CC BY
227
Сравнительным хемореактомныи анализ
мексидола
Торшин И.Ю.1, Громова О.А.2, Сардарян И.С.3, Федотова Л.Э.3, Семенов В.А.14
1 - ФГАОУ ВО «Московский физико-технический институт», г. Долгопрудный 2 - ФГБОУ ВО «Ивановская государственная медицинская академия» Минздрава России, г. Иваново 3 -ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский университет»
Минздрава России, г. Санкт-Петербург 4 - ФГБОУ ВО Кемеровская государственная медицинская академия Минздрава РФ, г. Кемерово
Резюме. В настоящей работе представлены результаты хемореактомного моделирования фармакологических эффектов этилме-тилгидроксипиридина сукцината (мексидол) в сравнении с контрольными молекулами (холина альфосцерат, пирацетам, глицин, семакс). Хемореактомный анализ показал, что мексидол может являться: 1) агонистом ацетилхолиновых и ГАМК-А рецепторов; 2) противовоспалительным агентом, эффекты которого осуществляются за счёт ингибирования синтеза провоспалительных простагландинов; 3) нейропротекторным агентом с нейротрофическими свойствами; 4) ингибитором коагуляции; 5) сахаросни-жающим средством; 6) гиполипидемическим средством. От молекул сравнения мексидол отличает более выраженный профиль безопасности (меньшее воздействие на серотониновые, дофаминовые и адренергические рецепторы, меньшая степень взаимодействия с калиевыми каналами сердца, ферментами МАО и цитохромами Р450). Результаты моделирования позволяют уточнить механизм действия молекулы мексидола на молекулярном уровне.
Ключевые слова: мексидол, нейропротекция, хемореактомный анализ, хемоинформатика, прогнозирование
Comparative chemoreactome analysis of mexidol
Torshin I.J.1, Gromova O.A.1, Sardaryan I.S.3, Fedotova L.E.3, Semenov V.A.1,4
1 - Moscow Institute of Physics and Technology, DoLgoprudny 2 - FSBEI HE IvSMA MOH Russia, Ivanovo 3 -FSBI HPE «Saint Petersburg State Pediatric Medical University» of the Ministry of Healthcare of the Russian Federation, St. Petersburg
4 - Kemerovo State Medical Academy of the RF Ministry of Health, Kemerovo Abstract. The paper presents the results of chemorectome modeling of the pharmacological effects of ethylmethylhydroxypyridine succinate (mexidol) as compared to control molecules (choline alfoscerate, piracetam, glycine, semax). Chemoreactome analysis showed that mexidol may be (1) an agonist of acetylcholine and GABA-A receptors; (2) an anti-inflammatory agent, the effects of which are carried out by inhibiting the synthesis of pro-inflammatory prostaglandins; (3) a neurotrophic agent with neuroprotective properties; (4) a coagulation inhibitor; (5) a diabetes medication and (6) a hypolipidemic agent. From the "control" molecules mexidol is distinguished by a more pronounced safety profile (a lower impact on serotonin, dopamine and adrenergic receptors, a lesser degree of interaction with the potassium channels of the heart, with the MAO enzyme and with the P450 cytochromes). The results of the chemoreactome modeling allowed us to formulate the mechanisms of action of mexidol at the molecular level. Keywords: mexidol, neuroprotection, chemoreactome analysis, chemoinformatics, forecasting
Автор, ответственный за переписку:
Громова Ольга Алексеевна - д.м.н., профессор кафедры фармакологии и клинической фармакологии ФГБОУ ВО ИвГМА МЗ России; 153012, Иваново, Шереметевский пр., 8; тел. +7 (4932) 41-65-25; e-mail: unesco.gromova@gmail.com
Введение
В комплексной терапии пациентов с цереброва-скулярной патологией (в частности, с ишемическим инсультом) широко используются препараты из перечня ЖНВЛП (жизненно необходимых и важнейших лекарственных препаратов). Например, пациентам назначаются препараты, влияющие на парасимпатическую нервную систему (код АТХ N07A, например, холина альфосцерат и др.), мексидол (код АТХ N07X), пирацетам, глицин, семакс (пептид Met-Glu-His-Phe-Pro-Gly-Pro) и другие препараты с ноотропной активностью (код АТХ N06B).
Молекула этилметилгидроксипиридина сукцината (мексидол) является действующим началом одноимённого препарата Мексидол® (фармацевтическая компания «БИОН»), а также многочисленных препа-ратов-дженериков (Медомекси, Мексибел, Мексидант, Мексикор, Мексиприм, Мексифин, Церекард и т. п.) [1]. Оригинальный препарат Мексидол® выпускается в разных лекарственных формах (раствор для внутривенного и внутримышечного введения; таблетки, покрытые оболочкой; таблетки, покрытые плёночной оболочкой) и оказывает положительное действие на состояние пациентов с ишемией головного мозга за счёт повышения синтеза АТФ, антиоксидантного,
4ИШИШШ шмщимм
антигипоксического, ноотропного, антитромботиче-ского, антиконвульсантного действия и др. [2].
Для более полного понимания условий, при которых клиническая эффективность мексидола будет максимальна, следует иметь как можно более полную информацию о молекулярных механизмах действия данной молекулы. Обычно считается, что основными механизмами действия мексидола являются антиок-сидантный эффект и активация синтеза АТФ. Однако эти механизмы в принципе не могут объяснить наличие у мексидола ноотропного, антиконвульсантного и, тем более, анксиолитического действия.
Очевидно, что перечисленные эффекты не могут объясняться просто «антиоксидантным эффектом», синтезом АТФ и другими подобного рода «объяснениями». Показано, что мексидол модулирует активность сигнальных ферментов аденилатциклазы, рецепторов бензодиазепинов, ГАМК, ацетилхолина, улучшает микроциркуляцию и реологические свойства крови, уменьшает агрегацию тромбоцитов [3, 4], что также не может быть объяснено просто «антиоксидантным эффектом». Молекулярные механизмы осуществления перечисленных выше активностей мексидола так и не были достаточно исследованы.
