Хемореактомный анализ новых комплексов цинка с производными имидазола как перспективной линии нестероидных противовоспалительных препаратов

ВВЕДЕНИЕ / INTRODUCTION

Нестероидные противовоспалительные препараты (НПВП), повсеместно используемые в современной медицине как анальгетики и противовоспалительные средства, оказывают основные терапевтические эффекты посредством резкого снижения активности ферментов-циклооксигеназ (ЦОГ) – ЦОГ-2 и, отчасти, ЦОГ-1. Взаимодействия молекул НПВП с другими таргетными белками помимо ЦОГ приводят к нежелательным побочным эффектам, но также могут индуцировать центральные механизмы анальгетического действия НПВП, реализующиеся посредством нейромедиаторных систем [1].

Перспективным направлением снижения побочных эффектов НПВП является комплексное изучение свойств цинковых производных (комплексов) как известных НПВП, так и новых молекул, проявляющих противовоспалительные свойства. Важной особенностью эссенциального (жизненно необходимого) микроэлемента цинка являются его природные противовоспалительные и антиульцерогенные свойства, обусловленные взаимодействиями с несколькими тысячами белков протеома человека [2]. Комплексы «цинк-диклофенак» [3], «цинк-индометацин» [4], а также смеси с органическими солями цинка [5] характеризуются сниженной частотой встречаемости ульцерации желудка по сравнению с соответствующими НПВП.

В наших предыдущих работах были представлены результаты хемореактомного in silico моделирования фармакологических эффектов ацизола, N-аллилимидазол-цинка и цинковых производных ряда известных НПВП [2][6].

Цель – изучить противовоспалительные, ульцерогенные и другие эффекты молекул цинк-имидазольных комплексов аллил-2 (бис(N-аллил-2-метилимидазол)цинкдиацетат), аллим-2 (бис(N-алленил-2-метилимидазол)цинкдиацетат) и пропаргил-2 (бис(N-пропаргил-2-метилимидазол)цинкдиацетат) в сравнении с цинковыми комплексами известных НПВП (диклофенак, нимесулид, кеторолак).

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ / MATERIAL AND METHODS

Методы анализа / Analysis methods

Постгеномный подход к анализу действующих начал лекарств подразумевает взаимодействия молекул на уровне протеома (прежде всего) и (возможно) воздействия на транскриптом и метаболом [7], которые обусловливают терапевтические и побочные эффекты лекарств.

Процедура хемореактомного анализа, основанная на топологическом подходе к распознаванию хемографов методами, развиваемыми в научной школе академиков РАН Ю.И. Журавлёва и К.В. Рудакова [8–10], была неоднократно описана на страницах журнала, в т.ч. в работах [2][6]. Анализ фармакологических возможностей НПВП проведен на основе хемоинформационного подхода, т.е. сравнения химических структур исследуемых молекул со структурами миллионов других молекул, для которых молекулярно-фармакологические свойства известны. Процедура анализа основана на новейших технологиях машинного обучения, разрабатываемых в теории топологического и метрического анализа признаковых описаний.

Хемореактомный анализ механизмов действия НПВП проводили в три этапа. На первом этапе формировали выборку исходных данных. С этой целью по ключевым словам, описывающим то или иное действие, из базы данных PubСhem извлекали соответствующие биологические активности молекул. Всего найдено 3797 активностей для 33 223 молекул.

На втором этапе анализа устанавливали список молекул с известными свойствами, наиболее близкими к каждой из исследуемых молекул. Это осуществляли 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 [7][8].

На третьем этапе для каждой молекулы из баз данных извлекали всю имеющуюся информацию об экспериментальном измерении различных биологических свойств этой молекулы и проводили оценку биологических активностей с вычислением соответствующих констант. Настройку весов метрик dχ и прогнозирование центральных свойств исследуемых НПВП выполняли с помощью современных методов прогнозирования целевых числовых переменных [10].

Фармакологические свойства молекул представлены с использованием констант концентрации полумаксимального ингибирования (англ. half-maximal inhibitory concentration, IC50), полуэффективной дозы (англ. median effective dose, ЕD50). 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).

