Хемореактомный анализ лекарственного прототипа пилим-1 в сравнении с цинковыми производными нестероидных противовоспалительных препаратов

ВВЕДЕНИЕ / INTRODUCTION

Нестероидные противовоспалительные препараты (НПВП) относятся к самым часто используемым средствам для лечения боли различного генеза. НПВП подавляют продукцию простагландинов с воспалительной активностью путем ингибирования циклооксигеназы-2 (ЦОГ-2) и через центральные механизмы, напрямую не задействующие синтез простагландинов [1]. При долговременном применении НПВП могут спровоцировать формирование эрозивного повреждения слизистой желудка, кровоточивость и т.д. Поэтому улучшение параметров безопасности НПВП – крайне актуальная задача фармакологии [2].

Перспективно изучение металлокомплексных соединений цинка с молекулами НПВП, таких как «диклофенак + Zn» [3], «Cu-Zn-индометацин» [4], смесей «ибупрофен + гидроаспартат Zn» [5][6], которые не только проявляют более выраженное антиноцицептивное и противовоспалительное действие, но и характеризуются сниженным количеством побочных эффектов, в т.ч. нарушений слизистой желудочно-кишечного тракта. И комплексы типа «Zn + НПВП», и смеси НПВП с солями цинка являются донорами эссенциального микроэлемента цинка, который проявляет противовоспалительные, ранозаживляющие и иммуномодулирующие качества.

Перспективны исследования цинкосодержащего соединения пилим-1 (бис-(1-винилимидазол)цинкдиацетат), синтезированного в ФГБУН Федеральный исследовательский центр «Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского Сибирского отделения Российской академии наук» (Иркутск, Российская Федерация).

Цель – изучить противовоспалительные, ульцерогенные, анальгетические и антивитаминные эффекты молекулы пилим-1 методами хемореактомики.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ / MATERIAL AND METHODS

Исследованные молекулы / The studied molecules

В контексте так называемой постгеномной фармакологии молекула вещества оценивается по взаимодействиям с определенными белками протеома, воздействию на транскриптом, микробиом, реактом и другие «омические» множества молекулярных и супрамолекулярных компонентов живых клеток, включая особые белки-рецепторы (таргетные белки) [7]. Оценка такого фармакологического «окна возможностей» для НПВП проведена нами на основе хемоинформационного подхода и машинного обучения [8–10][11]. Исследованные молекулы представлены на рисунке 1.

Хемореактомный анализ / Chemoreactome analysis

Хемореактомный метод анализа свойств молекул – новейшее направление приложения систем машинного обучения в области постгеномной фармакологии. В работе представлены результаты хемореактомного моделирования цинковых производных НПВП и пилима-1 посредством методов хемоинформационного анализа молекул, развиваемых в научной школе академика Ю.И. Журавлёва [8–10].

Оценку фармакологических возможностей молекул проводили посредством сравнения их химической структуры со структурами молекул, для которых молекулярно-фармакологические свойства изучены с использованием алгоритмов обучения искусственного интеллекта на основе информации типа big data, представленной в базах данных PubChem, HMDB, STRING, PharmGKB.

Хемореактомное исследование механизма действия пилима-1 выполняли пошагово, в три этапа:

1) осуществляли выборку исходных данных для машинного обучения алгоритмов;

2) проводили оценку списка молекул с известными свойствами посредством вычисления метрического химического расстояния dχ между молекулами (процедуры вычисления метрики dχ основаны на комбинаторной теории разрешимости в применении к хемографам (χ-графам) – математическим объектам, используемым для описания структур молекул [9]);

3) для каждой молекулы из баз данных извлекали всю имеющуюся информацию об экспериментальном измерении ее различных биологических свойств и проводили оценки биологических активностей с вычислением соответствующих констант ингибирования (Ki), полумаксимального ингибирования (англ. half-maximal inhibitory concentration, IC50) (настройку весов метрик dχ и прогнозирование центральных свойств исследуемых НПВП осуществляли с применением современных методов прогнозирования целевых числовых переменных [11]).

Для получения оценок значений констант, представленных в последующих таблицах, анализировали результаты от 5 до 216 независимых хемопротеомных экспериментов (в среднем 14 экспериментов на один тип рецептора) [11].

Противовоспалительные эффекты оценивали по результатам моделирования влияний исследованных молекул на показатели обмена простагландинов, кининов и цитокинов (фактора некроза опухоли альфа, ядерного фактора каппа В и др.). Противоболевое действие определяли с помощью хемореактомных оценок взаимодействия с рецепторами ноцицептинов и моделирования анальгетической активности у животных. Ульцерогенные и, наоборот, противоязвенные (гастропротекторные) эффекты анализировали по показателям частоты возникновения язв желудка при условии приема перорально различных доз изученных молекул.