В настоящей работе представлены результаты моделирования свойств мексидола в сравнении с контрольными молекулами с известным нейропротекторным и/или ноотропным действием (холина альфосцерат, пирацетам, глицин, семакс). Исследование проводится с использованием новейшего направления постгеномной фармакологии — хемореактомного моделирования. В рамках постегномной парадигмы, молекула любого лекарственного средства «мимикрирует» под определённые метаболиты (вследствие наличия тех или иных сходств в химической структуре) и, связываясь с теми или иными белками протеома, производит соответствующие данному лекарству эффекты (как позитивные, так и негативные) [5]. Совокупность имеющихся для исследуемой молекулы данных о взаимодействии с белками протеома, рассматриваемых в ходе проведения хемореактомного анализа, и позволяет сделать обоснованные выводы о потенциальных эффектах молекулы.
Анализ фармакологических «возможностей» мексидола и молекул сравнения проведён на основе хемоинформационного подхода, т. е. сравнения химической структуры исследуемых молекул со структурами миллионов других молекул, для которых молекуляр-но-фармакологические свойства известны. Процедура анализа основана на новейших технологиях машинного обучения [6—9], разрабатываемых в научной школе акад. РАН Ю.И. Журавлева и член-корр. РАН К.В. Рудакова.
Материалы и методы
Хемоинформатика — область исследований на стыке структурной химии, фармакологии и биоинформатики, в которой взаимосвязи типа «химическая струк-
тура» — «свойство вещества» исследуются методами современной информатики. Хемоинформационный анализ позволяет найти молекулы, схожие с исследуемой и, соответственно, предположить физиологические, фармакологические и другие свойства исследуемой молекулы на основе имеющейся информации о свойствах молекул, наиболее близких по структуре и представленных в базе данных РиЬ^ет [10].
Особый подраздел хемоинформатики, хемореак-томный анализ, направлен на оценку биологических активностей исследуемой молекулы (в частности, моделирование профиля сродства исследуемой молекулярной структуры к различным белкам протеома). В настоящей работе был проведён сравнительный хе-мореактомный анализ молекул мексидол в сравнении с контрольными молекулами (холина альфосцерат, пирацетам, глицин, семакс, рис. 1).
Пирацетам Мексидол Глицин
он
Семакс (пептид Ме!-б1и-Н|5-РЬе-Рго-С1у-Рго)
Рис. 1. Химические формулы исследованных молекул
Для проведения хемоинформационного анализа был разработан новый математический метод, основанный на комбинаторной теории разрешимости [9—12]. Комбинаторная теория разрешимости, представляющая собой развитие алгебраического подхода к задачам распознавания, является современным инструментом для исследования признаковых описаний объектов. С использованием разработанной теории вычисляется функция расстояния между молекулами отражающая «химическое расстояние» между двумя произвольными молекулами. Таким образом, на первом этапе хемоинформационного анализа с использованием расстояния устанавливается список наиболее близких к мексидолу химических структур. На втором этапе, для каждой молекулы из баз данных извлекаются все имеющиеся данные экспериментального измерения различных биологических свойств этой молекулы и проводится вычисление констант различных биологических активностей.
Результаты
С использованием описанного выше метода хемо-информационного анализа были проведены сравнения химической структуры мексидола с молекулами в базе данных метаболома человека и с молекулами в базах данных лекарственных средств. В качестве модели метаболома человека использовались более 40 000 соединений, приведённых в базе данных HMDB (Human Metabolome Database, т. е. база данных метаболома человека) [11]. Данные соединения включают большинство соединений, измеряемых в плазме крови человека и также ряд лекарственных средств и их метаболитов. В табл. 1 представлены наиболее интересные результаты анализа сходства мексидола с фармакологически активными веществами.
Таким образом, почти все схожие с мексидолом молекулы были обнаружены в растительных экстрактах (алкалоиды шелковицы, иминосахара гречки и др.).
Таблица 1
Соединения, полученные в результате хемоинформационного поиска, структурно схожие с мексидолом и характеризующиеся известной фармакологической активностью
d% Формула Фармакологические роли
Н О^ч
0,00 Н Мексидол Исследуемая молекула
0,08 Ли Дигидроксинортропан Алкалоид шелковицы, гипогликемический эффект
Н rV
0,15 н° н Деоксифагомин Иминосахар гречки, поддержка микробиоты
Hi
0,21 Н° Калистегин A7 Ингибитор альфа-глюкозидаз, нормализация уровня глюкозы при диабете
0,21 н f О н Деоксиноджиримицин Иминосахар шелковицы, ингибитор альфа-глюкозидаз, нормализация уровня глюкозы при диабете
0,21 он Н 1 S^o о н Фагомин Иминосахар гречки, поддержка микробиоты, гипогликемический эффект
0,21 н н н 1 н н° Воглибоза Ингибитор альфа-глюкозидаз, нормализация уровня глюкозы при диабете
0,21 но S f XX о н н Миглитол Ингибитор альфа-глюкозидаз, нормализация уровня глюкозы при диабете
0,25 Норпситропин Алкалоид шелковицы, гипогликемический эффект
0,25 н Г J н Этамбутол Микобактериальный антибиотик
0,27 Калистегины В5, С1, А6, В2 Нормализация уровня глюкозы при диабете
0,36 О \ Пентолиний Антагонист никотиновых рецепторов, вазодилатор
0,46 1 1 Н Соламин Антисептик
0,46 Декаметоний Агонист ацетилхолиновых рецепторов
0,46 & НГ Мекамиламин Антагонист никотиновых рецепторов, вазодилатор
4МШШШШ шмщимм
выми рецепторами, вазодилаторными свойствами, антибактериальными свойствами, поддержкой ми-кробиоты и др.
