Синтез и свойства биологически активных соединений, содержащих NO-донорный фрагмент (17.11.2010)

Автор: Серков Игорь Викторович

Серков Игорь Викторович

СИНТЕЗ И СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, СОДЕРЖАЩИХ NO-ДОНОРНЫЙ ФРАГМЕНТ

02.00.10 – Биоорганическая химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора химических наук

Черноголовка, 2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук

Институте физиологически активных веществ РАН

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, член-корреспондент РАН, профессор, директор Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН Варфоломеев Сергей Дмитриевич

доктор химических наук,

Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН Формановский Андрей Альфредович

доктор химических наук,

Институт элементорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН Кочетков Константин Александрович

Научный консультант:

доктор химических наук, профессор Безуглов Владимир Виленович

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Институт проблем химической физики РАН 

Защита состоится «15» февраля 2011 г. в 14 часов на заседании

специализированного совета Д 002.102.01 при Учреждении Российской академии наук Институте физиологически активных веществ РАН по адресу: 142432, Московская обл., Ногинский р-н, г. Черноголовка, Северный проезд, 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института физиологически активных веществ РАН

Автореферат разослан «…» ноября 2010 г.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат химических наук Великохатько Т.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТы

Актуальность проблемы. Одно из направлений современной медицинской химии – концепция «многофункциональных лекарств». В рамках этой парадигмы понятию лекарственного средства как «магической пули» с максимальной селективностью, действующего на одну, строго определённую мишень, противопоставлена широта фармакологического действия и способность лекарственного вещества взаимодействовать с несколькими мишенями. Многофункциональные лекарства содержат в своей структуре несколько фармакофоров, действие которых дополняет друг друга. Такие препараты имеют более предсказуемый фармакокинетический профиль, у них существенно снижен риск несовместимости с другими препаратами за счёт уменьшения количества прописываемых пациенту лекарств. Одним из направлений в создании таких полифункциональных соединений является введение в молекулу известного лекарственного препарата фрагмента, являющегося генератором оксида азота (NO). NO – химически активное соединение, которое непрерывно продуцируется в организме из аминокислоты аргинина с помощью NO-синтаз. NO является внутри- и межклеточным мессенджером со многими важными биохимическими и физиологическими свойствами. Эта маленькая молекула не только передает биохимические сигналы, влияя таким образом на различные биологические системы, включая центральную нервную, сердечно-сосудистую и иммунную системы, но и действует как важный регулятор основных клеточных процессов. Нарушение биосинтеза и метаболизма NO приводит к тяжелым заболеваниям, таким как инфаркт миокарда, ишемическая болезнь сердца, астма, нейродегенеративные заболевания (болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона), диабет и многие другие. Добавление к молекуле лекарственного средства NO-донорного фрагмента придает «старому» препарату новые свойства за счет активации физиологических механизмов, активируемых NO, и предотвращения различные патологий, вызванных отсутствием или недостатком генерации NO. Такая модификация существенно изменяет фармакологические свойства лекарственных веществ, расширяя области их применения и снижая, в большинстве случаев, присущие немодифицированным соединениям побочные эффекты. Это увеличивает фармакологический потенциал и эффективность лекарственного препарата.

Таким образом, развитие методов создания гибридных препаратов содержащих NO-донорный фрагмент, разработка способов введения NO-генерирующей группировки в молекулу биологически активного соединения – актуальные задачи в плане создания новых высокоэффективных лекарственных препаратов. Эти направления вносят существенный вклад в познание химических свойств биологически активных соединений и в теорию дизайна потенциальных лекарственных препаратов.

Данная работа является частью плановой тематики Института физиологически активных веществ РАН и выполнялась в соответствии с общесоюзной программой АН СССР «Простагландины», государственной научно-технической программой «Атеросклероз». Поддержана грантами: РФФИ 94-03-09326-а «Разработка новых способов синтеза эфиров и тиоэфиров природных простагландинов», 00-04-48797-а «Исследование молекулярного механизма и нейрорецепторной активности эндогенных каннабиноидов и их нитроэфиров как новых эффективных биорегуляторов и потенциальных нейрокорректоров», 02-04-22002-НЦНИ-а (PICS 1582) «Изучение отношений структура-активность в ряду новых производных полиненасыщенных жирных кислот как потенциальных нейропротекторов», 04-04-49515-а «Эфиры полиненасыщенных жирных кислот. Синтез и исследование их влияния на ионные каналы в мембране нервных клеток».

