CC BY
61
УДК: 544.165
ВЗАИМОСВЯЗЬ «СТРУКТУРА-СВОЙСТВО» В РЯДУ ИНГИБИТОРОВ АКТИВНОСТИ СПЕЦИФИЧЕСКОГО КАЛИЕВОГО КАНАЛА hERG
© Г. П. Тарасов1, В. Р. Хайруллина1, А. Я. Герчиков1*, Ф. С. Зарудий2
1 Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450074 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.
2 Башкирский государственный медицинский университет Россия, Республика Башкортостан, 450000 г. Уфа, ул. Ленина, 3.
E-mail: [email protected]
Выявлены структурные признаки, характерные для высоко-, средне- и низкоэффективных ингибиторов активности гена hERG , оценена степень их влияния на целевое свойство. Построена модель прогноза ингибирующей активности в ряду серу-, азот-, и кислородсодержащих гетероциклических соединений с уровнем достоверного прогноза более 77 % по двум методам распознавания. Выявленные структурные закономерности могут быть использованы для виртуального скрининга потенциальных лекарственных средств на наличие у них кардиотоксичности, обусловленной выраженной ингибирующей активностью в отношении гена hERG.
Ключевые слова: взаимосвязь «структура-свойство», кардиотоксичность, hERG, блока-
торы K-каналов.
Введение
hERG (human ether-a-go-go related gene) - ген, который кодирует белок, известный как специфический калиевый канал Kv 11.1. Этот ионный канал известен прежде всего своим координирующим влиянием на частоту сердечного ритма. Некоторые лекарственные препараты, ингибирующие активность hERG (например, ряд антиаритмических лекарственных средств I и III класса) могут препятствовать прохождению электрического сигнала через клеточную мембрану и, как следствие, приводить к снижению частоты сердечных сокращений вплоть до полной остановки сердца. На электрокардиограммах при регистрации подобных побочных явлений наблюдается удлинение периода QT [1].
Виртуальный скрининг потенциальных лекарственных средств и биологически активных веществ на наличие ингибирующей активности по отношению к hERG позволит на стадии доклинических испытаний выявить кардиотоксичные вещества. Первым этапом для практической реализации подобных исследований служит построение математических моделей прогноза и распознавания целевой активности, что и является целью нашей работы.
Методика эксперимента
Исследование взаимосвязи «структура - активность» в ряду ингибиторов активности гена hERG проведено в рамках основных процедур компьютерной системы SARD-21 (Structure Activity Relationship & Design) [2]. Обучающий массив сформирован на основе литературных данных о строении и ингибирующей активности 53 гетероциклических соединений, найденных методом измерения функциональной активности данного гена - методом петч-кламп (whole cell patch-clamp) в отсутствие и в присутствии ингибирующих его активность соединений [3-15]. Он содержит 25 химических структур веществ, обладающих выраженным ингибирующим действием (IC5o < 5 мкмоль/л, класс А), и 28 структур веществ, обладающих данным свойством в весьма незначительной степени (IC50 > 10 мкмоль/л, класс В). Ти-
пичные структуры соединений, вошедших в обучающую выборку, а также соответствующие значения 1С50 представлены в табл. 1, 2 и на рис.
Характер влияния ФД на ингибирование hERG оценен по коэффициенту информативности г: п1 Хп4 — п2 Хп3 ,
^ х N 2 х N3 х N 4
где п1 и п2 — число структур активных (более токсичных) соединений группы А, содержащих и не содержащих данный фрагмент; п3 и п4 — то же для неактивных (менее токсичных) соединений группы В; ^ и N2 — число структур в группах А и В; И3 = п1 + п3; N4 = п2 + п4.
Значение г изменяется в интервале -1 < г < 1, причем, чем выше абсолютное значение информативности, тем выше вероятность влияния данного признака на проявление целевого свойства (положительного и отрицательного соответственно знаку «+» и «-») [2].
Полное дескрипторное описание исследуемых групп соединений является избыточным. В связи с этим проведено сокращение его размерности до оптимального уровня, и определен наиболее значимый фактор оценки активности - решающий набор признаков (РНП). Критериями включения признаков в РНП являются максимальная информативность, минимальная взаимозависимость и оптимальное узнавание распознаваемых химических структур. Модели теоретической оценки целевой активности сформированы в результате совместного применения РНП и алгоритмов распознавания структур: геометрический подход и метод «голосования». По геометрическому подходу отнесение исследуемой структуры к группе активных или неактивных соединений (группы А или В) происходит после определения расстояния этой структуры в евклидовой метрике до расчетных эталонов групп А и В. По методу «голосования» подсчитываются и сравниваются количества признаков альтернативных групп из РНП, совпадающих с признаками структуры.
