CC BY
3УДК 619:616.993.192 DOI 10.56660/77368_2023_6_77
СКРИНИНГ СОЕДИНЕНИЙ С АНТИБАКТЕРИАЛЬНОЙ АКТИВНОСТЬЮ В РЯДАХ ПРОИЗВОДНЫХ ПРИРОДНЫХ
АЛКАЛОИДОВ
Зубенко Александр Александрович, главный научный сотрудник, д.б.н.,
ORCID: 0000-0001-7943-7667, SPIN-код: 7776-8122, AuthorID: 180846 Фетисов Леонид Николаевич, ведущий научный сотрудник, к.в.н., ORCID:
0000-0002-2618-1079, SPIN-код: 8809-2266, AuthorID: 508873 Святогорова Александра Евгеньевна, младший научный сотрудник, к.с.-х.н., ORCID: 0000-0003-4233-1740, SPIN-код: 2369-0027, AuthorID: 719399 Чекрышева Виктория Владимировна, директор, к.в.н., доцент, ORCID:
0000-0002-6975-9758, SPIN-код: 5247-5424, AuthorID: 810594 Авагян Элен Нверовна, лаборант-исследователь, ORCID: 0009-0005-14665972
Северо-Кавказский зональный научно-исследовательский ветеринарный институт - филиал федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный Ростовский аграрный научный центр»
Аннотация. Создание противоинфекционных средств неантибиотической природы является перспективным направлением по преодолению лекарственной устойчивости микроорганизмов.
Важным направлением поиска лекарственных средств является модификация природных соединений, обладающих известной биологической активностью. Алкалоиды и их производные обладают немалым потенциалом трансформации в биологически активные структуры. Вещества природного происхождения зачастую являются источником современных лекарственных препаратов. Алкалоиды среди природных соединений представляют наиболее интересный класс химических веществ.
В России и странах СНГ произрастает более 500 видов алкалоидоносных растений, относящихся к 30-ти семействам. Эти растения являются продуцентами, из которых выделены и очищены более 1500 алкалоидов. Продуцентами изохинолиновых алкалоидов являются Papaver, Corydalis, Fumaria, Glaucinum, Roemeria, Hypecoum; к продуцентам пеганина
относится гармала обыкновенная (лат. Peganum hdrmala); продуцентами пальматина являются филодендрон амурский (лат. Phellodendron amurense), китайский золототысячник (лат. Coptis Chinensis) и коридалис яньхусуо (Corydalis yanhusuo). Нами предприняты попытки синтеза производных природных алкалоидов изохинолинового ряда (производные котарнина, глауцина, секоглауцина); диизохинолинового ряда (производные пальматина); хиназолинового ряда (производные пеганина). Все синтезированные соединения были тестированы на антибактериальную активность в отношении грампозитивных и грамнегативных бактерий. Определены соединения, которые могут быть использованы в качестве активнодействующих субстанций для производства ветеринарных препаратов.
Ключевые слова: синтез производных природных алкалоидов, котарнин,глауцин, пальматин, пеганин, определение антибактериальных свойств
SCREENING OF COMPOUNDS WITH ANTIBACTERIAL ACTIVITY IN THE SERIES OF DERIVATIVES OF NATURAL ALKALOIDS
Zubenko Alexander Alexandrovich, Chief Researcher, Doctor of Biological Sciences, ORCID: 0000-0001-7943-7667, SPIN-code: 7776-8122, AuthorlD:
180846
Fetisov Leonid Nikolaevich, Leading Researcher, Ph.D., ORCID: 0000-00022618-1079, SPIN-code: 8809-2266, AuthorlD: 508873 Svyatogorova Alexandra Evgenievna, junior researcher, PhD, ORCID: 00000003-4233-1740, SPIN-code: 2369-0027, AuthorID: 719399 Chekrysheva Viktoria Vladimirovna, Director, PhD, Associate Professor, ORCID: 0000-0002-6975-9758, SPIN-code: 5247-5424, AuthorID: 810594 Avagyan Elen Nverovna , Research Laboratory Assistant, ORCID: 0009-00051466-5972
«North-Caucasus Zonal Scientific Research Veterinary Institute» - Branch of the Federal State Budget Scientific Institution «Federal Rostov Agricultural Research
Centre»
Annotation. The creation of anti-infective agents of non-antibiotic nature is a promising direction for overcoming the drug resistance of microorganisms.
