Хемореактомный анализ ацизола в сравнении с цинковыми производными нестероидных противовоспалительных препаратов

ВВЕДЕНИЕ / INTRODUCTION

Нестероидные противовоспалительные препараты (НПВП) применяются для терапии болевых и воспалительных состояний. Они снижают синтез провоспалительных простагландинов посредством ингибирования циклооксигеназы-2 (ЦОГ-2). Возможны центральные механизмы анальгетического действия НПВП, реализующиеся посредством нейромедиаторных систем, напрямую не связанных с модуляцией метаболизма простагландинов [1].

Однако длительная терапия и/или неадекватное применение НПВП могут привести к повреждениям желудочно-кишечного тракта. Поэтому улучшение терапевтического показателя существующих НПВП стало приоритетной задачей последних десятилетий. Значительное внимание в этой области сосредоточено на металлокомплексах НПВП (прежде всего, с цинком). В частности, комплексообразование диклофенака с цинком привело к появлению комплекса, который имел те же противовоспалительные и антиноцицептивные эффекты, что и один диклофенак, но вызывал меньшую частоту поражений желудка по сравнению с диклофенаком [2]. Показана местная анальгетическая и противовоспалительная активность медно-цинковых комплексов индометацина. Использование комплексов цинк-НПВП не привело к значительному повреждению слизистых желудка и кишечника (за исключением микроповреждений слизистой) [3].

Для снижения ульцерогенных эффектов НПВП не обязательно приготовлять комплексы НПВП с цинком, а достаточно добавлять к НПВП соли цинка с органическими анионами. Например, смеси ибупрофена или напроксена с гидроаспартатом цинка вызывали достоверное уменьшение отека через то же время от инъекции каррагинана у крыс (нарастание отечности уменьшалось на 81% по сравнению с контролем). Этот эффект был значительно выше результатов, достигнутых у животных, получавших комплекс цинка с напроксеном (50%) [4]. Показано усиление противовоспалительного эффекта кетопрофена при остром и субхроническом применении гидроаспартата цинка. Гидроаспартат цинка сам по себе (30 мг/кг/сут перорально, 14 дней) может индуцировать противовоспалительную и противоульцерогенную активность у крыс, хотя и не проявляет анальгетического действия [5].

Важно подчеркнуть, что добавление цинка к НПВП (в виде комплексов или смесей с органическими солями цинка) делает эти композиции существенными источниками микроэлемента цинка, характеризующегося самостоятельными противовоспалительными и иммуномодулирующими свойствами. Приведенные выше примеры с солями цинка наглядно иллюстрируют тот тренд, что в качестве противовоспалительных препаратов активно изучаются комплексные соединения цинка с органическими анионами.

Цинк-содержащий препарат ацизол (бис-(1-винилимидазол)цинкдиацетат) – перспективный противовоспалительный препарат, потенциально лишенный недостатков НПВП. Ацизол – лекарственный препарат, зарегистрированный как антидот против угарного газа (СО). Предполагается, что ацизол препятствует образованию карбоксигемоглобина за счет влияния на взаимодействие субъединиц гемоглобина, что снижает сродство гемоглобина к СО, улучшает связывание кислорода и газотранспортные свойства эритроцитов. Ацизол является комплексным цинк-органическим соединением и характеризуется хорошим профилем безопасности (например, единственное противопоказание – индивидуальная непереносимость компонентов препарата). Важно рассматривать перспективы перепрофилирования (репозиционирования) уже известных лекарственных средств, что существенно ускоряет оценку доклинической и клинической безопасности их применения [6][7].

В настоящем исследовании фармакологические эффекты цинк-производных НПВП и ацизола (с целью его репозиционирования) были промоделированы посредством конгломерата методов хемоинформационного анализа молекул, развиваемых в научной школе академика Ю.И. Журавлёва под общей рубрикой «хемореактомный анализ» [8–10].

Цель – провести хемореактомное моделирование фармакологических эффектов ацизола и цинк-производных известных НПВП (диклофенака, нимесулида, кеторолака).