Изучаемые молекулы / Studied molecules

В исследовании изучались цинк-имидазольные комплексы аллил-2, аллим-2 и пропаргил-2, а также цинковые комплексы известных НПВП – диклофенака, нимесулида и кеторолака. Структуры рассматриваемых молекул приведены на рисунке 1.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ/ RESULTS AND DISCUSSION

Получены хемореактомные оценки противовоспалительного, центрального, противоболевого действия изучаемых веществ наряду с оценками побочных эффектов в отношении антивитаминного и антиминерального действия [11].

Хемореактомные оценки / Chemoreactomic evaluation

Противовоспалительное действие

Хемореактомный анализ воздействия на простагландиновый обмен (табл. 1) показал, что цинк-имидазольные комплексы могут в большей степени вызывать ингибирование связывания простагландина D2 с рецептором простагландина D2 на тромбоцитах (IC50 448–627 нМ; цинк-НПВП: 588–997 нМ).

Хемореактомный анализ показал сопоставимые эффекты всех изученных молекул (и цинк-имидазольных комплексов, и цинк-НПВП) на ингибирование ЦОГ-2 в клетках (IC50 64–121 нМ; цинк-НПВП: 65–149 нМ) и цельной крови (IC50 295–411 нМ; цинк-НПВП: 308-428 нМ), включая оценки активности ЦОГ-2 по проценту ингибирования продукции простагландина E2 (30–38%; цинк-НПВП: 22–36%). В то же время цинк-имидазольные комплексы могут в несколько большей степени ингибировать ЦОГ-1 (35–27%; цинк-НПВП: 14–35%), что важно для снижения побочных эффектов НПВП.

Сравнительный хемореактомный анализ действия изученных молекул на воспаление через цитокиновые механизмы (табл. 2) показал сопоставимые эффекты цинк-имидазольных комплексов и цинк-НПВП на ингибирование рецепторов брадикинина B1 (IC50 63–71 нМ; цинк-НПВП: 45–100 нМ), нейрокинина-1 (IC50 294 нМ; цинк-НПВП: 82–528 нМ), брадикинина B2 (IC50 21–105 нМ; цинк-НПВП: 70–216 нМ).

Цинк-имидазольные комплексы отличались, по всей видимости, более выраженным ингибированием провоспалительного сигнального каскада транскрипционного ядерного фактора каппа В (NF-κB), что включало как снижение его активации (IC50 173–419 нМ; цинк-НПВП: 498–508 нМ), так и ингибирование киназы I каппа B, индуцированной фактором некроза опухоли альфа (IC50 164 нМ; цинк-НПВП: 1450–2051 нМ).

Следует подчеркнуть, что исследовательский интерес к металлокомплексам НПВП (прежде всего, с цинком) связан, в первую очередь, с необходимостью снижения повреждений желудочно-кишечного тракта, ассоциированных с применением НПВП. Например, комплексообразование диклофенака с цинком приводит к образованию комплекса, который имеет те же противовоспалительные и антиноцицептивные эффекты, что и один диклофенак, но вызывает меньшую частоту поражений желудка по сравнению с диклофенаком [3]. Использование комплексов цинк-НПВП существенно снижает повреждение слизистых желудка и кишечника [4]. При этом для уменьшения ульцерогенных эффектов НПВП не обязательно приготовлять комплексы НПВП с цинком, а достаточно добавить к НПВП соли цинка с органическими анионами (гидроаспартат цинка [12] и др.).

Результаты настоящего исследования показали, что цинк-имидазольные комплексы могут характеризоваться степенью ингибирования ЦОГ-2, сопоставимой с комплексами цинк-НПВП. В то же время цинк-имидазольные комплексы отличались более выраженным ингибированием NF-κB, чем цинк-НПВП, что важно для антиульцерогенного действия.

Центральное действие

Цинк-имидазольные комплексы проявили центральные эффекты, сопоставимые с эффектами цинк-НПВП (рис. 2).

