CC BY
3УДК 547.541.2.
Гасанов А.Г., д.х.н., проф., зав. лаб. «Циклоолефины»
Аюбов И.Г. к.х.н., вед.н.с.
лаборатории «Циклоолефины», Гасанова К.Ф., технолог лаборатории «Изучение антимикробных свйств и биоповреждений» Института нефтехимических процессов им. Ю.Г. Мамедалиева Национальной Академии Наук Азербайджана
(Баку, Азербайджан)
ВЗАИМОСВЯЗЬ СТЕРЕОХИМИИ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ
БИЦИКЛО(2.2.1)-ГЕПТ-5-ЕН-2-МЕТИЛОЛОВЫХ МОНОЭФИРОВ ДИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
Аннотация. Представлены результаты исследований в области изучения взаимосвязи между стереоспецифическим строением органических соединений и их биологической активностью. Показано, что та или иная биологическая активность соединения непосредственного связана с его стереохимией, в частности показана взаимосвязь биоактивности молекул с их оптически изомерным (энантиомерным) составом. Авторы на примере бицикло(2.2Л)-гепт-5-ен-2-метилоловых моноэфиров некоторых дикарбоновых кислот (малеиновая, адипиновая, янтарная) выявили влияние энантиомерного состава соединения с его антимикробной и антифунгальной активностью.
Ключевые слова, энантиомеры; бициклические олефины; норборнен; оптическая активность; оптическая изомерия; стереохимия; биологическая активность.
Стереохимия включает изучение относительного пространственного расположения атомов, которые формируют структуру молекул, и их взаимодействия. Важным разделом стереохимии является изучение хиральных молекул, одним из основных свойств которых является оптическая активность - способность хиральной молекулы вращать плоскость плоскополяризованного света, измеренная с помощью поляриметра. Модификация рацематов и их разделение на энантиомеры очень важны в стереохимии. Смесь равных частей энантиомеров называется рацемической модификацией. Процесс разделения рацемата на чистые энантиомеры известен в науке как оптическое разрешение. В последнее время для лечения различных заболеваний используются различные оптически активные препараты. Большинство этих лекарств используется в виде смеси энантиомеров, а некоторые - в виде одного энантиомера. Рацемическая модификация выгодна там, где рацематы имеют больше терапевтических преимуществ, чем отдельные энантиомеры. Оптическое разрешение является целесообразным, когда для лечения используется один энтиомер, потому что отдельные энантиомеры имеют менее сложный и более селективный фармакодинамический профиль по сравнению с рацемической смесью, поэтому имеют меньше побочных реакций на лекарства, улучшенный терапевтический профиль, меньшие шансы взаимодействия с лекарствами, чем рацемические смеси [1,2]
В работе [3] сообщается, что хиральные молекулы обладают особыми химическими и фармакологическими свойствами. Когда хиральные молекулы синтезируются в лаборатории, образуются две отдельные молекулы в зеркальном отображении, называемые «энантиомерами». Хотя каждый энантиомер может иметь разные уровни терапевтической активности и токсичности, технические проблемы с разделением энантиомеров привели к тому, что большинство ранних хиральных лекарств стали продаваться в виде смесей двух молекул или рацемических смесей. Поскольку срок действия патентов на эти рацемические смеси истекает, а методы разделения улучшаются, лекарства, которые раньше продавались как рацемические смеси, теперь продаются как одноэнантиомерные версии. Переход с рацемической смеси на энантиомер -так называемое «хиральное переключение» позволяет улучшать качество лекарственных препаратов.