An important direction in the search for drugs is the modification of natural compounds with known biological activity. Alkaloids and their derivatives have a considerable potential for transformation into biologically active structures. Substances of natural origin are often the source of modern medicines. Among natural compounds, alkaloids represent the most interesting class of chemicals.
More than 500 species of alkaloid-bearing plants belonging to 30 families grow in Russia and the CIS countries. These plants are producers from which more than 1500 alkaloids have been isolated and purified. Producers of isoquinoline alkaloids are Papaver, Corydalis, Fumaria, Glaucinum, Roemeria, Hypecoum; peganin producers include common harmala (lat. Péganum harmala); Palmatin is produced by the Amur philodendron (lat. Phellodendron amurense), Chinese centaury (lat. Coptis Chinensis) and Corydalis yanhusuo. We have made attempts to synthesize derivatives of natural alkaloids of the isoquinoline series (derivatives of cotarnine, glaucine, secoglaucine); diisoquinoline series (palmatine derivatives); quinazoline series (peganin derivatives). All synthesized compounds were tested for antibacterial activity against gram-positive and gram-negative bacteria. Compounds that can be used as active substances for the production of veterinary drugs have been identified.
Key words: synthesis of derivatives of natural alkaloids, cotarnin, glaucine, palmatin, peganin, determination of antibacterial properties
Введение. Наши исследования направлены на создание противоинфекционных средств неантибиотической природы, что особенно важно в связи с возрастающей проблемой лекарственной устойчивости микроорганизмов.
Актуальным направлением поиска лекарственных средств является модификация природных соединений, обладающих известной биологической активностью. Алкалоиды и их производные обладают немалым потенциалом трансформации в биологически активные структуры [3]. Значительное число
современных лекарственных веществ имеют в своей основе природное происхождение. Среди природных соединений алкалоиды представляют наиболее интересный класс химических веществ.
На территории России и стран СНГ имеется около 500 видов алкалоидоносных растений, относящихся к более чем 30-ти семействам. Общее количество выделенных алкалоидов приближается к 1500 [1, 2]. Среди растений, продуцирующих изохинолиновые алкалоиды, можно назвать Papaver, Corydalis, Fumaria, Glaucinum, Roemeria, Hypecoum; продуцентом пеганина является гармала обыкновенная (лат. Péganum hármala); продуцентами пальматина являются филодендрон амурский (лат. Phellodendron amurense), китайский золототысячник (лат. Coptis Chinensis) и коридалис яньхусуо (Corydalis yanhusuo). Нами синтезированы производные природных алкалоидов изохинолинового ряда: производные котарнина, глауцина, секоглауцина; диизохинолинового ряда: производные пальматина; хиназолинового ряда: производные пеганина. Изучен спектр синтезированных производных алкалоидов и определены уровни их антимикробной активности. Изохинолиновые алкалоиды представляют собой наиболее перспективную группу лекарственных препаратов с широким спектром фармакологического действия. Многие из алкалоидов этой группы являются источниками, вошедших в медицинскую практику, препаратов. Морфин, кодеин, папаверин, апорфиновый алкалоид глауцин, сангвиварин и хелеритрин известны своим противокашлевым эффектом [1, 2]. Изохинолиновый алкалоид котарнин интересен как высокоактивное природное соединение с разнообразной реакционной способностью [2]. На рисунке 1 показана общая формула производных котарнина.
Вт
Рис.1. Общая формула производных котарнина
В наших исследованиях были синтезированы и изучены на антимикробную активность 4 группы производных котарнона и котарнина.
Цель. Скрининг соединений с антибактериальной активностью среди производных природных алкалоидов.
Задачи. Разработать новые методы синтеза производных алкалоидов. Определение уровня антибактериальной активности синтезированных соединений.
Материалы и методы.
Химическая часть. Синтез соединений осуществляли с использованием как известных методов синтеза органических соединений, описанных в многочисленных руководствах, так и с применением разработанных нами методов [4, 5].
Синтезы производных котарнона и котарнина.
В первую группу вошли 15 производных котарнона (285-300, номера соединений в лабораторном журнале) с гидролизованной метоксигруппой и 4-аминометильной группой, ацилированной алифатическими и гетероциклическими кислотами.
О ^
О
<
О
И'
ОО
Рис.2. Формула производных котарнона (1 группа)
Во вторую группу вошли производные котарнона (315-334, 338-343), в которых фенольный гидроксил проалкилирован амидами хлоруксусной кислоты.