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ / MATERIAL AND METHODS

Краткий обзор литературы / Brief literature review

Обзор литературы был проведен на основании публикаций в базе данных PubMed/MEDLINE по методике анализа функционального связывания [11]. Репрезентативные источники отбирались по терминологическим картам методами анализа метрических карт наиболее информативных терминов [6][12], разработанных в контексте топологической теории распознавания [5].

Исследуемые молекулы / The studied molecules

В рамках постгеномной парадигмы молекула любого лекарственного средства мимикрирует под определенные метаболиты и, связываясь с теми или иными белками протеома, производит соответствующие данному лекарству эффекты [11]. Анализ фармакологических возможностей НПВП был проведен на основе хемоинформационного подхода, т.е. сравнения химической структуры 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 [13–15].

Хемоинформационный анализ позволяет найти молекулы, схожие с исследуемыми (рис. 1) и, соответственно, оценить их физиологические, фармакологические и другие свойства на основе имеющейся информации о свойствах молекул, наиболее близких по структуре.

Этапы хемореактомного анализа / Stages of chemoreactomic analysis

Хемореактомный анализ механизмов действия НПВП проводили в три этапа.

На первом этапе формировали выборку исходных данных для обучения алгоритмов.

На втором этапе устанавливали список молекул с известными свойствами, наиболее близкими к каждой из исследуемых молекул (см. рис. 1). Это осуществляли посредством вычисления так называемого метрического химического расстояния (dχ) между молекулами [7][8].

На третьем этапе 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 веществ новыми методами анализа числовых признаков [16]: констант ингибирования (англ. inhibitory constant, Ki), концентрации полумаксимального ингибирования (англ. half maximal inhibitory concentration, IC50), полумаксимальной эффективной концентрации (англ. half effective concentration, EC50) соответствующих рецепторов, констант диссоциации (англ. dissociation constant, Kd) комплексов «НПВП – рецептор». Также оценивали степень активации/ингибирования рецепторов (в процентах от эффектов соответствующих эндогенных лигандов).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ / RESULTS AND DISCUSSION

Анализ литературных данных / Literature data analysis

Хемореактомное моделирование следует осуществлять на сопоставимых молекулах. Например, если исследуется элементоорганическое соединение, то и все молекулы сравнения должны являться элементоорганическими соединениями. Поэтому результаты моделирования цинк-содержащего ацизола следует сравнивать с результатами других цинк-содержащих соединений (в настоящем исследовании Zn-НПВП), а не самих НПВП. А поскольку ионы цинка являются частью метаболома человека, то рассмотрение результатов хемореактомного анализа молекул представляется целесо-
образным предварить кратким обзором протеомных свойств иона цинка и фармакологических свойств органических солей цинка.

Протеомные эффекты цинка

При суточной потребности в цинке порядка 15–20 мг ацизол и исследованные Zn-НПВП являются существенными источниками элементного цинка (табл. 1). Как известно, дефицит цинка в организме оказывает негативное влияние на обмен углеводов, клеточное дыхание и многие иммунные функции (противовирусный иммунитет, баланс про- и противовоспалительных цитокинов, дегрануляция тучных клеток и др.) [12].

Анализ протеома человека показал, что с ионами Zn2+ взаимодействуют более 1200 белков (в частности, противовоспалительные альфа/гамма-рецепторы пролифераторов пероксисом [17], Cu,Zn-супероксиддисмутаза [18] и др.). В целом цинк-зависимые белки протеома необходимы для транскрипции генов, поддержания активности гормонов, деградации и переработки белков, обеспечения стабилизации генома (метилирование гистонов, ацетилирование гистонов, метилирование ДНК, связывание иона кадмия), нормализации воспаления и поддержки систем иммунитета (рис. 2) [19]. Ионы Zn2+ необходимы для поддержания активности 118 белков врожденного противовирусного иммунитета (что важно в терапии COVID-19, гриппа и других респираторных инфекций) [20]. Участвуя в нейротрансмиссии (передача сигнала от рецепторов ацетилхолина, катехоламинов, серотонина, простагландинов) и убиквитин-зависимой деградации белков, цинк необходим для поддержки когнитивных способностей [19].

Воздействие ионов цинка на воспаление и иммунитет заслуживает отдельного внимания. 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 (ЛПС) [21]. Доказательные исследования подтверждают целесообразность использования органических солей цинка для профилактики и адъювантной терапии острых респираторных заболеваний [22].

