Хемореактомное исследование эффектов препарата Актитропил (фонтурацетам): молекулярные механизмы влияния на метаболизм жировой ткани

ВВЕДЕНИЕ / INTRODUCTION

Фонтурацетам (Актитропил – АО «Фармстандарт», Россия) является ноотропным препаратом рацетамового ряда [1], дополнительно проявляющим антиастеническое, адаптогенное, противовоспалительное и нейромодуляторное действие [2]. Фонтурацетам эффективен при ишемии головного мозга, нейродегенеративной патологии, эпилепсии, астении, психических расстройствах (в т.ч. при алкогольной интоксикации и зависимости) [3].

Интересным свойством фонтурацетама является его терапевтический эффект в отношении ожирения, заключающийся в снижении прибавки массы тела и гипергликемии на диете с высоким содержанием углеводов и жиров [4], особенно на фоне микронутриентных дефицитов [5]. Метаболический синдром – доказанный фактор риска не только цереброваскулярных заболеваний [6], но и нейродегенеративной патологии (в т.ч. болезни Альцгеймера) [7]. Изменения количества и размеров адипоцитов при ожирении влияют на состояние окружающих структур, сопровождаясь изменениями секреции адипокинов, гибелью адипоцитов, локальной гипоксией. В результате возрастают неконтролируемые воспалительные реакции, приводящие к системному процессу и появлению резистентности к инсулину [8]. В связи с этим положительное влияние фонтурацетама на углеводный и жировой обмен наряду с противовоспалительными эффектами может существенно повысить эффективность лечения пациентов с метаболическим синдромом и коморбидной неврологической патологией.

Однако молекулярные механизмы влияния фонтурацетама на метаболизм жировой ткани в настоящий момент остаются не вполне изученными. Делаются предположения, что препарат может улучшать чувствительность к лептину [4] (возможно, посредством усиления дофаминергической нейротрансмиссии), снижая чувство голода и процесс отложения жира [9]. При этом следует учитывать, что активация дофаминовых рецепторов D2 может предрасполагать к ожирению [10], а антагонисты (не агонисты) D2-рецепторов дофамина снижают гликемию при ожирении [11].

Для выявления потенциальных механизмов фармакологических эффектов фонтурацетама перспективным представляется подход в соответствии с постгеномной парадигмой [12]. В рамках постгеномного подхода молекула любого лекарственного средства мимикрирует под определенные метаболиты (вследствие наличия сходств в химической структуре) и, связываясь с теми или иными белками протеома, производит соответствующие данному лекарству эффекты (как терапевтические, так и нежелательные). Хемореактомный анализ – информационная технология постгеномных исследований, позволяющая, в частности, оценивать профиль взаимодействий молекулы с заданной структурой с белками протеома (профиль сродства) [13][14].

В настоящей работе хемореактомный анализ [15] применен для оценки эффектов фонтурацетама на углеводный и жировой метаболизм в сравнении с другими рацетамами. Анализ проводили с использованием новейших технологий машинного обучения (ошибочно называемого «искусственным интеллектом»), разрабатываемых в научной школе академика РАН Ю.И. Журавлева и члена корреспондента РАН К.В. Рудакова [16].

Цель – провести хемореактомный, фармакоинформационный и хемонейроцитологический анализ свойств рацетамов (пирацетама, анирацетама, прамирацетама, леветирацетама, фонтурацетама).

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ / MATERIAL AND METHODS

Методы анализа / Methods of analysis

Хемореактомный, фармакоинформационный и хемонейроцитологический методы анализа свойств молекул основаны на хемореактомной методологии – новейшем направлении приложения систем машинного обучения в области постгеномной фармакологии [14]. Анализ фармакологических возможностей молекул в рамках хемореактомной методологии проводится посредством сравнения химической структуры исследуемой молекулы со структурами миллионов других молекул, для которых молекулярно-фармакологические свойства уже были изучены в экспериментальных и клинических исследованиях. Обучение алгоритмов искусственного интеллекта проводится на основе информации типа big data, представленной в базах данных PubChem, HMDB, STRING, PharmGKB [17], и осуществляется с многоуровневым контролем качества обучения согласно дизайну «скользящий контроль» по комбинаторной теории разрешимости в рамках топологического подхода к анализу данных [15][16].