Цель и задачи работы. Основная цель – разработка подходов и способов создания гибридных физиологически активных соединений, содержащих NO-донорный фрагмент, на основе биологически активных спиртов как основы потенциальных полифункциональных высокоэффективных лекарственных препаратов в рамках фундаментальной проблемы биоорганической химии – установление связи между структурой биологических соединений и их физиологической активностью. В задачи исследования входили: разработка общих способов введения NO-донорной группировки на основе нитратов спиртов в молекулы биологически активных соединений; синтез таких модифицированных соединений на основе различных классов фармакологически значимых агентов; изучение фармакологических свойств синтезированных соединений.

Научная новизна. Разработаны новые конструкции и способы создания гибридных многофункциональных физиологически активных соединений на основе нитратов биологически активных спиртов – NO-донорных фармакофоров. Разработаны способы синтеза эфиров и амидов простагландинов и полиненасыщенных жирных кислот с нитратами спиртов и аминоспиртов. Показана универсальность разработанных способов введения NO-донорных группировок на основе нитратов биологически активных спиртов. Впервые синтезированы нитраты природных гидроксиаминокислот и пептиды на их основе. Впервые описано нитрование аллильной гидроксильной группы в молекуле простагландина. Проведено исследование биологических свойств синтезированных гибридных соединений и изучено влияние NO-генерирующего фрагмента на их физиологическую активность. Таким образом, создано новое направление в конструировании новых многофункциональных лекарственных препаратов.

Практическая значимость работы. На основе предложенных методов получения гибридных соединений, содержащих нитраты биологически активных спиртов как NO-донорный фрагмент, синтезированы 1,3-динитроглицерино-вые и нитроэтиленгликолевые эфиры, а также амиды с нитроаминоспиртами ряда физиологически активных соединений. В качестве исходных фармакофоров были использованы простагландины, полиненасыщенные жирные кислоты, нестероидные противовоспалительные средства (индометацин, ибупрофен, ацетилсалициловая кислота), цефалоспорин G. Это означает, что разработанные методы применимы к разнообразным классам биологически активных соединений и могут использоваться при создании гибридных препаратов и с другими фармакофорами. Разработаны препаративные способы синтеза нитроксисерина и нитрокситреонина. Проведено нитрование аллильной гид–роксильной группы в молекуле простагландина и синтезированы 15-нитра–ты простагландинов. Предложено использование триметилсилильной защит–ной группы для синтеза фторангидридов простагландинов. Показано, что введение NO-донорной группировки в молекулу фармакофора резко меняет фармакологические свойства последнего, что открывает путь к направленному конструированию новых лекарственных препаратов. Так, созданная на основе 1,3-динитроглицеринового эфира простагландина Е1 мазь оказалась эффективной при лечении ожоговых травм у экспериментальных животных.

Автор защищает созданное новое направление в конструировании прототипов новых лекарственных препаратов на основе многофункциональных физиологически активных соединений, содержащих нитраты биологически активных спиртов – NO-донорных фармакофоров, и способы его реализации.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на: 9-ой Международной конференции «Простагландины и родственные соединения» (Флоренция, 1994 г.), ХIV Международном симпозиуме по медицинской химии (Маастрихт, 1996 г.), Международной научно-практической конференции «Биологически активные вещества и новые продукты в косметике» (Москва, 1996 г.), IV Съезде Белорусского общественного объединения фотобиологов и биофизиков «Молекулярно-клеточные основы функционирования биосистем» (Минск, 2000 г.), 11-ой Международной конференции «Простагландины и лейкотриены: фундаментальная наука и новое клиническое применение» (Флоренция, 2000 г.), I Международной конференции «Химия и биологическая активность азотистых гетероциклов и алкалоидов» (Москва, 2001 г.), Международном симпозиуме «Успехи в синтетической, комбинаторной и медицинской химии» (Москва, 2004 г.), XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва, 2007 г.), III Съезде фармакологов России (Санкт-Петербург, 2007 г.), Научной конференции «Органическая химия для медицины» (Черноголовка, 2008 г.), VII Всерос-сийской научной конференции «Химия и медицина, ОРХИМЕД–2009» (Уфа, 2009 г.), IV Российском симпозиуме «Белки и пептиды» (Казань, 2009), VIII Всероссийской конференции «Химия и медицина» (Уфа, 2010), 5-ой Международной конференции «Биологические основы индивидуальной чувствительности к психотропным средствам» (Москва, 2010).