* автор, ответственный за переписку
2.5 мкмоль/л
NH2 1.5 мкмоль/л
NH2 З.5 мкмоль/л
Стуктуры обучающего массива Активные (1С50 < 5 мкмоль/л)
1 .З мкмоль/л
1.4 мкмоль/л
Таблица І
1 .З мкмоль/л
2.4 мкмоль/л
>І0 мкмоль/л
24 мкмоль/л
Неактивные (IÇ50 > 10 мкмоль/л)
40 мкмоль/л
11 мкмоль/л
2І мкмоль/л
Таблица 2
Циклические фрагменты характерные для активных и неактивных соединений обучающего массива
Активные
]Ш
\
N----Я
ИЫ N------Я
И и
•"8"
и и
N—Я
к-
N
и
и
Н]
\
и—N О
N—и
и
и
и
Я
Я
N
и
Я
и
и
и
и
и
и
и
и
и
N
и
и
(>N-)-(-N=C<)-(>C=C<)
(>N-)-(-N=C<)
(-NH-)-(1,4-дизяметенный бензол)
I
(>C=O)-(1,4-дизя метенный бензол)
I
(-NH2)-(>C=O)
(-N=C<)-(>C=C<)- (-F)
І І
(-n=c<) т і
(-CH2het-)-(-O-)-(-CH2het-) ■ (>CH-)
Фрагменты
(-CH2het-)-(>C=O)
І
■ (>C=C<)-(-Cl)
І
I (>C<)-(-F)
І
І (-NH2)- (>CH-)-(>C=O)
І І (>N-)-(1,4-дизяметенный бензол)
І
(>C<)-(1,4- дизя метенный бензол) (>C<)
■І (>C<)-(>N-)
Hl (-O-)-(>C=C<)
-0.1 0 0.1 0.2 Информативность
0.3
0.4
(-O-)
0.4
0.3
0.2
Рис. Влияние структурных дескрипторов на ингибирование активности hERG.
Таблица 3
Решающий набор признаков, сформированный в рамках данной модели
Признак
Информа-
тивность
І
2
3
4
5
6
7
8
9
І
0
І
І
І
2
0.5б2
0.S3S
{(>C<) - (>N—)}!{(-O-) - (>C=C<)}! {(>C<) - (1,4-дизамещенный бензол)}
{(-O-) - (>C=C<)}!{(>C<) - (1,4-дизамещенный бещол)}!^^^) - (1,2,2,4-тетразамещенный-2,5-дигидро - 1Н-пиррол)}
{(>C<) - (>C<)}!{(>C<) - (1,4-дизамещенный бещол)}!^^^) - (1,2,2,4-тетразамещенный-2,5-дигидро- 1Н-пиррол)}
{(-N=C<) - (>C=C<)}! {(>CH-) - (>C=O)}! {(-CH2-) - (>C<)}
{(>C=O) - (>C=C<)}! {(-CH2het-) - (-CH2het-)}! {(-CH2het-) - (>CH-)}
(>C<)! (-O-)! (-(CH2)2-)
(—O—Жмонозамещеный бензол)!(—(CH2)2—)
(Cl)! (—O—)! (монозамещенный бензол)
{(>N—) — (—N=C<)}!{(—CH2het—) — (—CH2het—)}!{(>C=O) — (2,6-дизамещенный-1,2,3,4-тетрагидронафталин)}
{(>C=C<) — (1,2,5-трщамещенный-Ш-имидазол)}!{(—CH2het—) — (—CH2het—)}!{(—CH2het—) —
(>CH—)}
{(>CH—) — (1,2,5-тризамещенный-Ш-имидазол)}!{(—CH2het—) — (—CH2het—)}!{(—CH2het—) —
(>CH—)}
{(—CH3) — (—N=C<)}!{(—CH2het—) — (—CH2het—)}!{(—CH2het—) — (3,3-дизамещенный пирроли-дин)}
& — знак конъюнкций (логическое «и»), ! — знак дизъюнкций (логическое «или»), # — знак строгих дизъюнкций (логическое «или» но не «и»)
Таблица 4
Результаты распознавания обучающего и экзаменационного массивов с использованием решающего набора признаков
(РНП)
0.521
G.188
G.136
-0.008
-0.037
-0.037
-0.078
-0.5б2
-G.562
-0.578
Результат распознавания, %
Обучающий массив
Ряд А | Ряд В | Весь массив
Экзаменационная выборка
Геом.