Как уже упоминалось ранее, антиоксидативная, противовоспалительная, антиапоптотическая, иммуномодулирущая и антинекроптотическая роли цинка важны при COVID-19. В частности, снижение уровня цинка в крови связано с увеличением тяжести органной дисфункции, длительным пребыванием в больнице и увеличением смертности у пациентов с COVID-19 и/или сепсисом [23].

Смесь гидроаспартата цинка с кетопрофеном улучшала уменьшение отека задней лапы крыс, вызванного инъекцией каррагинана [24]. Комбинированную терапию глюконатом цинка (90 мг/сут) и 2% триклозаном для местного применения можно рассматривать как противовоспалительное лечение у пациентов с гнойным гидраденитом [25].

Гастропротекция органическими солями цинка

Комплексы цинка с органическими анионами проявляют антибактериальные и противовоспалительные свойства, а также способствуют заживлению ран [26][27]. Ранозаживляющее действие солей цинка проявляется и в случае язв желудка и кишечника.

Комплекс цинка с куркумином на моделях грызунов продемонстрировал гастропротекторное действие при язве желудка, вызванной стрессом [28], а также на модели язвы желудка, вызванной лигатурой привратника [29]. Глюконат цинка (10 мг/кг/сут, 3 дня) оказывает профилактическое защитное действие против химической язвы желудка, вызванной алкоголем и/или НПВП [30].

Азот-координированный комплекс цинка с производным 2-ацетилпиридина проявил гастропротекторные свойства при острых геморрагических поражениях слизистой оболочки крыс. Гистологические исследования подтвердили защитные свойства комплекса цинка (значительное уменьшение повреждений слизистой оболочки и увеличение выработки слизистой оболочки желудка) [31]. Отметим, что данный комплекс цинка схож с ацизолом, т.к. в последнем ион цинка также координирован атомами азота в составе гетероцикла.

Таурин-цинковая соль (в дозе 200 мг/кг) также оказывает гастропротекторное действие в отношении этанол-индуцированных поражений желудка, поддерживая активность супероксиддисмутазы, влияя на выработку эндогенного простагландина Е2 и оксида азота. Отметим, что НПВП индометацин ослаблял гастропротекторное действие соли таурината цинка [32].

Противоязвенная активность моноглицерата цинка была показана на различных экспериментальных моделях язв желудка (пероральные или парентеральные НПВП, воспаление, вызванное олеиловым спиртом, воздействие холода, пероральный этанол с добавлением и без добавления HCl, 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.). В большинстве моделей эта органическая соль цинка превосходила по эффективности неорганический
сульфат цинка [33].

В систематическом обзоре обобщены взаимосвязи между дефицитом цинка и терапевтической ценностью добавок цинка при воспалительных заболеваниях кишечника и целиакии у детей. Цинк играет решающую роль в поддержании целостности слизистой оболочки желудка и оказывает гастропротекторное действие при поражениях желудка. Дотации органических солей цинка педиатрическим пациентам полезны при язвенной болезни желудка или гастроэзофагеальной рефлюксной болезни [34].

Ацексамат цинка продемонстрировал гастропротекторное действие против повреждений, вызванных НПВП (индометацин, диклофенак и пироксикам). При гистологическом исследовании наиболее частыми проявлениями ульцерогенности НПВП были исчезновение гликопротеина слизи и отшелушивание поверхности слизистой оболочки. Предварительное введение животным аце-
ксамата цинка значительно увеличивало присутствие гликопротеи-
на слизи, сохраняло непрерывность поверхностных эпителиальных клеток и уменьшало глубину эрозий слизистой оболочки [35].

Данный краткий обзор показывает, что практически все исследованные соли цинка с органическими анионами проявляют противовоспалительное действие (в частности, гастропротекторное). Теперь перейдем к рассмотрению результатов проведения хемореактомного анализа исследованных цинк-содержащих соединений.

Результаты хемореактомного анализа / Results of chemoreactomic analysis

Противовоспалительное действие исследованных веществ

При сравнении ацизола с Zn-НПВП важно оценить наличие эффектов данного соединения, которые не обусловлены тем, что оно является источником «органического цинка». Сравнения с НПВП подразумевают, прежде всего, оценку противовоспалительных эффектов исследованных молекул.

