Оцінка молекулярної мішені адемолу методом хемоінформатики

Размещено на http://allbest.ru

¹Вінницький національний медичний університет імені М.І. Пирогова

²Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна

Оцінка молекулярної мішені адемолу методом хемоінформатики

Семененко С.І.¹, Семененко А.І.¹,

Редькін Р.Г.², Семененко І.Ф.¹

м. Вінниця, Україна

м. Харків, Україна

Резюме

Актуальність. Глутаматна ексайтотоксичність та внутрішньочерепна гіпертензія являють собою потенційні мішені щодо можливих розробок патогенетичної терапії , зокрема тих, що асоційовані з високими значеннями внутрішньочерепного тиску.

Мета. Методами хемоінформатики обґрунтувати внутрішньовенне застосування адемолу, виявити здатність адемолу блокувати Я-адренорецептори, а також за критеріями лікоподібності та біодоступності оцінити можливість його проходження через гематоенцефалічний бар'єр (ГЕБ).

Матеріали та методи. Всі обчислення молекулярних дескрипторів були зроблені за допомогою програмного комплексу SIB Swiss Institute of Bioinformatics, розрахункової платформи та Molinspiration Cheminformatics v2016.09, доступних on-line.

Результати. Молекулярна маса адемолу не перевищує 500, середній показник ліпофільності розрахований за допомогою програмного комплексу [5], знаходиться для наведених сполук у прийнятному діапазоні. Для адемолу величина LogP дорівнює 2,736, що вище, ніж у ремантадину (2,456), однак нижче, ніж у пропранололу (2,967).

Визначено загальну площу полярних поверхонь молекул (TPSA), що розраховується на основі методики, опублікованої Ertl et al. [6] у вигляді внесків суми площин атомів О та N та інших, у складі функціональних груп полярних фрагментів. Для предикації проникнення адемолу через ГЕБ використали розраховані in silico дескриптори -- усереднену ліпофільність, що виявилася близькою до описаного раніше коефіцієнту ліпофільності у суміші октанолу та фосфатного буфера [9], та TPSA. Кореляція афінітету (LogKi, nM) з полярністю для відомих Я-адреноблокаторів та адемолу описується як параболічна поліноміальна функція другого порядку.

Висновки. Побудовано модель кореляції афінітету від ліпофільності для ряду Я-адреноблокаторів та передбачено афінність адемолу, що наближається до високоафінних неселективних Я-адреноблокаторів.

Ключові слова: адемол;хемоінформатика; внутрішньочерепний тиск; черепно-мозкова травма; гематоенцефалічний бар'єр

Вступ

В умовах черепно-мозкової травми (ЧМТ) через об'єм крові, що потрапила у субарахноїдальний простір, та зменшення сталого об'єму черепної коробки внаслідок зміщення кісткових уламків або наявності гематом зростають абсолютні значення внутрішньочерепного тиску (ВЧТ).

При цьому порушується аксональний транспорт внаслідок зовнішнього механічного тиску на кору мозку, з поступовим її здавленням. Усе це призводить до надмірної активації КМБЛ-рецепторів та запуску глутамат-кальцієвого патобіохімічного каскаду -- основних механізмів апоптотичної та некробіотичної смерті нейронів.

Як наслідок, формується деструктивно-дегенеративне вогнище, що спричиняє розвиток патологічно зміненого неврологічного статусу хворих.

Отже, глутаматна ексайтотоксичність та внутрішньочерепна гіпертензія являють собою потенційні мішені щодо можливих розробок патогенетичної терапії уражень мозку, зокрема тих, що асоційовані з високими значеннями ВЧТ Бажаним фармакологічним ефектом для препарату подібної спрямованості дії є його спроможність знижувати підвищений внутрішньоочний тиск.

Нині серед прямих блокаторів NMDA- рецепторів відомі препарати, для яких експериментально доведена наявність нейропротекторної активності в умовах пошкодження мозку на тлі підвищеного ВЧТ. Йдеться перш за все про похідні адамантану: мемантин, амантадину гідрохлорид або сульфат.

З метою оптимізації фармакотерапії синдрому ВЧТ нашу увагу привернуло одне з похідних адамантану -- 1-адамантилетилокси-3- морфоліно-2-пропанолу гідрохлорид, під умовною назвою адемол, якому притаманні нейропротекторний ефект та спроможність знижувати ВЧТ [1]. Головну робочу гіпотезу правдоподібно сформулювати так, що завдяки структурній спорідненості до молекул p-блокаторів, зокрема наявності пропанамінового фармакофору, адемол здатен одночасно з його модулюючим впливом на NMDA-рецептори проявляти властивості неселективного блокатора p-адренорецепторів та може знижувати підвищений ВЧТ.

Мета роботи. Методами хемоінформатики обґрунтувати внутрішньовенне застосування адемолу, виявити здатність адемолу блокувати p-адренорецептори, а також за критеріями лікоподібності та біодоступності оцінити можливість його проходження через гемато - енцефалічний бар'єр (ГЕБ) порівняно з еталонними Р-адреноблокаторами (структурними аналогами за пропанаміновим фармакофором).

Матеріали та методи

Алгоритм дослідження складався з обрахунку та аналізу молекулярних дескрипторів молекули адемолу та референтних структур методами хемоінформатики.

