекарственная терапия или контакт с вредными химикатами. Кроме того, поскольку окислительная инактивация лекарственных соединений уменьшает их терапевтический эффект, иншбирование CYP1А2 позволяет снизить обычно применяемые дозы.

Для поиска эффективных модуляторов важным моментом является знание зависимостей, связывающих их строение и действие. Поэтому несомненный интерес представляет вопрос изучения связи структура-

Весь процесс создания нового лекарственного соединения может быть разделен на 3 основных этапа: 1) поиск биологически активного вещества, обладающего нужным фармакологическим действием; 2) исследование этого соединении! в эксперименте ш vitro и от vivo; 3) получение разрешения Национальной администрации по лекарствам (FDA - в США, Фармкомитет - в России, и т.д.) и проведение испытаний в клинике [35]. В.В. Поройков в своем электронном обзоре выделяет еще один этап - поиск мишени действия нового лекарства [36]. Одним из самых дорогих и трудоемких этапов является этап разработки новых лекарственных средств. Ускорение и удешевление этой стадии, на которое в настоящее время направлено много усилий, является основной задачей рационального компьютерного конструирования новых лекарственных соединений. Быстрое развитие компьютерной техники за

ттгл^г* Tirar пг/р^югнрюгпг/алго^ тпг^п>талтт¥;п"Г!Г/гь о/гътг/^анртатгтп. n^AvA ттгтитг тг;г ^/Гьте/'Гм^ттлпр'П!

точных расчетах геометрии и физико-химических свойств молекул [52]. Они предполагают компьютерное моделирование взаимодействия лиганда с молекулой-мишенью путем анализа места связывания лиганда в макромолекуле и поиск новых лигандов в существующих компьютерных банках данных трехмерных структур малых молекул. Информацию о пространственном строении макромолекулы-мишени получают из компьютерного банка РВВ (Brookhaveii National Laboratory) [53], при её отсутствии моделирование может быть проведено на основе рентгеноструктурных данных о строении белка-шмолога. Методы, основанные на знании структуры места связывания лиганда в макромолекуле-мишени, называются прямыми методами поиска, в их основе лежат процедуры молекулярного докинга. Существенным ограничением использования прямых методов является то, что необходимо знание трехмерной структуры комплекса макромолекулы-мишени с лигандом, а в большинстве случаев оно отсутствует. Проблема может быть преодолена путем создания трехмерной компьютерной модели макромолекулы-мишени и её комплексов с известными лигандами.

Сокращение первичной выборки веществ-кандидатов на роль нового лекарства при скрининге малых молекул может быть осуществлено с использованием знаний об их метаболизме на цитохроме Р-450, путем предсказания судьбы лекарства в организме. Как отмечено в [35] этот подход важен, так как позволит избавиться от соединений, которые при метаболизме образуют токсические, канцерогенные, мутагенные и т.п. продукты

В работах [54, 55] предложен метод фронтальных многоугольников (ФМ), с помощью которого можно выделить общие структурные фрагменты в ряду соединений с определенным типом активности. Разработан также способ количественной оценки комплементарности лиганда к рецептору, позволяющий прогнозировать активность соединений, не вошедших в обучающую выборку [56]. По методу ФМ рецептор представляется как последовательность не связанных между собой фрагментов (мультиплетов), содержащих наборы

В связи с широкими возможностями компьютерной техники в последнее время интенсивно развиваются работы по разработке новых алгоритмов [57-59], подходов (основанных на методологии искусственных нейронных сетей [60-62] и методе анализа топологии молекулярного поля) [60], параметров [63-69] и программных комплексов [70-72].

В методах SAR широко используются методы теории распознавания образов [73-77]. Их применение позволяет выявить многофакторные зависимости действия химических соединений от характеристик их строения, особенно в условиях неопределенности информации, которая характерна для данных о биологической активности. Основная задача метода распознавания образов состоит в выработке эффективного решающего правила, для

построения которого используются разные математические методы: дискриминантный анализ [78], метод главных компонент [73], факторный анализ [73], кластер-анализ [79, 80] и др. Среди них система SARD [81, 82], специализированная на выборе и моделировании структур для синтеза конкретных химических соединений с прогнозируемыми биологическими свойствами.

Все подходы, методы и программы для исследования связи «структура -активность» очень интересны и эффективны. Но большинство из них мало пригодно для моделирования и конструирования структур с определенным видом биологической активности. Для целенаправленного синтеза химических соединений с определенной активностью необходимо использовать компьютерные системы, ориентированные на конструирование конкретных химических соединений. Одна из таких систем - это система SARD [57, 91], которую мы выбрали для проведения анализа связи между структурой и активностью в ряду модуляторов МФС.

1.3. Анализ зависимостей между строением химических соединений и их модулирующей активностью по отношению к МФС

Зависимости между строением и действием в классах азотсодержащих гетероциклических соединений являются предметом внимания исследователей. Зависимости между структурой и активностью изучаются различными методами: от визуально-аналитических и формализованных методов до механизмов.

Результаты анализа взаимосвязи структура-активность позволяют обнаружить общие физико-химические свойства, фрагменты и другие характеристики молекул, связывающие их со свойствами индукторов МФС.

Авторами [10, 15, 83] выделены следующие основные группы индукторов МФС: 1) ПАУ и диоксаны, характеризующиеся избирательной индукцией метаболизма азокрасителей и ПАУ; 2) индукторы фенобарбиталовош типа,

По мнению авторов обзора [84], как правило, индукторы МФС являются типичными ксенобиотиками с большим периодом элиминации из организма. Вследствие наличия в их структуре связей С-галоген, С-М, С=0, в которых выражены электроноакцепторные свойства гетероатома, индукторы являются поляризуемыми соединениями. В большинстве случаев они характеризуются наличием гидрофобного фрагмента, что обеспечивает высокую растворимость в липидах (липофильноеть).

Важную роль в проявлении свойств индукторов фенобарбиталового типа играют информационные особенности ксенобиотиков. Для бензильных и бензгидрильных производных, орто-замещенных б