Цинк-имидазольные комплексы ингибировали в большей степени адренергические рецепторы альфа-1 (28 нМ; цинк-НПВП: 235–411 нМ), рецепторы ангиотензина II 1-го типа (IC50 16–22 нМ; цинк-НПВП: 20–74 нМ), гистаминовые H2-рецепторы (IC50 359–396 нМ; цинк-НПВП: 380–3696 нМ) и демонстрировали одинаковое сродство к адренергическим рецепторам альфа-2 (250–398 нМ), рецепторам ангиотензина II 2-го типа (IC50 215–433 нМ), рецепторам ацетилхолина альфа4/бета2 (IC50 195–332 нМ), дофамина D1 (IC50 285–481 нМ), дофамина D2 (IC50 352–450 нМ), рецепторам гамма-аминомасляной кислоты альфа (IC50 198–475 нМ) и бета (IC50 276–612 нМ), глутаматным NMDA-рецепторам (IC50 274–287 нМ, за исключением цинк-кеторолака – 2762 нМ), метаботропным глутаматным рецепторам 2 (IC50 138–464 нМ) и 5 (IC50 76–128 нМ), гистаминовым рецепторам H1 (IC50 97–198 нМ), рецепторам серотонина 1а (IC50 67–403 нМ), дельта-опиоидным рецепторам (IC50 75–189 нМ), переносчику норадреналина (IC50 130–230 нМ), синтазе оксида азота 1-го типа (IC50 723–2209 нМ), альфа-субъединице 10 натриевого потенциалзависимого канала (IC50 86–103 нМ, за исключением цинк-нимесулида – 302 нМ).

Рецептор серотонина 2а цинк-имидазольные комплексы ингибировали в меньшей степени (IC50 77–84 нМ), чем цинк-НПВП (IC50 20–48 нМ). Это указывает на схожий профиль побочных эффектов, обусловленных нежелательными взаимодействиями с этими рецепторами, в случае и цинк-имидазольных комплексов, и цинк-НПВП.

Противоболевое действие

Хемореактомные оценки экспериментальных эффектов (табл. 3) показали, что вытеснение радиолиганда [ 125I]-Tyr14-ноцицептина из опиатоподобных рецепторов-1 в клетках HEK293 цинк-имидазольные комплексы осуществляли более эффективно (IC50 197 нМ), чем цинк-НПВП (IC50 360–2949 нМ). Антиноцицептивная активность при подкожном введении мышам с корчами, вызванными уксусной кислотой, было более выражено для цинк-имидазольных комплексов (IC50 0,16 мг/кг), чем для цинк-НПВП (IC50 0,9–1,0 мг/кг), так же как и в тесте на корчи с фенилхиноном (IC50 7 мг/кг; цинк-НПВП: 7–15 мг/кг).

В то же время для цинк-имидазольных комплексов и цинк-НПВП были получены сопоставимые эффекты в части ингибирования связывания радиолиганда 3H-ноцицептина с рецептором ORL1 (цинк-имидазольные комплексы: IC50 600–736 нМ; цинк-НПВП: 560–991 нМ), анальгетической активности у мышей в тестах per os с судорогами, вызванными фенилхиноном, по отношению к ацетилсалициловой кислоте (IC50 7 мг/кг), в тестах абдоминального сокращения, вызванного фенилхиноном (цинк-имидазольные комплексы: 43%; цинк-НПВП: 30–53%), корчей, вызванных фенилхиноном (2,6–3,4 мг/кг), корчей, вызванных уксусной кислотой, при дозе 10 мг/кг (цинк-имидазольные комплексы: 26%; цинк-НПВП: 6–30%) и 40 мг/кг (23–40%), в тесте отдергивания хвоста (22–35%), в тесте ущипывания хвоста (IC50 5,1–7,7 мг/кг). Также показаны сопоставимые результаты при подкожном введении в тесте на конвульсии живота, вызванные ацетилхолином у мышей (IC50 0,25–0,57 мг/кг) и в тесте корчей, вызванных уксусной кислотой в средней летальной дозе 1/10 (5–10%) и в дозе 10 мг/кг (12–32%).

Заметим, что соли цинка могут усиливать противовоспалительный эффект НПВП, но, как правило, не характеризуются выраженным противоболевым действием. Например, гидроаспартат цинка сам по себе (30 мг/кг/сут per os, 14 дней) может индуцировать противовоспалительную и противоульцерогенную активность у крыс, но не проявляет анальгетического действия [5]. Поэтому цинк-имидазольные комплексы весьма интересны для дальнейших исследований еще и вследствие возможного анальгетического эффекта, на который указывают результаты настоящего исследования.