Сообщается [4], что более одной трети всех синтетических лекарств являются хиральными и продаются как рацематы. т.е. 1:1 смеси двух типов молекул, имеющих идентичный химический состав и атомные связи, но с различной пространственной ориентацией составляющих их атомов. Рецепторы лекарств могут различать стереоизомеры несколькими способами; связывание может благоприятствовать одной форме по сравнению с другой и в некоторой степени варьироваться в зависимости от молекулы лекарственного средства и состояния рецептора, или стереоизомеры могут иметь противоположные эффекты, причем одна форма является агонистом того же рецептора, где ее зеркальное отображение является антагонистом. Стереоселективность интересна как с научной, так и с клинической точки зрения. С научной точки зрения стереоселективные ответы свидетельствуют о специфических опосредованных рецепторами ответах и информации о структуре сайта связывания. Клинически использование отдельных стереоизомеров хиральных анестетиков в последнее время привлекает все большее внимание. Так, бупивакаин широко используется в клинической практике в качестве сильнодействующего местного анестетика длительного действия. Его чистый Б-энантиомер мене эффективен, чем рацемический буливакаин в плане блокирования Ка-каналов
буливакаин
и Я- энантиомеры кетамина различаются по своим фармакодинамическим и фармакокинетическим эффектам. кетамин примерно в три раза более эффективен, чем Я-
35
кетамин в качестве анестетика и анальгетика, тогда как постанестетические возбуждающие и побочные реакции аналогичны для рацемической смеси и энантиомеров.
В работах [5,6] показано, что значительные различия в фармакодинамической активности и фармакокинетических свойствах могут существовать для пары энантиомерных препаратов. Чтобы оценить активность, токсичность, абсорбцию, распределение, метаболизм и экскрецию отдельных энантиомеров, а также любую возможность хиральной инверсии, вызванной процессом биотрансформации, необходимы хиральные биоаналитические анализы для отдельных энантиомеров и/или их метаболитов. Однако разработка и валидация хиральных количественных анализов очень сложны по сравнению с типичными нехиральными анализами. Следовательно, следует использовать многоуровневый подход для удовлетворения конкретных потребностей, возникающих в различных сценариях разработки хиральных лекарств, включая разработку рацематов или энантиомеров с фиксированным соотношением (нерацемических), разработку одного энантиомера, рацемические переключатели и количественное определение энантиомерных метаболитов.
В еще одной работе [7] сообщается, что стереоселективность играет важную роль в действии лекарств уже в течение более 100 лет. Тем не менее, хиральные лекарственные средства были разработаны и используются в качестве рацематов, игнорируя тот факт, что они содержат смеси двух или более соединений, которые могут иметь совершенно разные фармакологические свойства. Очень ограниченный доступ к чистым энантиомерам в прошлом был причиной такого неудовлетворительного положения вещей. За последние 20 лет значительные достижения позволили проводить стереоселективный синтез и анализ. Сегодня новые хиральные препараты, как правило, разрабатываются в виде отдельных энантиомеров. Тем не менее, исследования старых рацемических препаратов по-прежнему разрабатываются, проводятся и публикуются без упоминания того факта, что задействованы два или более соединений. В былые времена, ряд старых рацемических препаратов был пересмотрен и повторно введен в клиническую практику как чистый, активный энантиомер (эутомер). Рацемические препараты с вредным энантиомером, который не способствует терапевтическому эффекту (дистомер), могли быть отсортированы в процессе оценки безопасности. Однако в будущем
любое фармакологическое исследование рацемических препаратов должно включать чистые энантиомеры. Это позволит получить новую ценную информацию о стереоселективности действия и взаимодействия лекарств.
Исследовано действие хиральных фармацевтических препаратов атенолола и пропранолола на Pseudomonas putida, Pseudomonas aeruginosa, Micrococcus luteus и Blastomonas natatoria. Показано, что для большинства изученных бактерий не было статистически значимой разницы в фенотипе организма при воздействии на него различных энантиомеров или смесей энантиомеров. Напротив, псевдомонады по-разному реагировали на пропранолол, и два энантиомера по-разному влияли на клеточный фенотип. Это означает, что у организмов наблюдались разные метаболические реакции, когда они подвергались воздействию различных энантиомеров [8].