Исследуемые молекулы / Studied molecules

Структуры молекул, исследованных в настоящей работе, приведены на рисунке 1.

Дифференциальный хемореактомный анализ заключается в нахождении фармакологических активностей, которые позволяют максимально отличать каждую из исследованных молекул от всех остальных. Активности оценивали через вычисление значений констант полуингибирования (англ. half-maximal inhibitory concentration, IC50) или полуактивации (англ. half-maximal effective concentration, ЕС50) белков-рецепторов. Более низкие значения констант IC50/ЕС50 соответствуют большему сродству молекулы к рецептору. После получения списка таких «дифференцирующих» активностей методом функциональных взаимосвязей [12] выбирали активности, связанные с патофизиологией ожирения.

Вычисления активностей молекул (фонтурацетама, пирацетама, анирацетама, прамирацетама, леветирацетама) проводили с использованием инфраструктуры Центра коллективного пользования «Информатика» ФИЦ «Информатика и управление» РАН, включающей гибридные высокопроизводительные вычислительные комплексы архитектуры Intel на основе серверных платформ Fusion Server G5500 (2.1 GHz, 24 Core) и Server XH620 (2.1 GHz, 16 Core) (обе – Huawei, Китай) по сертифицированным методикам, разработанным в отделе интеллектуальных систем ФИЦ «Информатика и управление» РАН.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ / RESULTS AND DISCUSSION

В результате проведения хемореактомного анализа фонтурацетама и молекул сравнения были получены оценки различных эффектов рацетамов: хемонейроцитологических, протеомных, рецепторных, фармакоинформационных. Анализ полученных данных позволил сформулировать молекулярные механизмы воздействия фонтурацетама на патофизиологию ожирения.

Хемонейроцитологический анализ / Chemoneurocytological analysis

На основе хемонейроцитологического анализа выявлено, что в концентрациях 0,1–1 ммоль/л исследованные молекулы характеризуются прямым нейропротекторным эффектом при оценке выживаемости нейронов в культуре в условиях среднетяжелого глутаматного стресса (100 мкмоль/л глутамата, выживаемость 50% клеток) (рис. 2).

Характерной особенностью фонтурацетама являлся выраженный пик выживаемости нейронов при концентрации веществ 0,1 ммоль/л: резкое повышение почти до 72%. Этому же эффекту соответствует и наивысшее прогнозируемое значение наклона кривой «концентрация – выживание» (фонтурацетам: 0,26 у.е., остальные молекулы: 0,13–0,19 у.е.). При этом, в отличие, например, от пирацетама, не происходило существенного снижения нейропротекции при возрастании концентрации фонтурацетама. Таким образом, фонтурацетам может проявлять нейропротекторные свойства при малых концентрациях (0,1 ммоль/л, что соответствует приему ~170 мг фонтурацетама взрослым человеком).

Протеомные эффекты рацетамов / Proteomic effects of racetams

Хемопротеомное профилирование позволило оценить взаимодействия исследованных молекул более чем с 1500 белками протеома человека. Доли белков протеома со схожим воздействием существенно различались между молекулами (табл. 1).

На метрической диаграмме (рис. 3) каждому соединению соответствует одна точка, которой, в свою очередь, соответствует 1500-мерный вектор, отражающий взаимодействия соединения с выборкой белков протеома. Чем больше расстояние между точками, тем больше различия в протеомных профилях соответствующих соединений. Видно, что профили взаимодействия фонтурацетама, пирацетама, анирацетама и прамирацетама с белками протеома более похожи, чем профиль леветирацетама. Дифференциальный анализ (см. далее) позволил выявить спектр функциональных различий между исследованными рацетамами с точки зрения воздействия на патофизиологию ожирения.