Результаты хемореактомного моделирования свойств молекулы мексидола
Хемореактомное моделирование показало, что мексидол может являться агонистом ацетилхолиновых рецепторов и ГАМК рецепторов (табл. 2). Активация M3 мускариновых рецепторов приводит к стимуляции пути выживания нейронов (молекулярный каскад ERK1/2). Активация каскада ERK1/2 тормозит апоптоз нейронов, т. е. обуславливает нейропротекторный эффект [12].
Активация мексидолом никотиновых рецепторов ацетилхолина типа a4ß2 нормализует процессы пре-си-наптического и пост-синаптического возбуждения хо-линергических синапсов, что также способствует ней-ропротекции (в частности, улучшает внимание) [13]. Ингибирование М4 мускариновых рецепторов молекулой мексидола способствует ГАМКергической трансмиссии [14], что усиливает воздействие мексидола на ГАМК рецепторы.
Хемореактомный анализ показал, что молекула мексидола является лучшим агонистом ГАМК рецеп-
Таблица 2
Хемореактомные оценки взаимодействий мексидола и молекул сравнения с различными рецепторами нейротрансмиттеров
Об. Ош. Ед. Активность МКС ХЛА ПРЦ ГЛИ СМК
Ki 191 нМ Сродство к серотонинергическому рецептору 5НТ1А мозга крыс 1 498 145 144 32 151
IC50 99 нМ Сродство к серотонинергическому рецептору 5НТ1В, вытеснение [3Н]5-НТ 1 919 72 333 НЭ 215
Ki 129 нМ Сродство к альфа-2Ь адренергическим рецепторам человека, [3Н] раувольфцин 987 316 722 365 490
Ki 264 нМ Сродство к альфа-2 адренергическим рецепторам мозга крыс 1 133 467 424 167 396
K 396 нМ Сродство к D1 рецептору допамина стриатума крыс, [3Н] фенолдопам 3 687 1 223 1 296 1 199 1 303
Ki 102 нМ Сродство к рецептору допамина D2 человека, [3Н] спиперон 997 72 149 НЭ 69
IC50 8 нМ Сродство к бензодиазепиновому рецептору В крыс, [3Н] диазепам 711 НЭ НЭ НЭ НЭ
- 33 % % повышения пикового тока ГАМКергических рецепторов при добавлении 1 мкМ ГАМК + 1 мкМ соединения по сравнению с 1 мкМ ГАМК 305 136 104 НЭ 108
- 21 % Процент модуляции субмаксимального ответа (ЕС20) на ГАМК рецепторов ГАМК-А альфа-2-бета-3-гамма-2 человека 68 30 20 14 18
Ki 998 нМ Сродство к мускариновым рецепторам М2 крыс, [3Н] QNB 421 11 798 НЭ НЭ НЭ
Ki 389 нМ Сродство к М4 мускариновым рецепторам ацетилхолина, [3Н] оксотреморин 1 315 НЭ НЭ НЭ НЭ
- 36 % % секреции дофамина при активации а-нико-тиновых рецепторов ацетилхолина в стриатуме крыс 70 100 НЭ НЭ НЭ
Примечание: здесь и табл. 3-6. Об. — обозначение параметра биологической активности (константы) в соответствии с международной номенклатурой; Ед. - единицы измерения параметра; Ош. - ошибка (погрешность) значения параметра; МКС - мексидол; ХЛА - холина альфосцерат; ПРЦ - пирацетам; ГЛИ - глицин; СМК - Семакс; НЭ - нет эффекта.
0,50 \ Диоскоретин Гипогликемический эффект
0,50 Цевимелин Агонист мускариновых рецепторов ацетилхолина, лечение ксеростомии (сухость во рту)
Примечание: соединения упорядочены в соответствии со значением dT, «химического расстояния» от молекулы мексидола (см. Методы). Более низкие значения соответствуют большей структурной близости молекулы вещества к мексидолу
Многие из этих молекул характеризуются известными гипогликемическим и антидиабетическим эффектами (в частности, за счёт ингибирования альфа-глюко-зидаз, что способствует снижению уровня глюкозы в крови). Кроме того, схожие с мексидолом молекулы природного происхождения характеризуются и другими свойствами: взаимодействием с ацетилхолино-
торов, чем молекулы сравнения см. табл. 2). Например, мексидол повышает субмаксимальный ответ на стимуляцию ГАМК-А рецепторов типа a2ß3y2 на 68%, а для всех молекул сравнения — не более чем на 30%. Активация ГАМК-рецепторов проявляет нейропро-текторный эффект в моделях поражения нейронов бета-амилоидом и в моделях спонтанной гипертонии [15]. Повышение выживания нейронов при активации ГАМК-рецепторов осуществляется, в частности, за счёт активации молекулярных каскадов выживания нейронов Akt (РКА) и ERK1/2 [16].
Хемореактомный анализ показал, что молекула мексидола вмешивается в модуляцию серотонинерги-ческой и дофаминергическую активности в меньшей степени, чем молекулы сравнения. Так, значения констант ингибирования (Ki) серотониновых и дофаминовых рецепторов различных типов были выше именно для мексидола, что соответствует меньшему сродству мексидола к этим рецепторам (см. табл. 2). Например, полученное для глицина значение оценки сродство к рецептору серотонина 5НТ1А было весьма высоким (Ki = 32 нМ), в то время как для мексидола сродство было в 15 раз более низким (Ki = 1498 нМ). Большая, по сравнению с контрольными молекулами, нейтральность мексидола по отношению к серотони-новым и к дофаминовым рецепторам означает, что мексидол не будет способствовать резким колебаниям настроения у пациентов с депрессивными и тревожными расстройствами (рис. 2).