Методи хемоінформатики. Всі обчислення молекулярних дескрипторів були зроблені за допомогою програмного комплексу SIB Swiss Institute of Bioinformatics (www. sib.swiss), розрахункової платформи (Vital-IT, www.vital-it.ch) та Molinspiration Cheminformatics v2016.09, 2016 (Університет Братислави, Словаччина), доступних on-line [Calculation of Molecular Properties and Bioactivity Score/Molinspiration Cheminformatics, 2012: http://www.molinspiration. com/cgi-bin/properties.]. Як референтні структури для розрахунків було обрано кардіонеселективні Р-адреноблокатори -- тимолол, пропранолол та високоліпофільний Р₃-адреноблокатор SR 59230A, який здатен блокувати гіпертермію, викликану NMDA у щурів [2].

Обрані для аналізу на першому етапі розрахункові параметри молекул або дескриптори -- показник ліпофільності (LogP), площа полярних поверхонь молекул (TPSA), молекулярний об'єм, молекулярна маса -- належать до класичних в галузі кількісного зв'язку «структура -- властивості» аналізу та входять до набору так званих найважливіших дескрипторів, визначених з 500 методом аналізу головних компонент (в англомовній літературі позначається як Principal Component Analysis, PCA) [3]. Вони прямо пов'язані з такими важливими властивостями молекули, як розмір, ліпофільність, конформаційна рухливість, здатність до утворення водневих зв'язків [4].

Результати та обговорення

На першому етапі роботи для оцінки лікоподібності адемолу (1) до відомих Я-блокаторів -- тимололу (2), пропранололу (3) та селективного Я₃-адреноблокатора SR 59230A (4) було використано комплекс розрахункових підходів хемоінформатики in silico, зокрема Molinspiration software, SIB Swiss Institute of Bioinformatics. До речі, молекулярна маса адемолу не перевищує 500, середній показник ліпофільності розрахований за допомогою програмного комплексу [5], знаходиться для наведених сполук у прийнятному діапазоні (табл. 1).

Таблиця 1. Розрахунок показників ліпофільності за допомогою розрахункової платформи Molinspiration property engine з використанням комплексу розрахункових підходів хемоінформатики in silico

Значення ліпофільності розраховується шляхом виявлення значення LogP. Логарифм Р -- коефіцієнт розподілу незаряджених форм субстрату і є шукана величина, стандартно позначається як logP. Для адемолу його величина дорівнює 2,736, що вище, ніж у ремантадину (2,456), однак нижче, ніж у пропранололу (2,967) (табл. 1). Крім того, за допомогою тих самих продуктів визначено TPSA (загальну площу полярних поверхонь молекул), яка розраховується на основі методики, опублікованої Ertl et al. [6], у вигляді внесків суми площин атомів О та N та ін., у складі функціональних груп полярних фрагментів. Відомо, що TPSA є дуже ефективним дескриптором, який дозволяє передбачити абсорбцію лікарського засобу, біодоступність і проникність крізь ГЕБ [7]. Загалом такий підхід дає змогу рутинним шляхом оцінити лікоподібність (drug likeness) нових структур, порівнюючи нові з уже відомими молекулами.

Рисунок 1. Пелюсткові діаграми кореляції фізико-хімічних властивостей із біодоступністю сполук (гранична ділянка біодоступності позначена чорною лінією, тобто для препарату, який має високу біодоступність, крива не повинна виходити поза межі позначеного шестикутника)

Так, на рис. 1 подані пелюсткові діаграми адемолу та препаратів порівняння за розрахованими нами in silico молекулярними дескрипторами ліпофільності (LIPO), розміру молекули (SIZE), полярності (POLAR), розчинності (INSOLU), коефіцієнту ненасиченості молекул (INSATU), гнучкості (FLEX) тощо. Таким чином, отримані дані in silico демонструють високу схожість адемолу та препаратів порівняння, що відповідає 100 та 90 % абсобції, отриманим для пропранололу та тимололу відповідно в експериментах in vivo (табл. 2). Узагальнені властивості адемолу та референтних молекул наведено у табл. 1 та 2.

Таблиця 2. Порівняльна характеристика дескрипторів і деяких властивостей молекули адемолу та р-адреноблокаторів із феноксипропаноламіновою будовою

Примітки: * НД -- немає даних; ** розраховано in silico на платформі SIB Swiss Institute of Bioinformatics (www.sib.swiss); *** розраховано in silico за методом BOILED-Egg.

Для предикації проникнення адемолу через ГЕБ ми використали розраховані нами in silico дескриптори -- усереднену ліпофільність (Consensus Log P_o/W), яка виявилася близькою до описаного раніше коефіцієнту ліпофільності в суміші октанолу та фосфатного буфера [9], та загальну площу полярних поверхонь молекул TPSA. Після чого було побудовано діаграму кореляції дескрипторів ліпофільності та полярності адемолу (рис. 2) і референтних досліджуваних молекул за методом Brain Or IntestinaL EstimateD permeation method (BOILED-Egg) [10].

Рисунок 2. Діаграма розрахованої іп sШco кореляції дескрипторів ліпофільності та полярності адемолу і референтних досліджуваних молекул за методом BOILED-Egg: точки сполук, які потрапили у внутрішнє коло, мають достатню проникність крізь ГЕБ, а сполуки поза ним не проходять крізь ГЕБ

Кореляція афінітету (LogKi, nM) з полярністю для відомих Я-адреноблокаторів та адемолу описується як параболічна поліноміальна функція другого порядку, однак вона виявилася менш вірогідною для предикації, тому що коефіцієнт апроксимації становить лише Я² = 0,7803 (рис. 3). хемоінформатика мозок адемол адреноблокатор