Воздействие рацетамов на рецепторы, модуляция активности которых важна для терапии/профилактики ожирения // The effect of racetams on receptors, which activity modulation is important for obesity treatment/prevention

В результате проведения дифференциального хемореактомного анализа получен список фармакологических активностей, которые позволяют максимально отличать каждую из исследованных молекул от всех остальных. Затем были выбраны активности, связанные с патофизиологией ожирения (рис. 4).

Выполнена оценка констант ЕС50 для рецепторов аденозина, адреналина, глюкагоноподобного пептида 1 (англ. glucagon-like peptide 1, GLP1), сфингозин-1-фосфата, пролифераторов пероксисом, а также констант IC50 для рецепторов каннабиноидов, опиоидов, грелина, гистамина, глутамата, нейропептида Y (англ. neuropeptide Y, NPY), ноцицептина и орексина.

Фармакоинформационные эффекты / Pharmacoinformatic effects

Ингибирование нейропептида Y

В эксперименте передача сигналов NPY в латеральном гипоталамусе модулирует выбор животными тех или иных компонентов диеты. Хемореактомный анализ показал, что исследованные молекулы могут ингибировать рецепторы NPY, участвующего в регуляции потребления пищи. Значение константы IC50 было ниже у фонтурацетама для рецепторов NPY2R (530 нМ; остальные молекулы: 636–744 нМ) и NPY5R (97 нМ; остальные молекулы: 140–287 нМ). Антагонисты рецепторов NPY тестируются в качестве препаратов против ожирения [18]. Периферическое введение антагониста NPY-рецептора предотвращает ожирение, вызванное «западной диетой» у мышей [19]. Таким образом, ингибирование фонтурацетамом рецепторов NPY может способствовать профилактике ожирения.

Ингибирование рецепторов грелина

Грелин, пептидный гормон из 28 аминокислот, иногда называют «гормоном голода». Рецептор грелина, который также известен как рецептор, стимулирующий секрецию гормона роста (англ. growth hormone secretagogue receptor, GHSR), экспрессируется в различных ядрах гипоталамуса и проявляет орексигенное действие совместно с белком AgRP и нейропептидом NPY. Активация GHSR увеличивает потребление пищи [20]. Хемореактомный анализ продемонстрировал, что фонтурацетам, пирацетам, прамирацетам проявляют практически одинаковую активность по ингибированию GHSR (IC50 73–83 нМ), тогда как ингибирующие эффекты анирацетама и леветирацетама были гораздо слабее (IC50 392 и 443 нМ соответственно). Ингибирование GHSR предотвращает ожирение, связанное со старением [21], – таким образом, ингибирование GHSR фонтурацетамом противодействует ожирению.

Ингибирование рецепторов орексинов

Нейропептиды орексины¹ синтезируются нейронами латерального отдела гипоталамуса, активируют одноименные рецепторы ORXR1, ORXR2, влияя на цикл «сон – бодрствование», аппетит и базальный уровень метаболизма. По данным хемореактомного анализа, фонтурацетам (IC50 469 нМ) и леветирацетам (IC50 340 нМ) ингибируют ORXR1 (остальные молекулы: 972–1646 нМ). Фонтурацетам (IC50 79 нМ) и прамирацетам (IC50 80 нМ) могут ингибировать рецептор ORXR2 (остальные молекулы: 185–243 нМ). Ингибирование ORXR1 в миндалевидном теле снижало потребление пищи у крыс с моделью ожирения [22] – таким образом, ингибирование ORXR1/2 фонтурацетамом может снижать избыточное потребление пищи.

Ингибирование опиоидных рецепторов

Опиоидная система участвует в гедонистической регуляции потребления пищи. Антагонисты опиатов можно использовать при лечении компульсивного переедания [23]. Хемореактомный анализ указал на умеренные антиопиоидные эффекты фонтурацетама по отношению к опиоидным рецепторам μ-, κ-, δ-типов (IC50 642 нМ; остальные молекулы: 1030–9438 нМ). Блокада κ-опиоидных рецепторов уменьшает ожирение, вызванное дефицитом эстрогена. Метаанализ доклинических исследований подтвердил анорексигенные эффекты опиоидных антагонистов [24].