Результаты хемореактомного моделирования неврологических эффектов мексидола соответствуют обсуждаемым ранее нейропротекторным эффектам молекулы, ассоциированным с активацией ацетил-холиновых и ГАМК рецепторов. В частности, хемо-реактомное моделирование указывает на противосу-дорожную активность молекулы мексидола (табл. 3). Например, ингибирование фенилхинон-индуцирован-ных судорог у мышей может осуществляться на 93% в случае использования мексидола, на 36% — в случае пирацетама и только на 11% — в случае семакса. Кроме того, молекула мексидола может ингибировать образование и агрегацию бета-амилоида, а также избыточную активность сигнального фермента GSK3 , что стимулирует рост нейритов и регенерацию нервной ткани [17] (табл. 3).
При ишемических процессах в мозге происходит интенсивный распад фосфолипидов нейрональных мембран и вырабатываются провоспалительные эй-козаноиды (простагландин Е2, тромбоксаны и др.). Эти эйкозаноиды не только стимулируют процессы воспаления, но также усиливают боль и тромбообра-зование.
Хемореактомное моделирование мексидола показало более выраженное противовоспалительное действие молекулы за счёт ингибирования синтеза провоспалительных простагландинов посредством частичного ингибирования ферментов ЦОГ-2 и 5-ли-поксигеназы (табл. 4). Частичное ингибирование
Нет влияния на АД
рецепторы
Дофаминовые рецепторы
Активация никотиновых а, в рецепторов ацетилхолина
Мексидол
Мексидол не будет способствовать резким колебаниям настроения у пациентов с депрессивными и тревожными расстройствами
Отсутствие нежелательных побочных эффектов
Активация а, в, у ГАМК-А рецепторов
Нейропротекторные эффекты, улучшение внимания, улучшение памяти
Нейропротекция, снижение боли, тревоги, купирование лекарственной зависимости
Противовоспалительная активность
Терапевтические эффекты
Рис. 2. Хемореактомный анализ: основные молекулярные механизмы действия мексидола. ЦОГ-2, циклооксигеназа-2; 5-ЛОГ, 5-липоксигеназа
4МШШШШ ШМЩШМ-
Таблица 3
Хемореактомные оценки экспериментальных неврологических эффектов мексидола и молекул сравнения
Об. Ош. Ед. Активность МКС ХЛА ПРЦ ГЛИ СМК
- 45 % Обезболивающее действие в эксперименте 95 НЭ НЭ НЭ НЭ
ED50 154 мг/кг Противосудорожная активность у мышей при поражении электрическим током 71 НЭ НЭ НЭ НЭ
HD50 4 мкМ Внутривенная доза, вызывающая вестибулярные нарушения в течение 30 с у 50% мышей 82 НЭ НЭ 29 НЭ
- 21 % Ингибирование фенилхинон-индуцированных судорог у мышей, 50 мг/кг 93 19 36 НЭ 11
FC 1 - Ингибирование агрегации бета-амилоида, флуориметрический анализ 2 НЭ НЭ НЭ НЭ
- 263 % Антиамилоидогенная активность в №А клетках мыши, 1 мкМ 91 НЭ 122 НЭ НЭ
- 19 % Антагонизм глутаматного рецептора mGluR5, 30 мкМ 15 НЭ НЭ НЭ НЭ
IC50 13 нМ Ингибирование GSK3 75 НЭ НЭ НЭ НЭ
- 1 % Нейропротекторное действие при Н2О2 -индуцированной гибели нейронов клеток при инкубировании в 1 мкМ вещества за 24 ч до воздействия Н2О2 21 НЭ НЭ НЭ НЭ
- 72 с Антидепрессантная активность в модели иммобилизационного стресса, 20 мг/кг 78 НЭ НЭ НЭ НЭ
Примечание: обозначения - см. в табл. 2.
Таблица 4
Хемореактомные оценки противовоспалительных эффектов мексидола и молекул сравнения
Об. Ош. Ед. Активность МКС ХЛА ПРЦ ГЛИ СМК
IC50 816 нМ Ингибирование ЦОГ-2, арахидоновая кислота 1 029 НЭ НЭ НЭ НЭ
IC50 45 нМ Ингибирование ЦОГ-2-опосредованного синтеза PGE2 716 НЭ НЭ НЭ НЭ
- 17 % Ингибирование ЦОГ-2 моноцитов человека 46 23 НЭ 18 НЭ
IC50 109 нМ Константа ингибирования ЦОГ-2, флуоресцентный анализ 75 351 274 265 107
- 0 - Селективность ингибирования ЦОГ-2 относительно ЦОГ-1 3 НЭ НЭ НЭ НЭ
- 24 % Ингибирование простагландин D синтетазы человека, 50 мкМ 84 28 26 НЭ 19
IC50 267 нМ Ингибирование простагландин Е синтетазы 554 НЭ НЭ НЭ НЭ
- 24 % Ингибирование 5-липоксигеназы как остаточная активность нейтрофилов при стимуляции арахидоновой кислотой, 10 мкМ, ВЭЖХ анализ 65 НЭ НЭ НЭ НЭ
- 54 % Ингибирование синтеза простагландинов в каррагинан-индуцированной модели воспаления 92 НЭ НЭ НЭ НЭ
- 46 % Ингибирование NFkB активируемого ФНО-альфа, 50 мкМ 61 24 21 14 21
- 9 % Ингибирование секреции гистамина, 25 мг/кг в кожной анафилаксии у самцов крыс 43 НЭ НЭ НЭ НЭ
- 11 % Противовоспалительная активность против адъювантного артрита у крыс в дозе 25 мг/кг 38 19 НЭ 23 НЭ
- 6 % % снижения отека лап у крыс с моделью адъювантного артрита, 50 мг/кг 10 НЭ НЭ НЭ НЭ
- 1 % Противовоспалительная активность как ингибирование отека лап в дозе 50 мг/кг 48 41 НЭ 41 НЭ
Примечание: обозначения - см. в табл. 2.