В таблице 2 суммированы хемореактомные оценки воздействия исследованных молекул на метаболизм простагландинов. Ацизол может ингибировать ЦОГ-1/2, но слабее, чем Zn-НПВП: при фиксированной концентрации ингибирование около 20%, Zn-НПВП – 34–54%. В отличие от НПВП, ингибирование ЦОГ ацизолом менее специфично: если значения констант ингибирования IC50 ЦОГ-1 и ЦОГ-2 для молекул Zn-НПВП отличаются почти на порядок, то для ацизола – только в 2 раза.

В то же время ацизол проявляет воздействие на синтез и секрецию лейкотриена В4, сопоставимое с эффектами Zn-НПВП: ингибирование на 64% при фиксированной концентрации (IC50 = 358 нМ). Оно осуществляется, по всей видимости, через ингибирование гидролазы лейкотриена A4 (лейкотриен A4 преобразуется в провоспалительный лейкотриен B4 именно посредством лейкотриен-A4-гидролазы, IC50 = 973 нМ) и рецептора лейкотриена В4 (IC50 = 94 нМ; Zn-НПВП: 13–83 нМ).

Хемореактомный анализ показал, что ацизол может оказывать ингибирующее влияние на рецепторы кининов, сопоставимое или превосходящее действие Zn-НПВП (табл. 3). Ингибирующие эффекты ацизола на брадикининовые рецепторы типов 1/2 лежали в диапазоне действия Zn-НПВП (IC50 = 22–73 нМ; НПВП: 27–215 нМ), как и эффекты ацизола, связанные с ингибированием нейрокининов/тахикининов (IC50 = 39–77 нМ; Zn-НПВП: 12–76 нМ). Брадикинин считается одной из основных сигнальных молекул, обеспечивающих ноцицепцию. Нейрокинины (тахикинины, прежде всего – вещество Р) стимулируют экспрессию большинства цитокинов, участвуют в нейрогенном воспалении и являются важными элементами восприятия боли [36].

Вне зависимости от возможного молекулярного механизма действия хемореактомное моделирование эффектов исследованных веществ in vitro и in vivo показало противовоспалительные эффекты ацизола с точки зрения воздействия на уровни цитокинов – фактора некроза опухоли альфа (ФНО-α), интерлейкинов (ИЛ) 1β и 6 (табл. 4). Эти эффекты связаны с ингибированием активности ядерного фактора каппа В (англ. nuclear factor kappa B, NF-κB) – транскрипционного фактора, вовлеченного в ответ на ФНО-α, другие провоспалительные цитокины и ЛПС. В среднем по исследованному набору активностей ацизол не уступал даже Zn-кеторолаку: процент ингибирования эффектов провоспалительных цитокинов составил 43,6±23,5% для ацизола и 44,0±27,8% для Zn-кеторолака (Zn-диклофенак: 41,2±25,1%; Zn-нимесулид: 29,7±15,9%).

Как было отмечено во введении, формирование солей НПВП с цинком (или просто добавление НПВП к солям цинка с органическими анионами) способствует снижению ульцерогенного эффекта НПВП. Однако образующиеся соли могут отличаться по своим ульцерогенным и гастропротекторным эффектам. Хемореактомный анализ показал, что ацизол характеризовался наименьшим ульцерогенным эффектом (3,6–45%) и наибольшим антиульцерогенным (71%) (табл. 5).

Центральное и противоболевое действие молекул

Хемореактомные оценки центральных эффектов исследованных молекул (рис. 3) показали, что ацизол проявил эффекты воздействия, сопоставимые с Zn-НПВП, на адренергические рецепторы (IC50 = 250–568 нМ), рецептор ангиотензина II (IC50 = 582–733 нМ), рецепторы 1/2 дофамина (IC50 = 285–765 нМ), ГАМК-А/В-рецепторы (IC50 = 79–640 нМ) и ГАМК-транспортер GAT1 (IC50 = 70–200 нМ), глутаматные NMDA/метаботропные рецепторы (IC50 = 62–465 нМ), опиоидные рецепторы типов дельта (IC50 = 75–189 нМ) и мю (IC50 = 1900–2723 нМ). Ацизол в меньшей степени будет вмешиваться в активность рецепторов 1а и 2а серотонина (IC50 = 78–106 нМ), чем Zn-НПВП (IC50 = 29–126 нМ). В то же время ацизол и Zn-диклофенак могут более эффективно ингибировать гистаминовый рецептор 1 (IC50 = 12 нМ, IC50 = 27 нМ), чем два других Zn-НПВП (IC50 = 68 нМ, IC50 = 172 нМ), а также гистаминовый рецептор 2 (IC50 = 359 нМ; Zn-НПВП: 380–3697 нМ).