р2-агонисты (симпатомиметики) представляют собой группу препаратов, которые в основном используются при астме и обструктивных заболеваниях легких. На практике вещества, содержащие в своей структуре один или несколько стереогенных центров, и их энантиомеры проявляют различные фармакологические свойства. Что касается бронхолитической активности, (Я)-энантиомеры показали более высокую активность. В этой работе [9] авторы сфокусировали внимание на стереоселективности в фармакодинамике и фармакокинетике р2-агонистов и резюмировали стереоселективные аналитические методы энантиоразделения рацемических бета-агонистов.
он
он орципреналин - представитель Рг-агонистов
Показано, что рацемический альбутерол состоит из эквимолярной смеси стереоизомеров. Для лечения астмы (Я)-альбутерол является эутомером, а (Б)-альбутерол является дистомером. Взаимодействуя с р2-адренорецепторами, (Я)-альбутерол обладает
бронхорасширяющими, бронхозащитными, противоотечными свойствами и подавляет активацию тучных клеток и эозинофилов. (8)-альбутерол не активирует р2-адренорецепторы и не изменяет их активацию (Я)-альбутеролом, так что в течение многих лет он считался биологически инертным. Однако недавно было установлено, что (S)-альбутерол усиливает бронхоконстрикторные реакции сенсибилизированных морских свинок и вызывает гиперчувствительность астматических дыхательных путей; он также способствует активации эозинофилов человека in vitro.
энантиомеры альбутерола (сальбутамола) Сообщается [11], что большинство синтетических лекарств с хиральными центрами вводят в виде рацематов. Таким образом, химически и, в еще большей степени, биологически рацемическое лекарство представляет собой не одно соединение, а смесь двух энантиомерных лекарств в соотношении 50:50. Невозможно сделать какие-либо обобщения относительно того, различается ли и в какой степени активность энантиомеров в качественном или количественном отношении. Нет ничего необычного в том, что энантиомеры лекарственного средства обладают высокой степенью энантиоселективности в отношении одного действия, но не обладают энантиоселективностью в отношении другого действия. Авторы приводят пример пропранолола. Так, S-пропранолол как минимум на два порядка сильнее R-пропранолола в отношении антагонизма бета-адренорецепторов. Однако два энантиомера равноценны в отношении их мембраностабилизирующего действия.
пропранолол (анаприлин) В работе [12] показано, что многие молекулы могут существовать в виде правосторонних и левосторонних форм, которые являются несовмещаемыми зеркальными отображениями друг друга. Они известны как энантиомеры или вещества противоположной формы. Такие соединения также называют хиральными (греческое слово chiros означает «рука»). Такие хиральные молекулы имеют большое значение для теории и практики анестезии. В этом обзоре обобщены основные концепции, фармакокинетические и фармакодинамические аспекты хиральности и некоторые конкретные примеры их
применения в анестезии, а также недавние достижения в выяснении механизмов анестезии. Хиральность имеет отношение к анестезии просто потому, что более половины синтетических агентов, используемых в анестезиологической практике, являются хиральными препаратами. Почти все эти синтетические хиральные препараты вводятся в виде рацемической смеси, а не в виде отдельных чистых энантиомеров. Эти смеси не являются лекарственными препаратами, содержащими два или более терапевтических вещества, а представляют собой комбинацию изомерных веществ, терапевтическая активность которых проявляется в основном в одном из энантиомеров. Другой энантиомер может обладать нежелательными свойствами, иметь различную терапевтическую активность или быть фармакологически инертным. Авторы приводят примеры анестезирующих препаратов, обладающих энантиомерами с противоположным биоэффектом:
этомидат
Таким образом, результаты исследований приведенных литературных источников показывают о наличии определенной взаимосвязи между оптической изомерией соединений (энантиомерным составом) и их биологической активностью.
В наших исследованиях был осуществлен синтез рацемических и оптически активных изомеров бицикло(2.2.1)-гепт-5-ен-2-метилоловых моноэфиров некоторых двухосновных кислот и изучена их антимикробная и антифунгальная активнсоть в отношении различных патогенных микроорганизмов.