ЦОГ-2 мексидолом, в отличие от использования таких специфических и сильных ингибиторов ЦОГ-2, как ацетилсалициловая кислота, может потенциально снижать риск формирования геморрагических осложнений.
Избыточное тромбообразование является одним из главных факторов цереброваскулярной патологии. Хемореактомное моделирование указало на более выраженный гемодинамический потенциал молекулы мексидола по сравнению с контрольными молекулами (табл. 5). Например, расчёты показали, что ингибирование коллаген-индуцированной агрегации тромбоцитов мексидолом осуществляется при гораздо более низких концентрациях вещества (IC50 = 462 нМ), чем в случае семакса (IC50 = 4295 нМ). Кроме того, мексидол может характеризоваться и более выраженным ингибированием коагуляционного фактора Ха (активатор протромбина).
Не менее интересные результаты получены при сравнении эффектов изучаемых молекул на метаболизм глюкозы и липидный профиль. Глюкозотолерант-ность существенно утяжеляет течение цереброваскулярной патологии и ухудшает прогноз. Моделирование указало на антигипергликемическую активность мексидола. Среди изученных молекул мексидол может снижать повышенные уровни глюкозы на 34%, холина альфосцерат — на 8%, а пирацетам — всего на 4%.
При этом, улучшение метаболизма глюкозы клетками при участии мексидола может осуществляться
за счёт активации фермента глюкокиназы и рецептора PPAR-гамма, что способствует нормализации уровня глюкозы в крови и также снижению уровней холестерина и триглицеридов (см. табл. 5). Например, снижение уровня триглицеридов в крови составило 29% для мексидола, 15% — для холина альфосцерат и всего 3% для семакса.
Подчеркнём, что результаты хемореактомного анализа позволяют предположить, что основой гипо-гликемического действия мексидола является активация PPAR-рецепторов (см. табл. 5). Белки-рецепторы типа PPAR (активированный рецептор пролифераторов пероксисом) необходимы для переработки избыточного холестерина и для снижения уровня глюкозы в крови.
PPAR-рецепторы способствуют увеличению в клетке числа пероксисом — обязательных клеточных органелл, содержащих окислительно-восстановительные ферменты (например, уратоксидазу, каталазу, ферменты расщепления жирных кислот). Пероксисо-мы необходимы для осуществления таких процессов, как метаболизм глюкозы, окисление жирных кислот, детоксикация, синтез желчных кислот, построение миелиновой оболочки нервных волокон и др. Наряду с митохондриями пероксисомы являются главными потребителями кислорода в клетке.
Наличие в пероксисомах большого количества фермента метаболизма жирных кислот (например, гидроксиметилглутарил лиазы, пероксисомального
Таблица 5
Хемореактомные оценки гемодинамических эффектов мексидола и молекул сравнения
Об. Ош. Ед. Активность МКС ХЛА ПРЦ ГЛИ СМК
Ki 498 нМ Ингибирование тромбина 561 НЭ НЭ НЭ НЭ
IC50 462 нМ Ингибирование агрегации тромбоцитов плазмы крови человека 262 НЭ НЭ НЭ 4 295
Ki 47 нМ Ингибирование фактора 10а 16 59 249 59 240
- 5 мкМ Антикоагулянтная активность в плазме крови человека как концентрация, необходимая для удвоения времени свертывания крови после 30 с 34 НЭ 69 НЭ НЭ
- 1 % Антигипергликемическая активность как снижение уровней глюкозы в крови при дозе 100 мг/кг перед нагрузочным тестом глюкозой 34 8 4 НЭ НЭ
EC50 124 нМ Активация глюкокиназы как скорость формирования 6-фосфата 679 НЭ НЭ НЭ НЭ
- 13 % Активация рецепторов PPAR, 10 мкг/мл относительно росиглитазона 7 НЭ НЭ НЭ НЭ
IC50 36 нМ Вытеснение агониста рецептора PPAR 287 НЭ НЭ 392 НЭ
- 60 % Снижение уровня холестерина сыворотки в эксперименте, 20 мг/кг в/б 39 НЭ 37 НЭ 13
1 % Гиполипидемическая активность, % снижения триглицеридов у крыс при дозе 100 мг 29 15 НЭ НЭ 3
- 4 % Антиоксидантная активность как нейтрализация АФК, 100 мкМ, 20 мин 27 11 5 2 4
ILS 10 % Увеличение продолжительности жизни мышей по сравнению с контрольными группами 141 НЭ НЭ НЭ НЭ
Примечание: Обозначения - см. в табл. 2.
4ИШИШШ шмщимм
многофункционального фермента HSD17B4, перок-сисомальной ацил-coА оксидазы ACOX1, лигаз длин-ноцепочечных жирных кислот и др.) обуславливает резкое увеличение интенсивности переработки жиров при увеличении числа пероксисом в клетке.
Активация белков PPAR приводит к усилению транскрипции генов, кодирующих белки переработки сахаров и липидов (в частности, пероксисомальной ацил-^А оксидазы ACOX1), что активирует процессы бета-окисления жирных кислот. Поэтому, агонисты PPAR-рецепторов (например, росиглитазон) используются при гипергликемии и гиперлипидемии [18]. Мексидол может являться частичным агонистом рецептора PPARY и, таким образом, проявлять гипо-гликемическое и антидиабетическое действие (рис. 3).
Результаты моделирования фармакодинамических свойств молекулы мексидол (прежде всего, по степени связывания с различными «нежелательными» таргет-ными белками) представлены в табл. 6. Моделирование показало, что мексидол существенно слабее, чем контрольные молекулы, взаимодействует с белками, ассоциированными с развитием нежелательных побочных эффектов лекарств.