О
<
О
ОО
о' N
Рис.3. Формула производных котарнона (2 группа)
В третью группу (396-398) вошли производные 5-бромкотарнона
Вг
О
<
О
ОО
О N
Рис.4. Формула производных котарнона (3 группа)
В 4 группу (402-426) вошли производные котарнина с амидированными заместителями уксусной кислоты в положении 1
Вг
Рис.5 Формула производных котарнона (4 группа)
Глауцин - изохинолиновый алкалоид, продуцируется растением Glaucium flavum (мачок желтый). В траве этого растения содержится свыше 1% глауцина. Алкалоид глауцин также весьма интересен как природное соединение с разнообразной реакционной способностью и биологической активностью.
Исходя из этих предпосылок синтезированы соединения глауцина общей формулы (рис. 6) и секоглауцина общей формулы (рис. 7), в которых заместитель Я представляет собой азотсодержащий гетероцикл и изучена их биологическая активность.
Рис.6 Формула производных глауцина (общая формула)
Рис. 7 Формула производных секоглауцина (общая формула)
Синтезы новых производных глауцина были осуществлены по разработанным нами методикам, которые опубликованы в научных статьях в высокорейтинговом журнале Mendeleev Communications [6, 7].
Производные пальматина были синтезированы взаимодействием пальматина с натриевой солью полуэфира малоновой кислоты при нагревании в диметилформамиде (рис. 8 и 9).
Рис.8 Формула производных пальматина (соединение 8)
Рис.9 Формула производных пальматина (соединение 9)
Синтез соединений ряда пеганина (вазицина) осуществляли с помощью известных методов, описанных в руководствах по органической химии и в
литературных источниках. Так, синтез соединения 10 проводили путём нитрования вазицина азотной кислотой в серной кислоте с выходом 60%.
О
Восстановление нитрогруппы в соединении 10 эффективно протекает при кипячении в этаноле в присутствии гидразина и никеля Ренея в качестве катализатора. Ацилирование по аминогруппе не вызывает затруднений и позволяет получать соединения 11 с высокими выходами (80-90%). Синтез сульфамидов проводили с помощью хлорсульфоновой кислоты при низкой температуре. Хлорпроизводное получается при обработке вазицина хлористым тионилом в диметилформамиде с выходом 70%. Нуклеофильное замещение атома хлора на этилмеркаптогруппу и последующее амидометилирование по Айнхорну приводит к серусодержащим производным пеганина.
Биологическая часть. Антибактериальную активность определяли диско-диффузионным методом. Для исследований использовали мясо-пептонный агар, который заливали в чашки Петри по 25 мл в каждую. Чашки подсушивали в течение 10-20 мин. На поверхность чашек Петри с питательной средой наносили 1-2 мл взвеси стандартных штаммов Staphylococcus aureus ВКМ В - 128 или Esherichia coli ВКМ В-820 густотой 5 единиц (500 млн микробных клеток в 1 мл) оптического бактериального
Рис.10 Формула производных пеганина (соединение 10)
Рис.11 Формула производных пеганина (соединение 11)
стандарта мутности. Распределяли взвесь равномерно по поверхности среды, избыток удаляли. Чашки подсушивали 20-30 минут. Размечали сектора (3-6). В сектора размещали по 1 диску из картона фильтровального НД-ПМП-1 ГОСТ 6722-75 (Пр-во ФБУН НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера, Отдел новых технологий, Санкт-Петербург). На диск наносили 15 мкл суспензии испытуемого соединения на дистиллированной воде концентрацией 1000 мкг/мл, что составляет 15 мкг препарата на каждый диск. Подготовленные чашки помещали в термостат при 37о С на 24 часа. Препараты сравнения - фуразолидон, ципрфолоксацин. Оценивали величину зоны задержки роста бактериальной культуры вокруг диска в мм [8].
Исследование протистоцидной активности проводили по методике [9] на простейших вида Colpoda steinii (полевой изолят, коллекция лаборатории паразитологии ФГБНУ СКЗНИВИ). Работу выполняли в микропланшетах для постановки ИФА. В качестве среды для переживания простейших использовали смесь кипяченой водопроводной воды и стерильной дистиллированной воды в равных объемах. Первоначальное разведение вещества готовили на дистиллированной воде в присутствии ДМСО. Препараты сравнения - толтразурил и хлорохин (делагил).
Результат оценивали по величине минимальной ингибирующей концентрации, выражали в мкг/мл.