Хемореактомное моделирование результатов экспериментальных исследований изученных молекул (табл. 6) показало, что рецептор ноцицептина ORL1 может ингибироваться ацизолом более эффективно (IC50 = 198–214 нМ), чем Zn-НПВП (IC50 = 361–1093 нМ). В тестах анальгетической активности у мышей (ингибирование корчей, вызванных уксусной кислотой) ацизол и Zn-НПВП продемонстрировали сравнимые результаты (ингибирование ноцицепции на 23–56% в зависимости от дозы). В тесте анальгезии на сужение брюшной полости, вызванное фенилхиноном у крыс, для ацизола получен наилучший результат (44%; Zn-НПВП: 21–43%). Еще одним механизмом противоболевого действия ацизола может являться умеренная блокада натриевых каналов в нейронах дорсальных корешков (IC50 = 688 нМ).

Антивитаминное и антиминеральное действие как негативные эффекты молекул

НПВП, равно как и другие препараты, могут проявлять нежелательные эффекты вследствие негативного влияния на обмен витаминов и микроэлементов (в т.ч. стимулирование их интенсивных потерь). В то же время практически все микронутриенты характеризуются выраженными противовоспалительными и антиоксидантными эффектами, а витамин В12 – еще и противоболевым действием [12]. Анализ фармакоинформационных профилей антимикронутриентного воздействия исследуемых соединений указал на существенные различия между ними (рис. 4).

Наиболее выраженным антимикронутриентным действием характеризовались Zn-диклофенак и Zn-нимесулид, которые могут стимулировать выведение лития, кальция, магния (в меньшей степени цинка, естественно), витаминов группы В (биотина, В1, В2, В6, фолатов), витаминов С и D (см. рис. 4a, 4b). Ацизол отличался наилучшим антивитаминным (суммарный балл 0,86±0,11) и антиминеральным (суммарный балл 0,75±0,10) действием. Суммарный балл ацизола по всем витаминам и минералам составил 1,5 (см. рис. 4с), что соответствует увеличению риска выведения того или иного микронутриента в среднем всего на 7%. Таким образом, ацизол не только является источником «органического» цинка, но и (в отличие от изученных НПВП) способствует сохранению других микронутриентов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ / CONCLUSION

Репозиционирование лекарств, представленных в системе анатомо-терапевтическо-химической (АТХ) классификации, способствует существенному ускорению регистрации уже известных препаратов по новым показаниям. Исследованная в настоящей работе молекула ацизола зарегистрирована в АТХ-классификации под кодом V03AB Антидоты.

Хемореактомное моделирование ацизола и Zn-НПВП диклофенак, кеторолак, нимесулид показало, что ацизол не оказывает ульцерогенного действия и не способствует потерям микронутриентов (в отличие от молекул сравнения и от ряда других НПВП). Более того, у ацизола возможно наличие гастропротекторного, противовоспалительного и противоболевого эффектов, обусловленных не только присутствием иона цинка, но и свойствами 1-винилимидазольного лиганда. Высокое содержание цинка в ацизоле позволяет зарегистрировать его в АТХ-классификации под кодом A12CB Препараты цинка.

Как органическое соединение цинка ацизол может оказывать гастропротекторное действие при совместном употреблении с НПВП. Потенциальные фармакологические свойства ацизола, оцененные в результате проведения хемореактомного моделирования, дают основания рекомендовать данное соединение для регистрации в АТХ-классификации под кодом M01 Противовоспалительные и противоревматические препараты.

Перспективно проведение фармакоинформационного профилирования ацизола и по другим классам АТХ, а также по классам и частоте встречаемости побочных эффектов.