Например, калиевый канал KCNH2 является важным «антитаргетным» белком, взаимодействий с которым следует избегать при разработке лекарственных средств [19], т. к. нарушения активности
KCNH2 приводят к формированию смертельно опасного «синдрома длинного QT», повышающего риск внезапной остановки сердца вследствие спонтанно развивающейся аритмии [9, 20]. В результате хемореактомного моделирования было установлено, что, по сравнению с контрольными молекулами, молекула мексидола характеризовалась самым низким сродством к калиевому каналу KCNH2: значение константы ингибирования для мексидола составило Ю = 4 443 нМ, для остальных молекул Ю < 3 058 нМ (т. е. для ингибирования канала KCNH2 мексидолом необходима более высокая концентрация мексидола, чем молекул сравнения).
Таким образом, хемореактомное моделирование молекулы указало на различные фармакологические активности мексидола: активация мускариновых и никотиновых рецепторов ацетилхолина, активация ГАМК-А рецепторов, ингибирование ЦОГ-2 и 5-ли-поксигеназы, ингибирование биосинтеза простаглан-дина E2, ингибирование ФНО-альфа активированного фактора транскрипции NF-kB, активация рецептора PPARa и др.
Каждой из этих активностей соответствуют определённые гены из генома человека. В ходе проведённого анализа, был получен список из 54 генов, задействованных в реализации фармакологических эффектов мексидола. Анализ аннотаций этих генов
Рис. 3. Пространственная структура белков PPAR, необходимых для переработки простых сахаров и липидов в пероксисомах
№ 4. Ж
26
! ФШШШШ И ФШЩШМШ
Таблица 6
Хемореактомные оценки фармакокинетических и фармакодинамических свойств мексидола и молекул сравнения
Об. Ош. Ед. Активность МКС ХЛА ПРЦ ГЛИ СМК
- 17 % % всасывания в ЖКТ человека 89 13 35 9 27
F 17 % Биодоступность 68 53 27 17 31
IC50 934 нМ Ингибирование CYP2D6 человека 3 923 1 125 3 383 1 170 1 261
Ki 644 нМ Ингибирование КСНШ человека 4 443 339 3 058 102 1 911
Ki 945 нМ Ингибирование МАО-А крыс 2 017 НЭ 248 НЭ НЭ
- 18 % Гепатопротекторное действие на гепатоцитах (ингибирование D-галактозамин-индуцированной цитотоксичности) 26 12 НЭ 13 НЭ
Примечание: Обозначения — см. в предыдущих таблицах.
с использованием биологических ролей белков по международной номенклатуре Gene Ontology (GO) указал на основные биологические роли мексидола:
♦ Неврологические роли (синаптическая передача сигнала, визуальное восприятие, циркадианный ритм, регулирование цикла сна/бодрствования, двигательное поведение).
♦ Формирование структур нейронов (нейрон, аксон, оконечность аксона, синаптический мембранный везикул, дендрит, нейрит).
♦ Вазоактивное действие (активация биосинтеза оксида азота, активация роста клеток гладких мышц).
♦ Эмбриональное и пост-эмбриональное развитие (пост-эмбриональное развитие, рост многоклеточного организма, развитие мозга, развитие нёба).
♦ Регенерация тканей (активация деления клеток, ранозаживление, рост клеток, торможение апоптоза);
♦ Антиоксидантное действие (ответы клеток на окислительный стресс, на перекись водорода, на гипероксию).
♦ Клеточное дыхание, энергетический метаболизм (ответ на гипоксию, митохондрии, метаболизм глюкозы и липидов, перенос электрона, связывание гема, ответ на инсулин).
♦ Иммунитет, регуляция воспаления (активация противовирусной защиты, воспалительная реакция, ответ на липополисахариды, активация сигналов IЬ/ NF b, ответ на глюкокортикоиды).
♦ Синергизм с другими микронутриентами (связывание ионов железа, кальция, цинка).
Анализ аннотаций генов, вовлечённых в осуществление эффектов мексидола позволяет установить молекулярные механизмы осуществления самых различных фармакологических эффектов. Например, антиоксидантный эффект мексидола заявляется как один из основных эффектов этого препарата. Считается, что развитие антиоксидантного эффекта связано с повышением активности супероксиддисмутаз и ин-гибированием перекисного окисления липидов. Более детального исследования молекулярных механизмов
осуществления антиоксидантного эффекта мексидола не проводилось.
Заметим, что эффективность мексидола как антиоксиданта вряд ли обусловлена прямым взаимодействием молекулы мексидола с активными формами кислорода (АФК), а, скорее, с некоторыми специфическими взаимодействиями с определёнными белками-рецепторами.
Антиоксидантному действию мексидола соответствуют следующие биологические роли по международной номенклатуре GO: G0:0006979 «Ответ на окислительный стресс», 00:0070301 «Клеточный ответ на перекись водорода» и 00:0055093 «Ответ на гипероксию». Этим биологическим ролям соответствуют 5 генов и соответствующих этим генам белков:
♦ CHRNA4 Ацетилхолиновый рецептор альфа-4;
♦ CHRNA7 Ацетилхолиновый рецептор альфа-7;
♦ PTGS2 Простагландин синтетаза 2 (циклоок-сигеназа-2, ЦОГ-2);
♦ NFKB1 Ядерный фактор транскрипции NF-кап-па-В;
♦ AL0X5 Арахидонат 5-липоксигеназа.
Иначе говоря, анализ аннотаций генов показал, что реализация антиоксидантного эффекта мексидола вряд ли возможна без задействования этих генов. Соответственно, данный список генов позволяет сформулировать более реалистичные механизмы антиоксидантного действия мексидола, чем прямое взаимодействие молекул мексидола с АФК.