Исследование фунгистатической активности проводили по оптимизированной методике методом диффузии в агар на культуре грибов рода Pénicillium вида Pénicillium italicum Wehmer (1894), референтный штамм ВКМ F-1279 в соответствии с «Руководством по экспериментальному (доклиническому) изучению новых фармакологических веществ под общ. ред. Р.У.Хабриева. М.,2005.- С.582-585. На застывшую питательную среду Сабуро (либо сусло-агар) наносили 1 мл взвеси культуры испытуемого гриба (густотой 5 единиц оптического бактериального стандарта мутности). Распределяли взвесь равномерно по поверхности среды, избыток удаляли. Чашки подсушивали 20-30 минут. Размечали сектора (3-6). В сектора
размещали по 1 диску из картона фильтровального НД-ПМП-1 ГОСТ 6722-75 (Пр-во ФБУН НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера, Отдел новых технологий). На диск наносили 15 мкл суспензии испытуемого соединения на дистиллированной воде из расчёта 15 мкг препарата на каждый диск. Подготовленные чашки помещали в термостат при 26о С на 72 часа. Рост культуры контролировали каждые сутки. Учет результатов через 72 часа. Препараты сравнения - фундазол, феналидон. Активность оценивали по величине зоны задержки роста культуры гриба вокруг диска, в мм.
Результаты проведённых исследований.
Таблица1.
Антибактериальная активность производных алкалоидов
81аигвт, мм Е.еоН, мм
Группа Производные
алкалоидов алкалоида Число Пределы Число Пределы
активных активнос активн активност
в-в в группе ти, мм ых в-в в группе и, мм
Котарнина 7/16 0-6 9/16 6-20
<и А И О К 1 группа 43,8% 56,3%
Котарнина 16/25 6-15 5/25 6-12
2 группа 64% 20%
к ч Котарнина 4/19 6-12 3/19 6-7
о К 3 группа 44,4% 33,3%
к о Котарнина 0/24 0 9/24 7-14
¡3 4 группа 0 % 37,5%
Глауцина 7/11 63,3% 6-22 7/11 63,3% 7-12
Диизохинолинов Пальматин 1/5 0-11 2/5 0-10
ые 20% 40%
Хинозолиновые Пеганин 1/13 7,7% 0-8 1/13 7,7% 0
Заключение. Соединения первой группы производных котарнина
обладают значительной антибактериальной активностью в отношении St.aureus (7 соединений) и E.coli (9 соединений), причем одно соединение (№290) сравнимо по активности с фуразолидоном.
Производные котарнона второй группы обладают антибактериальной активностью, при этом более активны в отношении грампозитивных бактерий (64% соединений).
Производные 5-бромкотарнона обладают выраженным антибактериальным действием (зона задержки роста составляла 6-12 мм). Антибактериальная активность в отношении грампозитивных бактерий (St.aureus) была выявлена у 44,4% исследованных соединений. В отношении грамнегативных бактерий (E.coli) активность выявлена у 33,3% соединений.
Производные котарнина четвертой группы были более активными в отношении грамотрицательных бактерий E.coli - 37,5% соединений этой группы подавляли рост бактерий ,при этом уровень активности достигал 70 % уровня активности препарата сравнения фуразолидона.
Синтезированные производные глауцина проявляют разнообразную биологическую активность: соединения №№ 311,461,548,602,603,604 -антибактериальную на уровне около 50% активности фуразолидона в отношении E.coli; соединения № 548, 602, 603, 604 проявили бактериостатическую активность в отношении St.aureus на уровне от 43% до 73% активности ципрфлоксацина.
Синтезированные производные пальматина проявляли разного уровня абиотическую активность: соединения «2601» и «2607» - антибактериальную в отношении E.coli на уровне близко 50% активности фуразолидона.
Среди производных природного алкалоида пеганина обнаружили одно соединение, проявившее антибактериальную активность в отношении St.aureus (45 % уровня активности ципрофлоксацина).
Разработаны новые методы синтеза производных алкалоидов. Химическая модификация производных алкалоидов: котарнина, глауцина, пальматина и пеганина, может привести к высокоактивным и ценным для ветеринарной практики антибактериальным препаратам.
Литература
1. Юнусов С.Ю. Алкалоиды. Ташкент, ФАН.-1981.-с.418
2. Юнусов М.С. Биологичесая активность алкалоидов. Мат-лы Первой Международной конференции «Химия и биологическая активность азотистых гетероциклов и алкалоидов» (том 1).-Москва, 9-12 октября 2012.-С.203-210
3.Карцев В.Г., Зубенко А.А., Диваева Л.Н., Морковник А.С., Барышникова Т.К., Ширинян В.З. Новые структурные модификации производных алкалоида котарнина котарнона и дигидрокотарнина / Журнал общей химии. 2020. Т. 90. № 2. С. 261-267).