Кроме того, нельзя не отметить, что микроэлемент цинк в составе цинк-имидазольных комплексов и цинк-НПВП при поступлении этих комплексов в организм и постепенном выделении ионов цинка в кровь характеризуется самостоятельными противовоспалительными и иммуномодулирующими свойствами. Ионы цинка интенсивно накапливаются в лимфоцитах, проявляют выраженное противовоспалительное действие и необходимы для поддержки систем врожденного и приобретенного иммунитета. Дефицит цинка увеличивает выработку интерлейкина-1β в мононуклеарных клетках человека после стимуляции бактериальными липополисахаридами [13]. Клинические исследования подтверждают целесообразность использования органических солей цинка для профилактики и адъювантной терапии острых респираторных заболеваний [14] и снижения смертности у пациентов с COVID-19 и/или ссепсисом [15].

Комплексы цинка с органическими анионами проявляют антибактериальные и противовоспалительные свойства, а также способствуют заживлению ран [16]. Ранозаживляющее действие солей цинка проявляется и в случае язв желудка и кишечника [17]. В частности, противоязвенная активность моноглицерата цинка показана на различных экспериментальных моделях язв желудка (пероральные или парентеральные НПВП, воспаление, вызванное олеиловым спиртом, воздействие холода, пероральный этанол с добавлением и без добавления хлорида натрия, внутрибрюшинное введение резерпина у артритных и нормальных крыс и у нормальных мышей, пероральные НПВП плюс выработка пепсина, стимулируемая внутрибрюшинным введением хлорида бетанехола и т.д.) [18]. Поэтому описанные выше эффекты цинк-имидазольных комплексов могут усиливаться и независимым действием ионов цинка, которые поступают в кровь по мере метаболизации комплексов.

Антивитаминное и антиминеральное действие / Antivitamin and antimineral action

НПВП могут стимулировать развитие побочных эффектов из-за отрицательного влияния на микронутриентный гомеостаз (что проявляется, в частности, через усиление потерь витаминов и микроэлементов). Хорошо известно, что эссенциальные (жизненно необходимые) витамины и микроэлементы проявляют антиоксидантные, противовоспалительные, противоболевые, нейропротекторные и другие свойства [11], так что их потеря – крайне нежелательный побочный эффект лекарств. Профили антимикронутриентного воздействия исследуемых молекул приведены на рисунке 3.

Наиболее выраженным антимикронутриентным действием обладает цинк-НПВП. Все рассматриваемые цинк-имидазольные комплексы характеризовались близкими и весьма малыми значениями баллов антимикронутриентного действия (антивитаминный балл 0,38–0,61, антимикроэлементный балл 0,37–0,88). Суммарные антимикронутриентные баллы для всех трех цинк-имидазольных комплексов лежали в диапазоне 0,96–1,26, что соответствует, в среднем, увеличению риска выведения того или иного микронутриента всего на 5%, т.е. не нарушает обмен витаминов и микроэлементов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ / CONCLUSION

Для повышения эффективности и безопасности фармакотерапии воспаления и боли активно изучаются цинкосодержащие соединения, которые могут быть основой для разработки новых НПВП. Проведенное in silico моделирование цинк-имидазольных комплексов аллил-2, аллим-2, пропаргил-2 показало, что они могут в большей степени вызывать ингибирование связывания простагландина D2 с рецептором простагландина D2 на тромбоцитах и более выраженно ингибировать простагландин-D-синтазу. Цинк-имидазольные комплексы в несколько большей степени ингибируют ЦОГ-1, что важно для снижения побочных эффектов НПВП.

Цинк-имидазольные комплексы отличались более выраженным ингибированием провоспалительного сигнального каскада транскрипционного фактора NF-κB, в т.ч. снижением его активации. Антиноцицептивная активность при подкожном введении мышам с корчами, вызванными уксусной кислотой, было более выражено для цинк-имидазольных комплексов, чем для цинк-НПВП, за исключением цинк-кеторолака.

В отличие от изученных цинк-НПВП, все исследованные в настоящей работе цинк-имидазольные комплексы характеризовались очень малыми значениями баллов антимикронутриентного действия, что соответствует минимальному нарушению обмена витаминов и микроэлементов.