Для синтеза бицикло[2.2.1]-гепт-5-ен-2-метилоловых моноэфиров сначала нами был синтезирован норборненилметанол (бицикло[2.2.1]-гепт-5-ен-2-метилол) на основе реакции Дильса-Альдера с участием циклопентадиена и аллилового спирта по схеме:
Полученный таким образом бицикло[2.2.1]гепт-5-ен-2-метилол в даль-нейшем был использован в качестве исходного соединения для синтеза би-цикло[2.2.1]гепт-5-ен-2-метилоловых моноэфиров некоторых дикарбновых кислот, в частности малеиновой, адипиновой и янтарной кислот.
Реакции с участием насыщенных двухосновных кислот протекают по нижеследующей схеме:
сн2он „+ , , ^ч^сн2-о-с-я-с-он
Н , толуол (кипяч.) и \ Т и и
+ НООС-Я-СООН-:-^орр-|| >| О О
-СН2-СН2-; -СН2-СН2-СН2-СН2.
В случае малеинового ангидрида реакция взаимодействия с норборненилметанолом протекает по нижеприведенной схеме:
сн2он Л т+ ^^сн2-о-с-сн=сн-с-он
2 Н , толуол ^ | \Т й й
О
Методика получения бицикло[2.2.1]-гепт-5-ен-2-метилоловых моноэфиров дикарбоновых кислот подробно описана в работе [13].
Для получения оптически активного норборненилметанола на первой стадии использовали реакцию диеновго синтеза с участием циклопентадиена и ментилового эфира акриловой кислоты. Реакция протекает по нижеприведенной схеме:
Г'
CO2Ment
AlCl3, CH2Cl2_
CO2Ment CH2OH
2R-(+)
Методика получения оптически активного бицикло[2.2.1]-гепт-5-ен-2-метилола также описана в работе [13].
Нами была изучена биологическая активность, в частности антибактериальные и антифунгальные свойства синтезированных рацемических и хиральных моноэфиров бицикло[2.2.1]-гепт-5-ен-2-метилола и вышеуказанных дикарбоновых кислот. В качестве тест-культур использовали: грамположительные (золотистый стафилококк), грамотрицательные (синегнойная палочка, кишечная палочка) бактерии, а также дрожжеподобные грибы рода Кандида.
Золотистый стафилококк (Staphylococcus aureus) представляет собой вид шаровидных грамположительных бактерий из рода стафилококков. В настоящее время приблизительно 25-40 % населения являются постоянными носителями этой бактерии, которая может сохраняться на кожных покровах и слизистых оболочках верхних дыхательных путей]. Staphylococcus aureus может вызывать широкий диапазон заболеваний, начиная с лёгких кожных инфекций до смертельно опасных заболеваний (пневмония, менингит, остеомиелит, эндокардит, сепсис). Этот вид бактерий до сих пор является одной из четырёх наиболее частых причин внутрибольничных инфекций, часто вызывая послеоперационные раневые инфекции.
Кишечная палочка (Escherichia coli) представляет собой вид грамотрицательных палочковидных бактерий, широко распространённых в нижней части кишечника человека и животных. Большинство штаммов E. coli являются безвредными, однако серотип O157:H7
+
-40 C
[а]!» +60,34°
может вызывать тяжёлые пищевые отравления у людей и животных. Непатогенные бактерии E. coli, в норме в больших количествах населяющие кишечник, могут, тем не менее, вызвать развитие патологии при попадании в другие органы или полости человеческого тела (перитонит, кольпит и др.)
Синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa) представляет собой вид грамотрицательных подвижных палочковидных бактерий. Обитает в воде, почве, условно патогенна для человека и является возбудителем некоторых инфекционных заболеваний у человека. Лечение затруднительно ввиду ее высокой устойчивости к антибиотикам.