Так, взаимодействуя с ионотропными (никотиновыми) рецепторами, ацетилхолин тормозит повреждения клеток, вызываемые перекисью водорода [21]. В частности, активация а4 [22] и а7 [23, 24] рецепторов ацетилхолина противодействует окислительным повреждениям ДНК [25]. В частности, активация а7 рецепторов к ацетилхолину способствует снижению активности про-воспалительного и про-оксидантного транскрипционного фактора NF-кB [26], повышению экспрессии антиоксидантных генов S0D1 (суперок-сиддисмутазы), 0РХ1 (глутатион пероксидазы 1) [26] и НМ0Х1 (гем оксигеназы 1) [27] (рис. 4).
-4МШШШШ ШМЩШМ-
Рис. 4. Молекулярные механизмы антиоксидантного эффекта мексидола, сформулированные в результате проведения хемореактомного анализа
Рис. 5. Результаты хемореактомного моделирования мексидола
При переработке пальмитиновой кислоты активность фермента ЦОГ-2 (ген PTGS2) способствует не только синтезу провоспалительных простагланди-нов, но и нарастанию окислительного стресса. Более того, пальмитат-анион способствует ещё большему повышению экспрессии гена PTGS2 при участии транскрипционного фактора NF-kB [28]. Мексидол, в соответствии с результатами хеморектомного анализа, будет ингибировать и фермент ЦОГ-2 и активность транскрипционного фактора NF-kB, тем самым осуществляя антиоксидантный эффект. Ингибирование ЦОГ-2 также способствует повышению активности ацетилхолиновых рецепторов [29].
Заключение
Результаты хемореактомного анализа показали, что главными мишенями фармакологического действия молекулы мексидола являются ацетилхолиновые рецепторы, ГАМК-А рецепторы, ферменты ЦОГ-2, 5-ЛОГ и PPAR-рецептор (рис. 5). Молекула мексидола является агонистом ацетилхолиновых рецепторов в большей степени, чем молекулы сравнения (холина альфосцерат, пирацетам, глицин, семакс). Активация холинергической нейротрансмиссии вносит существенный вклад в нейропротекцию при ишемии и когнитивных расстройствах. Кроме того, активация ионотропных ацетилхолиновых рецепторов типов а4 и а7 способствует реализации антиоксидантного эффекта. Молекула мексидола также является более выраженным агонистом ГАМК рецепторов, чем молекулы сравнения. Активация ГАМК-А рецепторов важна для нейропротекции и для реализации противо-судорожного действия. Мексидол в большей степени, чем молекулы сравнения, проявляет противовоспалительные свойства за счёт частичного ингибирования ферментов ЦОГ-2 и 5-ЛОГ. В-четвертых, активация мексидолом PPAR-рецептора способствует интенсификации переработки жиров и углеводов. И, наконец, от молекул сравнения мексидол отличается более высокой безопасностью (меньшая степень взаимодействия с «про-аритмическими» каналами KCNH2, ферментами МАО и CYP1A1, более слабое влияние на серотониновые и опиоидные рецепторы).
Литература
1. Об утверждении перечней жизненно необходимых и важнейших лекарственных препаратов для медицинского применения на 2016 год. Распоряжение от 26 декабря 2015 года №2724-р. http://government.ru/ docs/21361/
2. S.A. Rumyantseva А.; I. Fedin; О. N. Sokhova. Antioxidant Treatment of Ischemic Brain Lesions. Neuroscience and Behavioral Physiology, 2012, 42 (8): 842-845. doi:10.1007/s11055-012-9646-3.
3. Косенко В.Г., Карагезян E.A., Лунева Л.В., Смоленко Л.Ф. Применение мексидола в психиатрической практике. Журнал неврологии и психиатрии им. С. С. Корсакова. 2006; 6.
4. VolchegorskiiI.A., MiroshnichenkoI.Y., RassokhinaL.M., Faizullin R.M., Malkin M.P., Pryakhina K.E., Kalugina AKComparative analysis of the
anxiolytic effects of 3-hydroxypyridine and succinic acid derivatives. Bull Exp Biol Med. 2015 Apr; 158 (6): 756-61. doi: 10.1007/s10517-015-2855-3.
5. Torshin I.Yu. Bioinformatics in the post-genomic era: physiology and medicine. Nova Biomedical Books, NY, USA (2007), ISBN 1-60021-752-4.
6. Журавлёв Ю.И., Рудаков K.B., Торшин И.Ю. Алгебраические критерии локальной разрешимости и регулярности как инструмент исследования морфологии аминокислотных последовательностей. Труды МФТИ. 2011; 3: 4: 67-76.
7. Рудаков К.В., Торшин И.Ю. Об отборе информативных значений признаков на базе критериев разрешимости в задаче распознавания вторичной структуры белка. ДАН. 2011; 441: 1: 1-5.
8. Журавлев Ю.И. Об алгебраическом подходе к решению задач распознавания или классификации. Проблемы кибернетики. Вып. 33. М.: Наука, 1978; 5-68.
9. Торшин И.Ю., Громова О.А. Экспертный анализ данных в молекулярной фармакологии. М.: Изд. МЦНМО, 2012; 768.
10. Bolton Е., Wang Y., Thiessen Р.А., Bryant S.H. PubChem: Integrated Platform of Small Molecules and Biological Activities. Chapter 12 IN Annual Reports in Computational Chemistry, Volume 4, American Chemical Society, Washington, DC, 2008 Apr. (pubchem.ncbi.nlm.nih.gov).
11. WishartD.S., TzurD., KnoxC., EisnerR., GuoA.C., YoungN., Cheng D., Jewell K., Arndt D., Sawhney S., Fung C., Nikolai L., Lewis M., Coutouly M.A., Forsythe I., Tang P., Shrivastava S., Jeroncic K., StothardP., Amegbey G., Block D., Hau D.D., Wagner J., MiniaciJ., Clements M., Gebremedhin M., Guo N., Zhang Y., Duggan G.E., Macinnis G.D., Weljie A.M., Dowlatabadi R., BamforthF., CliveD., GreinerR., LiL., Marrie Т., SykesB.D., VogelH.J., QuerengesserL. HMDB: the Human Metabolome Database. Nucleic Acids Res. 2007; 35 (Databas:D521-D526.
