Современное состояние и перспективы поиска новых, высокоэффективных лекарственных средств

В кристаллах ГАМК находится  полностью в вытянутой конформации. Однако в растворах ее молекулы, вероятно, существуют в различных  конформациях. Прямое экспериментальное  определение структуры ГАМК в  момент ее взаимодействия с рецептором пока невозможно.

Для установления пространственного  строения активной молекулы ГАМК и  участка ее рецептора была изучена  связь структуры с физиологической  активностью некоторых аналогов ГАМК, имеющих в отличие от гибкой молекулы ГАМК жесткую структуру. Так, мусцимол, 4-аминотетрловая и 4-аминокротоновая  кислоты имеют определенную конформацию  благодаря наличию циклической  структуры двойных и тройных  связей. Различное действие мусцимола  и других аналогов ГАМК, на спинные  нейроны, а также структурные  характеристики ряда ингибиторов захвата  ГАМК показывают, что в процесс  поглощения ГАМК нервными структурами  и взаимодействия ее с постсинаптическими рецепторами она может иметь  как вытянутую, так и свернутую  конформацию.

Методами молекулярного  моделирования были получены модели молекулы ГАМК и ГАМК-рецептора. Модель молекулы ГАМК была получена в программе HyperChem v6.0 методом оптимизации PM3. Пример модели молекулы ГАМК приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Модели молекулы ГАМК. а) оптимизация молекул ГАМК в воде; б) вытянутая конформация; в) свернутая конформация.

Была выдвинута гипотеза, что взаимодействие молекулы ГАМК и  рецептора обусловлено конформацией молекулы ГАМК. Положение ионов N+ и  О- и расстояние между ними обуславливает  образование комплекса между  рецептором и медиатором. Образованный комплекс изменяет проводимость мембраны за счет образования пор.

Для проверки гипотезы была построена модель рецептора по аминокислотной последовательности, полученной из базы данных RCSB.PDB (Protein Data Bank), в специализированной программе DeepView – TheSwissPdbViewer v3.7. Построенная  модель приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Модель рецептора  ГАМК.

Как видно из модели ГАМК-рецептора  в центре есть канал для связывания с молекулами ГАМК. Размеры канала составляют 6,65 Ао, а размер комплекса  из трех молекул вытянутой конформации  ГАМК составляет 6,012 Ао, что позволяет  предположить что взаимодействие происходит именно поэтому месту [11].

3.2 Определение  биологической активности при  помощи программы PASS

Объектом является химическое соединение – дикаин.

Структурная формула дикаина:

Температура плавления 147-150 . Соединение представляет белый кристаллический порошок без запаха. Легко растворим в воде и спирте. Дикаин сильное местноанестезирующее средство, обладающее высокой токсичностью. Применяют в глазной и оториноларингологической практике при некоторых оперативных вмешательствах, а также для анестезии.

Были предложены варианты новых структур для компьютерного  дизайна молекулы дикаина с целью  снижения его токсичности с сохранением  или даже усилением анестезирующих свойств.

Введение в бензольное кольцо «облагораживающей» карбоксильной  группы и замена диметиламиногруппы на более фармакоактивную диэтиланиногруппу  позволит снизить токсичность соединения, облегчить гидролиз сложноэфирной  связи с высвобождением антигистаминного фрагмента - диэтиламиноэтанола.

Алифатический радикал н-бутил  в структуре дикаина усиливает  фармакологический эффект. При замене его на адреналиновый фрагмент ожидается  получить более яркое анестезирующее действие.

К настоящему времени известно, что биологические системы не делают различия между плоскими кольцами, поэтому при замене ароматической  основы н-аминобензойной кислоты на никотиновую (или изоникотиновую) кислоту  изменяется полярность молекулы, облегчается  задача введения различных заместителей в ароматическое кольцо. К тому же, аминопроизводные никотиновой кислоты (кордиамин) являются стимуляторами  центральной нервной системы.

Один из наиболее эффективных  анестетиков, промедол, содержит в структуре  вместо ароматического пиридинового кольца пиперидиновое, что является предпосылкой для модификации молекулы дикаина.

Условно новым структурам дали названия:

1) Структура 1 – карбоксиструктура; 

2) Структура 2 – адреноструктура; 

3) Структура 3 – никотиноструктура; 

4) Структура 4 – пиперидиноструктура. 