РЕЗУЛЬТАТЫ / RESULTS

Хемореактомное моделирование было проведено на сопоставимых молекулах – цинковых производных НПВП. Поэтому изложение результатов хемоинформационного анализа предварено данными о протеомных свойств иона Zn²⁺ и фармакологии соединений цинка.

Анализ протеомных эффектов цинка / Analysis of zinc proteomic effects

Пилим-1 и цинковые производные НПВП представляют собой значительные молекулы – источники цинка (от 8 до 25 мг/сут при рекомендуемом суточном потреблении 20 мг/сут). Дефицит цинка связан не только с формированием инсулинорезистентности, но и с иммунодефицитом, нарушениями заживления ран, повреждением структуры ДНК, опухолевым риском и т.д. [12].

Почти 5% протеома человека (более 1200 белков) не могут функционировать без ионов Zn²⁺ в их составе [13], которые необходимы для поддержания активности ферментов антиоксидантной защиты [14], факторов транскрипции, гормонов и их белков-рецепторов, ферментов метаболизма и стабилизации ДНК, белков – регуляторов воспаления (рис. 2) [15], белков противовирусного иммунитета (как врожденного [16], так и приобретенного [17]), гомеостаза нейротрансмиттеров [15]. Клинические исследования и их метаанализы многократно подтвердили эффективность и безопасность солей цинка с органическими анионами для терапии и профилактики острых респираторных заболеваний [18].

В целом протеомные и доказанные фармакологические свойства цинка способствуют снижению тяжести полиорганной патологии и смертности при сепсисе [19]. На модели боли путем введения инъекции каррагинана в заднюю лапу крыс сравнение эффектов кетопрофена или комбинации «Zn²⁺ + гидроаспартат + кетопрофен» показало достоверно значимое уменьшение отека лапы и боли только при использовании комбинации НПВП с солью цинка [20]. Продемонстрирована эффективность топического Zn-глюконата (90 мг/сут) в терапии гнойного гидраденита [21].

Гастропротекторные свойства органических соединений цинка особенно важны для решения проблемы гастротоксического побочного действия НПВП и, более того, для усиления ранозаживления повреждений слизистой желудочно-кишечного тракта [22][23]. Показаны гастропротекторные свойства комплексов Zn²⁺-куркумин [24][25], глюконата цинка [26], Zn²⁺-2-ацетилпиридина [27] (структурно схожего с пилимом-1), Zn²⁺-таурина [28], Zn²⁺‑моноглицерата [29], Zn²⁺-ацексамата [30].

Хемореактомные оценки / Chemoreactomic assessment

Противовоспалительное и ульцерогенное действие

Рассмотрим результаты хемореактомного анализа пилима-1. В таблице 1 суммированы данные о воздействиия контрольных молекул на синтез простагландинов. Очевидно ингибирование пилимом-1 ферментов ЦОГ-1/2 (20%; Zn²⁺-НПВП: 34–54%), причем IC50 ЦОГ-1 и ЦОГ-2 отличаются на 1–2 порядка. В случае лейкотриена В4 действие пилима-1 сопоставимо с Zn²⁺-НПВП (62,6%; IC50 175 нМ).

Пилим-1 может проявлять ингибирующие эффекты на рецепторы кининов, сопоставимые с действием Zn²⁺-НПВП или превосходящие его (табл. 2). Брадикинин – важнейшая сигнальная молекула, обеспечивающая ноцицепцию. Вещество Р повышает экспрессию цитокинов, участвует в нейрогенном воспалении и является важным элементом восприятия боли [31].

Оценки потенциального воздействия веществ, полученные в in vitro и in vivo тестах хемореактомных активностей, указали на противовоспалительный эффект пилима-1 с точки зрения воздействия на уровни цитокинов фактора некроза опухоли альфа, интерлейкина-1β, интерлейкина-6, вероятно, связанный с ингибированием провоспалительного фактора транскрипции каппа В. В среднем по исследованному набору активностей пилим-1 не уступал Zn-кеторолаку (табл. 3). Он характеризовался наименьшим ульцерогенным эффектом (3,6–45%) и проявлял антиульцерогенное действие (71%) (табл. 4).