12. Olianas M.C., Dedoni S., Onali P. Protection from interferon-beta-induced neuronal apoptosis through stimulation of muscarinic acetylcholine receptors coupled to ERK1/2 activation. Br J Pharmacol. 2016; 173 (19): 2910-2928 doi.
13. Lin N.H., Gunn D.E., Ryther K.B., Garvey D.S., Donnelly-Roberts D.L., DeckerM.W., BrioniJ.D., BuckleyM.J., RodriguesA.D., MarshK.G., Anderson D.J., Buccafusco J.J., Prendergast M.A., Sullivan J.P., Williams M., Arneric S.P., HolladayM.W. Structure-activity studies on 2-methyl-3-(2(S)-pyrrolidinylmethoxy) pyridine (ABT-089): an orally bioavailable 3-pyridyl ether nicotinic acetylcholine receptor ligand with cognition-enhancing properties. J Med Chem. 1997; 40 (3): 385-390.
14. Nakamura M., Jangl.S. Muscarinic M4 receptors regulate GABAergic transmission in rat tuberomammillary nucleus neurons. Neuropharmacology. 2012; 63 (6): 936-44 doi.
15. VandevredeL., TavassoliE., LuoJ., QinZ., YueL., PepperbergD.R., Thatcher G.R. Novel analogues of chlormethiazole are neuroprotective in four cellular models of neurodegeneration by a mechanism with variable dependence on GABA(A) receptor potentiation. Br J Pharmacol. 2014; 171 (2): 389-402 doi.
16. Avolio E., Mahata S.K., Mantuano E., Mele M., Alo R., Facciolo R.M., TalaniG., Canonaco^.Antihypertensive and neuroprotective effects of catestatin in spontaneously hypertensive rats: interaction with GABAergic transmission in amygdala and brainstem. Neuroscience. 2014; 270: 48-57 doi.
17. Young W. Spinal cord regeneration. Cell Transplant. 2014; 23 (4-5): 573-611 doi.
18. GaikwadA.B., ViswanadB., RamaraoP. PPAR gamma agonists partially restores hyperglycemia induced aggravation of vascular dysfunction to angiotensin II in thoracic aorta isolated from rats with insulin resistance. Pharmacol Res. 2007; 55 (5): 400-7 Epub 2007 Feb.
19. Braga R.C., Alves V.M., Silva M.F., MuratovE., FourchesD., Tropsha A., Andrade C.H. Tuning HERG out: antitarget QSAR models for drug development. Curr Top Med Chem. 2014; 14 (11): 1399-1415.
20. Sanguinetti M.C., Tristani-Firouzi M. hERG potassium channels and cardiac arrhythmia. Nature. 2006; 440 (7083): 463-469.
21. Palee S., Apaijai N., Shinlapawittayatorn K., Chattipakorn S.C., Chattipakorn N. Acetylcholine Attenuates Hydrogen Peroxide-Induced Intracellular Calcium Dyshomeostasis Through Both Muscarinic and Nicotinic Receptors in Cardiomyocytes. Cell Physiol Biochem. 2016; 39 (1): 341-9 doi.
4MMM«* Mif^PMSM
22. Dorszewska J., Florczak J., Rozycka A., Jarosz.ewska-Kolecka J., Trzeciak W.H., Kozubski W. Polymorphisms of the CHRNA4 gene encoding the alpha4 subunit of nicotinic acetylcholine receptor as related to the oxidative DNA damage and the level of apoptotic proteins in lymphocytes of the patients with Alzheimer's disease. DNA Cell Biol. 2005; 24 (12): 786-794.
23. Li Y., King M.A., Meyer E.M. alpha7 nicotinic receptor-mediated protection against ethanol-induced oxidative stress and cytotoxicity in PC12 cells. Brain Res. 2000; 861 (1): 165-167.
24. Stegemann A., Bohm M. The alpha7 nicotinic acetylcholine receptor agonist tropisetron counteracts UVA-mediated oxidative stress in human dermal fibroblasts. Exp Dermatol. 2016; Exp Dermat: 101111/exd13220.
25. Shan K.R., QiX.L., Long Y.G., NordbergA., Guan Z.Z. Decreased nicotinic receptors in PC12 cells and rat brains influenced by fluoride toxicity--a mechanism relating to a damage at the level in post-transcription of the receptor genes. Toxicology. 2004; 200 (2-3): 169-177.
26. Han Z., Shen F.,HeY., Degos V., Camus M., Maze M., Young W.L., Su H. Activation of alpha-7 nicotinic acetylcholine receptor reduces ischemic stroke injury through reduction of pro-inflammatory macrophages and oxidative stress. PLoS One. 2014; 9 (8): e105711 doi.
27. Navarro E., Buendia I., Parada E., Leon R., Jansen-DuerrP., Pircher H., Egea J., Lopez. M.G. Alpha7 nicotinic receptor activation protects against oxidative stress via heme-oxygenase I induction. Biochem Pharmacol. 2015; 97 (4): 473-81 doi.
28. GaoZ., ZhangH., Liu J., Lau C.W., Liu P., Chen Z.Y., LeeH.K., Tipoe G.L., Ho H.M., Yao X., Huang ZCyclooxygenase-2-dependent oxidative stress mediates palmitate-induced impairment of endothelium-dependent relaxations in mouse arteries. Biochem Pharmacol. 2014; 91 (4): 474-82 doi.
29. Nishizaki T., Matsuoka T., Nomura T., Sumikawa K. Modulation of ACh receptor currents by arachidonic acid. Brain Res Mol Brain Res. 1998; 57 (1): 173-179.