Примеры структур приведены  на рисунке 6.

Рисунок 6 – Предложенные структуры.

При помощи программы HyperChem была доказана возможность существования  данных соединений путем оптимизации  молекул и построения графиков потенциальной  энергии. По графикам были обнаружены максимумы и минимумы, что подтверждает существования молекулы по квантовым  расчетам.

После доказательства существования  молекулы была проведена проверка биологической  активности на программе PASS. Сводный  анализ биологической активности дикаина  и новых структур приведены в  таблице 1.

Современная версия компьютерной системы предсказания спектра биологической  активности PASS C&T (Prediction of Activity Spectra for Substances: Complex & Training) реализована в 1998 году. Она включает в себя обучающую выборку, содержащую более 45000 биологически активных веществ с известной биологической активностью, и охватывает более 400 фармакологических эффектов, механизмов действия, а также мутагенность, канцерогенность, тератогенность и эмбриотоксичность[12].

Таблица 1 Таблица биологической  активности ряда веществ 

Характеристика фармакологической  активности	Основная структура	Модифицированные структуры
	Дикаин	Структура 1 Карбоксиструктура	Структура 2 Адреноструктура	Структура 3 Никотиноструктура	Структура 4Пиперидноструктура
1. Спазмолтик	0,603 0,023	0,591 0,025	0,620 0,021	0,683 0,017	0,680 0,015
2. Сосудорасширяющее средство	0,511 0,048	0,367 0,095	0,472 0,059	0,548 0,031	0,537 0,042
3. Антагонист кальциевых  каналов	0,405 0,015	0,264 0,051	0,362 0,020	0,326 0,026	0,411 0,014
4. Антигипер-тензивный	0,350 0,107	0,301 0,142	0,237 0,211	0,364 0,098	0,402 0,078
5. Агонист β-адренорецепторов	0,114 0,098	0,113 0,101	0,139 0,043
6. Токсичный	0,323 0,166	0,331 0,160	0,291 0,188
7. Тератоген	0,219 0,214	0,233 0,195	0,243 0,182
8. Антагонист β-адрено-рецепторов	0,092 0,091	0,092 0,09
9. Диуретик		0,211 0,144
10. агонист  -адренорецепторов			0,144 0,041
11. Агонист α-адренорецепторов			0,133 0,119		0,253 0,075
12. Антагонист  -адренорецепторов					0,233 0,051

3.3 Поиск физиологически  активных аналогов ССК-4

Было известно, что многие пептиды, в частности, аналоги гастроинтерального гормона холецистокинина(ССК), состоящего из 33 аминокислот (ССК-33), при парентеральном введении обладают способностью существенно  влиять на психоэмоциональный статус. ССК пептиды функционируют в  центральной нервной системе(ЦНС) как нейромодуляторы и участвуют  в регуляции поведенческих реакций, болевых ощущений, процессов памяти и обучения.

В связи с этим следует  ожидать, что модуляция ССК системы  является основой для лечения  и предупреждение психотических  заболеваний.

Наиболее перспективным  направлением при поиске средств  купирования психических расстройств  является конструирование аналогов эндогенных пептидов, который характеризуются  минимальной токсичностью и отсутствием  побочных эффектов. В этом аспекте  актуальны разработка и синтез соединений на основе нейропептидов – антагонистов минимального физиологически активного  С-концевого фрагмента холецистокинина  – пептида ССК-4. ССК-4 - селективный  агонист к холецистокининовым рецепторам второго типа, которые вовлечены  в формирование психоэмоционального  состояния.

Пространственная структура  рецептора была получена из базы данных Protein Data Bank (www.spdb.org). Оптимизацию молекул  проводили с применением метода молекулярной механики BIO+ и полуэмпирическим квантово-химическим методом PM3, которые  реализованы в программном комплексе HyperChem. В итоге по результатам  молекулярного моделирования были получена наиболее вероятная биологически активная конформация молекулы ССК-4, которая представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Биологически активная конформация ССК-4

Исходя из структуры биологической  конформации были предложены аналоги. В ходе данной работы были получены следующие результаты:

1) Методами молекулярного  моделирования сконструирована  вероятная биологически активная  конформация пептида ССК-4, а также  разработана пространственная модель  взаимодействия лиганда ССК-4 с  активным центром холецистокининового  рецептора второго типа.