Публикации. Основные результаты исследований, проведенных по теме диссертации, изложены в 15 статьях, 15 тезисах докладов и описаниях к 7 патентам и авторским свидетельствам.

Объем диссертации и ее структура. Диссертация изложена на 201 странице машинописного текста, содержит 17 схем, 9 таблиц, 14 рисунков и состоит из введения, 3 глав, выводов и списка цитируемой литературы объемом 329 ссылок. В первой главе «Обзор литературы» обсуждены методы синтеза многофункциональных соединений, содержащих органические нитраты как прототипов гибридных лекарственных препаратов нового поколения. Во второй главе описаны разработанные автором способы создания гибридных многофункциональных физиологически активных соединений на основе нитратов биологически активных спиртов и приведены данные по исследованию биологических свойств синтезированных гибридных соединений и влиянию NO-донорного фрагмента на их физиологическую активность. В третьей главе содержатся экспериментальные данные.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТы

Концепция гибридных лекарственных препаратов,

содержащих NO-донорный фрагмент.

В связи с актуальной в последнее время концепцией «одно лекарство – много мишеней» нами разработана концепция новых гибридных лекарственных соединений, т.е. соединений, объединяющих в одной молекуле несколько фармакофоров. В качестве первого фармакофора выступает биологически активное соединение (как природное вещество, так и молекула действующего начала известного лекарственного препарата), а второй фрагмент представляет собой связанную окись азота (NO), которая является важным внутри- и межклеточным регулятором многих основных биохимических процессов и оказывает влияние на различные системы организма, включая центральную нервную, сердечно-сосудистую и иммунную системы. В результате вовлечения в механизм действия гибридного препарата эффектов высвобождаемой окиси азота может повыситься эффективность исходного фармакофора и измениться его фармакологический профиль, в том числе – произойти уменьшение побочных эффектов, присущих немодифицированному соединению. Все это существенно расширяет область возможного применения данных гибридных препаратов. В качестве NO-донорного фармакофора нами предложены органические нитраты спиртов, и этот выбор был сделан сознательно по следующим причинам. Во-первых, у органических нитратов отсутствует спонтанная генерация NO, что позволяет направленно доставлять такие соединения в клетки-мишени без потери NO-генерирующей активности. Во-вторых, выделение NO из нитратов спиртов – это тиолзависимый процесс, требующий участия специфических белков, что может обеспечить генерацию NO в нужное время и в нужном месте. В-третьих, при генерации NO из органических нитратов высвобождается гидроксильная группа, восстанавливая структуру исходного фармакофора. Образующееся природное или известное лекарственное соединение подвергается метаболизму по стандартным путям, и в организме не происходит накопление «неприродных» фрагментов с неизученными свойствами. И, наконец, в-четвертых, превращение в нитроэфиры меняет фармакокинетику и лигандные свойства исходного фармакофора. Например, соединение становится более липофильным и может легче проникать через мембраны клеток или гематоэнцефалический барьер.

Для введения нитратной группы в молекулу фармакологически активного вещества нами было использовано два подхода. Первый подход основан на прямом нитровании гидроксильных групп с образованием так называемых «безлинкерных» гибридных соединений. В случае отсутствия в молекуле гидроксильной группы или необходимости ее сохранения в конечном гиб–ридном соединении, а также при лабильности исходного соединения в условиях нитрования NO-донорный фрагмент присоединяли с помощью дополнительной группировки. Этот подход приводит к линкерным гибридным соединениям, когда два фармакофора соединены с помощью третьего дополнительного компонента. Принцип построения этих гибридных соединений показан на рис. 1.


загрузка...