Дрожжеподобные грибы рода Кандида (Candida albicans) представляет собой форму дрожжеподобных грибов вида диплоидного грибка, способных к спариванию и является возбудителем ряда инфекционных заболеваний у человека, которые передаются через рот и гениталии. Candida albicans при нормальных обстоятельствах присутствует у 80% людей, не вызывая болезней, хотя чрезвычайное увеличение его количества вызывает кандидоз, часто наблюдающийся у пациентов с иммунодефицитом.
Изучение антимикробной активности вышеуказанных соединений проводились в сравнении с известными бактерицидными препаратами, широко применяемыми в медицинской практике, такими как этанол, риванол, фурациллин, карболовая кислота, хлорамин.
Антимикробную активность синтезированных веществ изучали дисперсионно-контактным методом, т.е. методом серийных разведений в отношении различных вышеуказанных микроорганизмов. Для этого 1%-ный спиртовый раствор исследуемого вещества разводили в дистиллированной воде до различных концентраций. Затем в каждую пробирку с испытуемым веществом высеивали 0.1 мл тест-культуры, содержащей 900 тысяч микробных тел в 1 мл. Высевы делались через 10, 20, 30, 40, 60 мин (время экспозиции). Степень разведения соединений составляла 1:100, 1:200, 1:400, 1:800 и 1:3200 соответственно.
В качестве питательных сред использовали МПА рН 7.2-7.4 для бактерий и среду Сабуро для грибов. Длительность инкубации в термостате для бактерий была 18-24 ч. при 370С, для грибов 1-10 дней при 280С.
Результаты исследований представлены в таблице 1.
Таблица 1. Изучение антимикробной активности бицикло [2.2.1]-гепт-5-ен-2-метилоловых моноэфиров некоторых дикарбоновых кислот
Соединен С Тест-культура
ие тепень разведения Золотис тый стафилококк Кишеч ная палочка Синегн ойная палочка Грибы рода Кандида
Время экспозиции, мин.
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
^соо—сн2-^соон 200 400 800 1600 + + + + + + + + + - + + - - -
^соо—сн2 ^СООН 2] 200 400 800 1600 + - - - - + - - - - - - - - + + + + +
сн2оо—сн2 рщ4 \ СН2ООН 200 400 800 1600
Как видно из таблицы 1, синтезированные соединения обладают высокой антибактериальной активностью. Отметим, что оптически активный изомер анализируемого соединения практически полностью уничтожает грам-отрицательные бактерии (кишечная и синегнойная палочки) при любых степенях разведения, а в отношении золотистого стафилококка и грибов Кандида оптически активный изомер активен вплоть до степени разведения 1:800; при такой концентрации водного раствора (0.0125 мг/мл) время экспозиции 20 минут. Сравнение антимикробной и антифунгальной активности его рацемического изомера и бицикло[2.2.1]-гепт-5-ен-2-метилолового моноэфира адипиновой кислоты показывает, что адипинат менее активен, чем малеинат.
Для большей наглядности на графической зависимости показано влияние синтезированных соединений на исследуемые микроорганизмы в отдельности.
На рис 1 представлено сравнение антимикробной активности синтезированных бицикло[2.2.1]-гепт-5-ен-2-метилоловых моноэфиров малеиновой кислоты в рацемической (1) и оптически активной форме (2), а также контрольного препарата (этилового спирта) в отношении золотистого стафилококка.
X X
5
х ^
х т О с
и ^
т о: 5 ш ср
СО
Концентрация вод. р-ра, %
Рис. 1 Сравнение антимикробных свойств бицикло-(2.2.1.)гепт-5-ен-2-метилолового моноэфира малеиновой кислоты (1), его оптически активного изомера (2) и контрольного препарата (3) в отношении золотистого стафилококка
Как видно из рис.1, оптически активный изомер обладает большим антимикробным эффектом, чем его рацемический изомер и контрольный препарат. Так, при степени разведения 1:100 всех трех испытуемых соединений практически одинакова и при этом время экспозиции для всех трех образцов составляет 10 минут. Однако, при дальнейшем
увеличении степени разведения время экспозиции для контрольного препарата возрастает до часа (60 минут), для рацемического изомера анализируемого вещества время экспозиции меняется с возрастанием степени разведения в последовательности: при 1:200 - 10 минут, при 1:400 соответственно 20 минут и при 1:800 оно уже составляет 60 минут. В случае оптически активного изомера бицикло[2.2.1]-гепт-5-ен-2-метилоловго моноэфира малеиновой кислоты при всех степенях разведения, кроме 1:800, время экспозиции составляет 10 минут, и лишь при сильном разведении (1:800) оно возрастает до 20 минут.