2) С использованием квантохимических  расчетов разработанной модели  взаимодействия пептида ССК-4 и  холецистокининового рецептора  второго типа предложен вероятный  механизм лиганд-рецепторного взаимодействия, заключающийся в одновременном  переносе протона амидной группы N-концевой группы фенилаланина и перераспределением электронной плотности с молекулы лиганда ССК-4 на аминокислоту активного центра рецептора.

3) На основании рассчитанных  дескрипторов предложены новые  высокоактивные соединения –  аналоги ССК-4.

4) Синтезированы предложенные  аналоги. 

5) Проведены экспериментальные  исследования по оценке биологической  активности синтезированных аналогов. Установлено, что аналоги превосходят  стандарт в 3,6-4,1 раза по антагонистической  активности [13].

4. Анализ примеров

Анализ приведенных примеров позволяет предложить следующую  схему использования компьютерного  моделирования в создании новых  лекарственных препаратов:

1) Анализ литературы по  фармацевтической химии и синтезу  лекарственных препаратов. Поиск  моделей структур соединений  и рецепторов в базах данных, полученных методами ЯМР и  рентгеноскопии. Примерами баз данных  служат SPDB, CSD.

2) В случае отсутствия  компьютерных моделей препарата  строят модель и оптимизируют  модель квантово-химическими расчетами  в программном комплексе HyperChem или аналогичном; 

3) Анализ биологической  активности путем совмещения  модели рецептора клетки-мишени  или путем использования метода QSAR в программе PASS;

4) По сделанным выводам  о биологической активности предлагают  модификации, улучшающие свойства  молекулы. При этом должна использоваться  литература по фармацевтической  химии и синтезу лекарственного  препарата; 

5) Построение модели в  HyperChem, анализ биологической активности  методами виртуального докинга  или QSAR с использованием HyperChem и  PASS, соответственно;

6) Синтез новой структуры  и лабораторные испытания. 

Заключение

В ходе данной работы было проанализированы работы о применимости методов моделирования  в практике, а именно при создании новых препаратов и изучении механизма действия химического соединения и рецепторов клетки мишени.

По результатам анализа  можно с уверенностью сказать, что  молекулярное моделирование является эффективным методом разработки новых лекарственных препаратов, позволяющим сэкономить время при  отборе новых структур и деньги, затрачиваемые на синтез новых структур для отбора. Но применение данной методики связано с определенными трудностями, так как требует высококвалифицированных  кадров. Также это требует высокие  вычислительные мощности оборудования и соответствующее программное  обеспечение, которое требует больших  финансовых затрат.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемых источников

 

1) Институт фармакологии и токсикологии НАМН Украины. Режим доступа: http://www.pharm-tox.org.ua/index.php?id=34&L=2, свободный;

3) A.R. Leach, V.J. Gillet: An Introduction to Chemoinformatics. Springer, 2003, ISBN 1-4020-1347-7;

4) A.R. Leach, V.J. Gillet: An Introduction to Chemoinformatics. Springer, 2003, ISBN 1-4020-1347-7;

5) Степанов Н.Ф. Квантовая  механика и квантовая химия.  – М.: Мир, 2001. – 519 с., ил;

6) Немухин А.В. Компьютерное  моделирование в химии // Соросовский  образовательный журнал, 1998. — №6. — с.48-52;

7) 9. Буркерт У., Аллинжер  Н. Молекулярная механика. М.: Мир, 1986. - 364 с; 

8) Курс лекций «Введение  в химическую информатику», проведенный  в 2008 г. в Киевском политехническом  институте. Режим доступа: http://summerschool.ssa.org.ua/index.php?option=com_content&task=view&id=91&lang=ru , свободный; 

9) Зефиров, Николай Серафимович  – Википедия. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Зефиров,  свободный; 

10) Биографическая интернет-энциклопедия. Режим доступа: http://www.biographica.ru/, свободный; 

11) Дипломный проект А.В.Конорева  «Производство ГАМК мощностью  7 тонн в год в системе фармпредприятий.  Исследование механизма рецепции  ГАМК методом компьютерного моделирования»;

12) Дипломный проект Саенко  «Разработка аналогов дикаина  методами компьютерного моделирования»;

13) Автореферат диссертации  С.В.Шульгина на тему «Конструирование  синтетических аналогов С-концевого  тетрапептида холецистокинина и  оценка их физиологической активности»