Голос.
84.G
8G.G
75.G
75.G
79.5
77.5
92.3
7б.9
Результаты и их обсуждение
Степень и характер влияния структурных признаков на проявление исследуемого свойства зависит как от их химической природы, так и от порядка их сочетания между собой (рис. 1). Циклические фрагменты, характерные для сильных и слабых ингибторов активности ЬЕЯО представлены в табл. 3.
В частности, карбонильная группа индивидуально обладает слабым отрицательным значением информативности, т.е. не оказывает существенного влияние на ингибирование ЬЕЯО. Ее сочетание с первичной группой она оказывает выраженное отрицательное воздействие на проявление ингибирующей активности в отношении ЬЕЯО. В то же время, химически связанные между собой первичная амино- метильная- и карбонильная группы вносят положительный вклад в наличие ингибирующей активности по отношению к рассматриваемому гену. Кислород, связанный с этиленовой группой, оказывает существенное положительное влияние на проявление исследуемой активности, а в окружении двух метиленовых групп соединенных с гетероатомом он более характерен для неактивных соединений.
В ходе дальнейших исследований сформирован РНП и построена математическая модель прогноза и распознавания ингибиторов ИЕЯО в ряду азот-, кислород и серасодержащих гетероциклических органических соединений (табл. 3). В РНП при автоматическом отборе в рамках алгоритма программы, вошли фрагментарные признаки и их логические сочетания, потенциально ответственные за наличие либо отсутствие ингибирующей активности. Для проверки достоверности установленных зависимостей проведено тестирование РНП на соединениях обучающего массива и экзаменационной выборки, содержащей 18 структур соединений с известной эффективностью ингибирующего действие в отношении ИЕЯО. Уровень достоверного прогноза целевого свойства составляет 77-80 % для соединений обучения, и 77-92 % для структур экзаменационного ряда по методам «голосования» и геометрического подхода (табл. 2). Установленные структурные закономерности могут быть использованы для виртуального скрининга потенциальных лекарственных средств на наличие у них кардиотоксичности, обусловленной выраженной ингибирующей активностью в отношении гена ИЕЯО.
Заключение
1. В результате изучения закономерностей связи «структура - свойство» в ряду производных К-фенил ацетамида и амидов ароматических карбоновых кислот сформирован решающий набор признаков (РНП), который позволяет прогнозировать наличие ингибирующей активности в отношении ЬЕЯО у широкого круга соединений, а
также ранжировать их по эффективности ингибирующего действия.
2. Математическая модель прогноза антиарит-мической активности обладает уровнем достоверного распознавания более 77% по двум методам теории распознавания образов («геометрический подход», «голосование»).
ЛИТЕРАТУРА
1. ADME-Tox Application note. URL: http://www.cerep.com/
2. Тюрина Л. А., Тюрина О. В., Колбин А. М.. Методы и результаты дизайна и прогноза биологически активных веществ. Уфа: Гилем, 2007. 331 с.
3. Fraley M. E., Garbaccio R. M., Arrington K. L., Hoffman W. F., Tasber E. S., Coleman P. J., Buser C. A., Walsh E. S., Hamilton K., Fernandes C., Schaber M. D., Lobell R. B., Tao W., South V. J., Yan Y., Kuo L. C., Prueksaritanont T., Shu
C., Torrent M, Heimbrook D. C., Kohl N. E., Huberb H. E., Hartman G. D. Kinesin spindle protein (KSP) inhibitors. Part 2: The design,synthesis, and characterization of 2,4-diaryl-2,5-dihydropyrroleinhibitors of the mitotic kinesin KSP// Bioor-ganic & Medicinal Chemistry Letters. 2006. №16. С. 1775— 1779.
4. Richter H. G. F., Adams D. R., Benardeau A., Bickerdike M. J., Bentley J. M., Blench T. J., Cliffe I. A., Dourish C., Hebeisen P., Kennett G. A., Knight A. R., Malcolm C. S., Mattei P., Misra A., Mizrahi J., Monck N. J. T., Plancher J. M., Ro-ever S., Roffey J. R. A., Taylora S., Vickers S. P. Synthesis and biological evaluation of novel hexahydro-pyrido[3',2':4,5]pyrrolo[1,2-a]pyrazines as potent and selective 5-HT2C receptor agonists // Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 2006. №16. С. 1207-1211.