Аналогичная картина наблюдается и в случае других микроорганизмов. Таким образом, на основании полученных результатов исследований можно заключить, что синтезированные бицикло(2.2.1)-гепт-5-ен-2-метилоловые моноэфиры некоторых дикарбоновых кислот обладают высокой антимикробной активностью в отношении различных микроорганизмов. Показано, что полученные соединения проявляют более
высокую биоактивность по сравнению с широко используемыми в медицинской практике контрольными препаратами (этанол, риванол, фурациллин, карблоовая кислота). В связи с этим, на основании полученных актов испытаний, проведенных в Азербайджанском Медицинском Университете синтезированные нами соединения были рекомендованы для применения в качестве местных антисептических препаратов в медицинской практике.
ЛИТЕРАТУРА
1. Singh S., Pragati S., Kuldeep S., Mehnaz K. Stereochemistry And Its Role In Drug Design // International Journal of Pharmaceutical Sciences and Research, 2014, Vol. 5, N 11, pp. 4644-4659.
2. Baregama C. Stereochemistry - racemic modification, resolution and its importance with recently used optically active drugs Asian Journal of Pharmaceutical and Clinical Research, 2018, Vol. 11, N 1, pp. 3-12.
3. Darrow J. The Patentability of Enantiomers: Implications for the Pharmaceutical Industry // Stanford Technology Law Review, 2007, Vol. 2, pp. 172-179.
4. Weiskopf R., Nau C., Stricharlz G. Drug Chirality in Anesthesia // Anesthesiology August 2002, Vol. 97, pp. 497-502.
5. Wenying J., Edom R., Qingtao M., Naidong W. Bioanalysis of chiral compounds during drug development using a tiered approach // Bioanalysis, 2014, Vol. 6, N 5, pp. 629-639.
6. Metzke M. Targeting enantiomer product hopping with a new obviousness standart // Journal of Law and Technology, 2010, Vol. 14, N 1, pp. 123-137.
7. Waldeck B. Three-dimensional pharmacology, a subject ranging from ignorance to overstatements // Farmakolog. Toxicol. 2003, Vol. 93, N 5, pp. 203-210.
8. Wharfe E., Winder C., Jarvic R., Goodacre R. Monitoring the effects of chiral pharmaceuticals on aquatic microorganisms by metabolic fingerprinting // Applied Environ. Microbiology, 2010, Vol. 76, N 7, pp. 2075-2085.
9. Cizmarikova R., Valentova J., Horakova R. Chirality of p2-agonists. An overview of pharmacological activity, stereoselective analysis, and synthesis // Open Chemistry, 2020, N 6, pp. 123-134.
10. Page C., Morley J. Contrasting properties of albuterol stereoisomers // J. Allergy Clin. Immunol., 1999, Vol. 104, N 2, pp. 531-541.
11. Eichelbaum M. Enantiomers: implications and complications in developmental pharmacology // Dev. Pharmacol. Ther., 1992, Vol. 18, N 3-4, pp. 131-134.
12. Mitra S., Chopra P. Chirality and anaesthetic drugs: A review and an update // Indian J. Anaesth., 2011, Vol. 55, N 6, pp. 556-562.
13. Гасанов А.Г., Азизов А.Г., Мамедбейли Э.Г., Аюбов И.Г. Новые бактерицидные препараты на основе побочных продуктов нефтехимического производства // Азерб. Нефт. Хозяйство, 2010, № 3, с. 51-54.