Центральное и противоболевое действие

Полученные оценки центральных эффектов были сопоставимы для пилима-1 и других исследованных молекул (рис. 3), включая взаимодействия с рецепторами адреналина (IC50 250–568 нМ), ангиотензина (IC50 582–733 нМ), дофамина (IC50 285–765 нМ), гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) (IC50 79–640 нМ), ГАМК-транспортера GAT1 (IC50 70–200 нМ), рецепторами 1а и 2а серотонина (IC50 29–126 нМ), гистаминовым рецептором 1-го типа (IC50 12, 27 нМ; другие цинк-НПВП: IC50 68, 172 нМ).

Хемореактомные оценки в ходе экспериментального изучения фармакологии рассматриваемых молекул (табл. 5) показали, что рецептор ноцицептина ORL1 может ингибироваться пилимом-1 более эффективно (IC50 198–214 нМ), чем цинк-НПВП (IC50 361–1093 нМ). В фенилхиноновом противоболевом тесте у крыс пилим-1 продемонстрировал немного больший процент анальгезии (44%; цинк-НПВП: 21–43%).

Антивитаминная и антиминеральная активность / Antivitamin and antimineral activity

НПВП, равно как и другие препараты, могут проявлять нежелательные эффекты вследствие негативного влияния на обмен витаминов и микроэлементов (в т.ч. стимулирования их интенсивных потерь). В то же время практически все микронутриенты характеризуются выраженными противовоспалительными и антиоксидантными эффектами, а витамин В12 – еще и противоболевым действием. Анализ фармакоинформационных профилей антимикронутриентного воздействия исследуемых соединений указал на существенные различия между этими молекулами.

Наиболее выраженным антимикронутриентным действием характеризовались Zn-диклофенак и Zn-нимесулид, которые могут стимулировать выведение лития, кальция, магния (в меньшей степени цинка, естественно) (рис. 4а), витаминов группы В (биотина, В1, В2, В6, фолатов), витаминов С и D (рис. 4b). Пилим-1 отличался наименьшим антивитаминным (суммарный балл 0,52±0,08) и антиминеральным (суммарный балл 0,41±0,10) действием. Суммарный балл пилима-1 по всем витаминам и минералам составил 0,93 (рис. 4с), что соответствует в среднем увеличению риска выведения того или иного микронутриента всего на 5%. Таким образом, пилим-1 не только является источником «органического» цинка, но и (в отличие от изученных НПВП) способствует сохранению других микронутриентов.

ОБСУЖДЕНИЕ / DISCUSSION

Сравнение с ранее полученными результатами [32–35] показывает, что хемопротеомное моделирование фармакологических эффектов перспективной молекулы пилима-1 дает сопоставимые результаты в противоболевых тестах, как и другие перспективные молекулы SV-1010 [32], RRS-1 [33]. В отличие от последней, пилим-1 достаточно слабо может ингибировать провоспалительные таргетные белки (CCR1, CCR3, CCR8, рецепторы LTB4, колониестимулирующий фактор макрофагов) [33].

Оценки антиульцерогенной и гастропротекторной активности пилима-1 несколько лучше, чем у других цинкосодержащих противовоспалительных средств (N-аллилимидазол-Zn [34] и ацизол [35]). При этом, в отличие от SV-1010, RRS-1, N-аллилимидазол-Zn и ацизола, молекула пилим-1 характеризуется наименьшим негативным влиянием на обмен микронутриентов, т.е. наименьшими антивитаминными и антиминеральными эффектами.

Ограничения исследования / Limitations of the study

Данное исследование является хемореактомным моделированием, основанным на высокоточных алгоритмах машинного обучения, ошибочно называемого «искусcтвенным интеллектом». Т.е. экспериментальных исследований пилима-1 с использованием лабораторных животных in vivo не проводилось, а приведенные выше результаты были получены методом компьютерного моделирования. Перспективы дальнейших исследований включают детальные эксперименты на животных, которые подтвердят или опровергнут полученные в настоящей работе результаты, а также разработку других цинкосодержащих молекул.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ / CONCLUSION

Компьютерные подходы к оценке фармакологических эффектов молекул-кандидатов – основа молекулярной фармакологии в постгеномную эру. С помощью сравнительного хемореактомного моделирования новой цинкосодержащей молекулы-кандидата бис-(1-винилимидазол)цинкдиацетата) с условным названием «пилим-1» и нескольких цинк-НПВП установлено отсутствие у пилима-1 существенного ульцерогенного побочного действия и стимулирования потерь микронутриентов. Результаты применения методов хемореактомики показывают, что пилим-1 также потенциально характеризуется гастропротекторным, противовоспалительным, противоболевым действием, обусловленным свойствами не только ионов Zn²⁺, но и 1-винилимидазольного лиганда ионов Zn²⁺, являющегося наиболее характерной особенностью комплекса пилим-1.