Ингибирование каннабиноидных рецепторов

Каннабиноидный рецептор 1 (англ. cannabinoid receptor 1, СВ1), который также является μ-опиоидным рецептором, активируется каннабиноидами и эндогенными опиоидами (β-эндорфин, эндоморфин). СВ1 влияет на прием пищи, моторику желудочно-кишечного тракта, стимулирует высвобождение орексигенного β-эндорфина [25]. По результатам хемореактомного анализа, фонтурацетам может ингибировать СВ1 (IC50 146 нМ; остальные молекулы: 233–458 нМ). Блокада CB1 снижала массу тела, массу внутрибрюшинной жировой ткани, уровень триглицеридов и инсулина в крови на модели гипометаболического и гипоталамического ожирения у крыс [25], а также тормозила провоспалительные реакции макрофагов, активацию инфламмосомы NLRP3 и секрецию интерлейкина 1β [26].

Активация рецептора глюкагоноподобного пептида 1

Коагонист рецептора глюкагона GLP1 влияет на потерю веса у взрослых с избыточной массой тела [27]. Метаанализ 15 исследований подтвердил, что агонисты рецептора GLP1 снижают массу тела и нормализуют кардиометаболические параметры у лиц с ожирением (снижение артериального давления, уровня триглицеридов, липопротеинов очень низкой плотности, липопротеинов низкой плотности, повышение уровней липопротеинов высокой плотности) [28]. Хемореактомный анализ показал, что рецептор GLP1 может активироваться исследованными молекулами: значения константы ЕС50 лежали в диапазоне 62–283 нМ, для фонтурацетама – в середине этого диапазона (139 нМ).

Активация γ-рецептора пролифераторов пероксисом

Гамма-рецептор пролифераторов пероксисом гамма (англ. peroxisome proliferator-activated receptor gamma, PPAR-γ) регулирует выработку грелина, аппетит и потребление пищи. Повышенная экспрессия/активность PPAR-γ снижает потребление пищи на жирной диете [29]. По данным хемореактомного анализа, фонтурацетам активирует PPAR-γ (ЕС50 584 нМ; леветирацетам: 296 нМ; остальные молекулы: 1777–2992 нМ). Несмотря на достаточно слабый эффект (значения констант в диапазоне сотен наномоль на литр), активация PPAR-γ будет приводить к усилению антигрелиновых эффектов фонтурацетама, способствуя дальнейшему снижению аппетита.

Активация адренорецепторов β3

Активация β-адренергических рецепторов предотвращает ожирение и дисфункцию жировой ткани, способствует потере избыточной жировой ткани [30]. Хемореактомные оценки позволяют предполагать, что фонтурацетам (ЕС50 64 нМ) и анирацетам (ЕС50 54 нМ) – агонисты β3-адренергических рецепторов (значения ЕС50 остальных молекул лежали в диапазоне 202–267 нМ). При этом фонтурацетам может также являться достаточно селективным агонистом β3-рецепторов: значения ЕС50 для остальных типов адренорецепторов (α1/2, β2) превышали 600 нМ. Селективные агонисты β3-адренергических рецепторов исследуются как потенциальные препараты для лечения ожирения. Например, зеаксантин уменьшает ожирение, активируя β3-адренергический рецептор и стимулируя термогенез жира у мышей [31].

Ингибирование глутаматных рецепторов

Концентрации глутамата в крови положительно коррелируют с показателями центрального накопления жира (окружность талии, площадь висцеральной жировой ткани и др.), распространенностью сахарного диабета 2-го типа, сердечно-сосудистых заболеваний и неалкогольной жировой болезни печени [32]. Хемореактомный анализ продемонстрировал, что фонтурацетам может ингибировать метаботропный глутаматный рецептор 5 (англ. metabotropic glutamate receptor 5, mGluR5) (IC50 35 нМ; остальные молекулы: 100–110 нМ). При этом фонтурацетам, по всей видимости, является специфическим ингибитором mGluR5: значения IC50 для других типов глутаматных рецепторов (метаботропных или ионотропных) превышали 2000 нМ. Аллостерические модуляторы метаботропных глутамат-рецепторов mGluR1 и mGluR5 являются перспективными молекулами – кандидатами для лечения ожирения и расстройств, связанных с перееданием [33]. Ингибирование глутаматных рецепторов может также являться механизмом реализации антиастенических эффектов фонтурацетама [3].