4. Карцев В.Г., Зубенко А.А. Взаимодействие котарнина с а-галоген-кетонами. Новый способ формирования 3-бензазепинов. «Химия гетероциклических соединений. Современные аспекты.» под. ред. Карцева В.Г., М.,МБФНП, 2014, том1, с.217-220
5. Патент РФ 23948242. Производные пиридо [1,2-а]бензимидазола, обладающие антибактериальным действием, и способ их получения / А.А. Зубенко, Л.Н. Фетисов, Л.Д. Попов, И.В. Зубенко [и др.] - № 2008151859/04; заявл. 01.10.2012 .Опубл. 20.07.2010. Бюл. № 20.
6. Synthesis of phenanthro[1,2-d]azepine derivatives containing a new heterocyclic system from the aporphine alkaloid glaucine / Zubenko A.A., Morkovnik A.S., Divaeva L.N., Kartsev V.G., Suponitsky K.Y., Klimenko A.I. // Mendeleev Communications. 2018. Т. 28. № 3. С. 320-322.
7. Recyclization of glaucine as a new route to litebamine derivatives / Alexander A.Zubenko, Anatolii S.Morkovnik, Ludmila N.Divaeva, Viktor G.Kartsev, Ludmila G.Kuzmina, Gennadii S.Borodkin, Alexander I.Klimenko // Mendeleev Communications, Volume 28, Issue 1, January-February 2018, Pages 58-60.
8. Методы экспериментальной химиотерапии, М., «Медицина», 1971, с.100-106.
9. Фетисов Л.Н., Зубенко А.А., Бодряков А.Н., Бодрякова М.А. Изыскание протистоцидных средств.- Международный паразитологический симпозиум «Современные проблемы общей и частной паразитологии» 15-16 сентября 2012 года опубл. в ж. Вопросы нормативно-правового регулирования в ветеринарии, 4/1,2012.-С.70-72
References
1. Yunusov S.Yu. Alkaloids. Tashkent, FAN.-1981.-p.418
2. Yunusov M.S. Biological activity of alkaloids. Materials of the First International Conference "Chemistry and biological activity of nitrogenous heterocycles and alkaloids" (vol. 1). - Moscow, October 9-12, 2012. - P. 203-210
3. Kartsev V.G., Zubenko A.A., Divaeva L.N., Morkovnik A.S., Baryshnikova T.K., Shirinyan V.Z. New structural modifications of kotarnine alkaloid derivatives kotarnone and dihydrocotarnine / Journal of General Chemistry. 2020. V. 90. No. 2. S. 261-267).
4. Kartsev V.G., Zubenko A.A. Interaction of kotarnin with a-halo-ketones. A new method for the formation of 3-benzazepines. "Chemistry of heterocyclic compounds. Modern Aspects. under the editorship of Kartsev V.G., M., MBFNP, 2014, volume 1, p.217-220
5. Patent RF 23948242. Derivatives of pyrido[1,2-a]benzimidazole with antibacterial action and a method for their preparation / A.A. Zubenko, L.N. Fetisov, L.D. Popov, I.V. Zubenko [and others] - No. 2008151859/04; dec. 10/01/2012. Published. 07/20/2010. Bull. No. 20.
6. Synthesis of phenanthro[1,2-d]azepine derivatives containing a new heterocyclic system from the aporphine alkaloid glaucine / Zubenko A.A., Morkovnik A.S., Divaeva L.N., Kartsev V.G., Suponitsky K.Y., Klimenko A.I. // Mendeleev Communications. 2018. V. 28. No. 3. S. 320-322.
7. Recyclization of glaucine as a new route to litebamine derivatives / Alexander A. Zubenko, Anatolii S. Morkovnik, Ludmila N. Divaeva, Viktor G. Kartsev, Ludmila G. Kuzmina, Gennadii S. Borodkin, Alexander I. Klimenko //
Mendeleev Communications, Volume 28, Issue 1, January-February 2018, Pages 58-60.
8.Methods of experimental chemotherapy, M., "Medicine", 1971, pp. 100106.
9. Fetisov L.N., Zubenko A.A., Bodryakov A.N., Bodryakova M.A. The search for protistocidal agents. - International parasitological symposium "Modern problems of general and particular parasitology" September 15-16, 2012 publ. in the Issues of legal regulation in veterinary medicine, 4/1, 2012.-p.70-72