5. Benbow J. W., Andrews K. A., Aubrecht J., Beebe D., Boyer
D., Doran S., Homiski M., Hui Y., McPherson K., Parker J. C., Treadway J., VanVolkenberg M., Zembrowski W. J. Piperidinyl-2-phenethylamino inhibitors of DPP-IV for the treatment of Type 2 diabetes// Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 2009. №19. С. 2220-2223.
6. Ammirati M. J., Andrews K. M., Boyer D. D., Brodeur A. M., Danley D. E., Doran S. D., Hulin B., Liu S., McPherson R. K., Orena S. J., Parker J. C., Polivkova J., Qiu X., Soglia C. B, Treadway J. L., VanVolkenburg M. A., Wilder D. C., Piotrowski D. W. (3,3-Difluoro-pyrrolidin-1-yl)-[(2S,4S)-(4-(4-pyrimidin-2-yl-piperazin-1-yl)-pyrrolidin-2-yl]-methanone: A potent, selective, orally active dipeptidyl peptidase IV inhibitor // Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 2009. №19. С. 1991-1995.
7. Jones C. D., Andrews D. M., Barker A. J., Blades K., Byth K. F., Raymond M., Finlay V., Geh C., Green C. P., Johannsen M., Walker M., Weir H. M. Imidazole pyrimidine amides as potent, orally bioavailable cyclin-dependent kinase inhibitors // Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 2008. №18. С. 6486-6489.
8. Bannwart L. M., Carter D. S., Cai H. Y., Choy J. C., Green-
house R, Jaime-Figueroa S., Iyer P. S, Lin C. J, Lee E. K, Lucas M. C., Lynch S. M, Madera A. M., Moore A., Ozboya K., Raptova L., Roetz R., Schoenfeld R. C., Stein K. A., Steiner S., Villa M., Weikert R. J., Zhai Y. Novel 3,3-disubstituted pyrrolidines as selective triple sero-
tonin/norepinephrine/dopamine reuptake inhibitors// Bioor-ganic & Medicinal Chemistry Letters. 2008. №18. С. 60626066.
9. Jitsuoka M., Tsukahara D., Ito S., Tanaka T., Takenaga N., Tokita S., Sato N. Synthesis and evaluation of a spiro-isobenzofuranone class of histamine H3 receptor inverse agonists // Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 2008. №18. С. 5101-5106.
10. Berglund S., Egner B. J., Graden H., Graden J., Morgan D. G. A., Inghardt T., Giordanetto F.. Discovery of 1,3-disubstituted-1H-
pyrrole derivatives as potent Melanin-Concentrating Hormone Receptor 1 (MCH-R1) antagonists // Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 2008. .№18. C 4859-4863.
11. Lee H. K., Lee Y. S, Roh E. J., Rhim H., Lee J. Y., Shin K. J. Synthesis and evaluation of a,a'-disubstituted phenylacetate derivatives for T-type calcium channel blockers // Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 2008. №18. C 4424-4427.
12. Corbett J. W., Dirico K., Song W., Boscoe B. P., Doran S. D., Boyer D., Qiu X., Ammirati M., VanVolkenburg M. A., McPherson R. K., Parker J. C., Cox E. D. Design and synthesis of potent amido- and benzyl-substituted cis-3-amino-4-(2-cyanopyrrolidide) pyrrolidinyl DPP-IV inhibitors// Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 2007. №17. C 6707-6713.
13. Purandare A. V., Wan H., Somerville J. E., Burke C., Vaccaro W., Yang X. X., McIntyre K. W., Poss M. A. Core exploration in optimization of chemokine receptor CCR4 antagonists //
Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 2007. №17. C 679-682.
14. Alberati D., Hainzl D., Jolidon S., Kurt A., Pinard E., Thomas A. W., Zimmerlic D. 4-Substituted-8-(1-phenyl-cyclohexyl)-2,8-diaza-spiro[4.5]decan-1- one as a novel class of highly selective GlyT1 inhibitors with superior pharmacological and pharmacokinetic parameters // Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 2006. №16. G 4321-4325.
15. Alberati D., Hainzl D., Jolidon S., Krafft E. A., Kurt A., Maier A., c Pinard E., Thomas A. W., Zimmerlic D. Discovery of 4-substituted-8-(2-hydroxy-2-phenyl-cyclohexyl)-2,8- diaza-spiro[4.5]decan-1-one as a novel class of highly selective GlyT1 inhibitors with improved metabolic stability // Bioor-ganic & Medicinal Chemistry Letters. 2006. №16. C 43114315.
Поступила в редакцию 20.09.2011 г.