Ингибирование ноцицептинового рецептора

Эндогенный нейропептид ноцицептин, взаимодействуя с одноименным (ноцицептиновым) опиоидным рецептором, модулирует восприятие боли и двигательную активность, стимулирует стресс, тревогу и ожирение. По результатам хемореактомного анализа, фонтурацетам, пирацетам, прамирацетам могут ингибировать рецептор ноцицептина (IC50 15–22 нМ) в большей степени, чем анирацетам (IC50 64 нМ) или леветирацетам (IC50 76 нМ). Антагонизм ноцицептиновых рецепторов противодействует формированию ожирения и депрессивных состояний [34].

Модуляция активности гистаминовых рецепторов

Гистаминергическая система играет ключевую роль в энергетическом гомеостазе: посредством активации H1-рецептора она увеличивает высвобождение в гипоталамусе гистамина, что снижает потребление пищи и массу тела. Хемореактомный анализ показал возможность того, что фонтурацетам – ингибитор гистаминового рецептора H3R (IC50 55 нМ; остальные молекулы: 142–150 нМ). Соединения, которые усиливают высвобождение гистамина (такие как селективные антагонисты H3R), исследуются как средства для лечения ожирения [35].

Активация аденозиновых рецепторов

Рецепторы аденозина экспрессируются в скелетных мышцах и жировой ткани. Передача сигналов по каскадам аденозиновых рецепторов тормозит возрастную саркопению и противодействует ожирению. По данным хемореактомного анализа, фонтурацетам может активировать аденозиновые рецепторы типа А2А более эффективно (ЕС50 111 нМ), чем все остальные молекулы (ЕС50 137–740 нМ). Лиганды – активаторы рецепторов A2A продемонстрировали эффекты против ожирения в исследованиях на мышах, находящихся на диете с высоким содержанием жиров [36].

Активация сфингозинфосфатных рецепторов

Сфингозин-1-фосфат – биоактивный лизофосфолипид, регулирующий метаболизм липидов. В результате хемореактомного анализа выявлено, что рецептор сфингозин-1-фосфата может активироваться фонтурацетамом и пирацетамом (EC50 83–92 нМ; остальные молекулы: 280–726 нМ). В эксперименте аналог сфингозин-1-фосфата FTY720 подавлял ожирение, вызванное насыщенными жирными кислотами [37].

Молекулярные механизмы воздействия фонтурацетама на снижение массы тела / Molecular mechanisms of fonturacetam effect on body weight loss

Дифференциальный хемореактомный анализ фонтурацетама, пирацетама, анирацетама, прамирацетама и леветирацетама позволил установить молекулярные механизмы воздействия фонтурацетама (Актитропил) на снижение массы тела (рис. 5):

• активация рецепторов адреналина β3, аденозина А2А, GLP1, сфингозин-1-фосфата, PPAR-γ;
• ингибирование рецепторов СВ1, опиоидов μ-, κ-, δ-типов, гистамина Н3, глутамата mGluR5, ноцицептина, орексина OPRX 1/2, грелина GHSR, а также NPY.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ / CONCLUSION

Метаболический синдром и ожирение сопровождают процесс старения, усугубляя тяжесть цереброваскулярной и сердечно-сосудистой патологии, заболеваний печени и др. Хемореактомное исследование фонтурацетама (Актитропил) указало на возможные механизмы влияния данного ноотропного препарата на обмен жиров и углеводов, тем самым объясняя эффективность терапии ожирения и метаболического синдрома в соответствии с показаниями, приведенными в инструкции по медицинскому применению препарата.