Главная / Полезные статьи / Хемореактомный анализ 7-гидроксиматаирезинола указал на молекулярные механизмы осуществления фармакологических эффектов молекулы

Хемореактомный анализ 7-гидроксиматаирезинола указал на молекулярные механизмы осуществления фармакологических эффектов молекулы

Хемореактомный анализ 7-гидроксиматаирезинола указал на молекулярные механизмы осуществления фармакологических эффектов молекулы

Громова О.А.1,2, Торшин И.Ю.1,3, Федотова Л.Э.1,2

РСЦ Института Микроэлементов при ЮНЕСКО приРНИУ РГМУ им Пирогова

ГБОУ ВПО Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный

ГБОУ ВПО Ивановская государственная медицинская академия МЗ РФ

Громова О.А., Громова Ольга Алексеевна, д.м.н., профессор кафедры фармакологии и клинической фармакологии ГБОУ ВПО ИвГМА Минсоцздравразвития РФ, Адрес для переписки: unesco.gromova@gmail.com, Адрес: 153000, Иваново, Шереметевский пр., 8, Телефон: (4932) 41-65-25.Ivanovo, Sheremetevskyipr. 8, Tel. (84932) 30-1766. Gromova Olga Alexeevna

Торшин И.Ю., Торшин Иван Юрьевич, к.ф-м.н., доцент кафедры интеллектуальные системы ГБАОУ ВПО «Московский физико-технический институт (государственный университет)». Адрес для переписки: 141700, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский переулок, д.9. Телефон: (499) 135-2489, (4932) 41-6525, Moscow, Dolgoprudnii, Institutskiy lane, 9. Torshin Ivan Yurievich

Федотова Л.Э., Федотова Любовь Эдуардовна, к.м.н., доцент кафедры фармакологии и клинической фармакологии ГБОУ ВПО ИвГМА Минсоцздравразвития РФ, Адрес для переписки: unesco.gromova@gmail.com, Адрес: 153000, Иваново, Шереметевский пр., 8, Телефон: (4932) 41-65-25.Ivanovo, Sheremetevskyi pr. 8, Tel. (84932) 30-1766

Абстракт

Представлены результаты оценок свойств 7-гидроксиматаирезинола (7ГМР) в сравнении с контрольными молекулами (17-эстрадиол, фитоэстроген β-ситостирол, эпигаллокатехин-3-галлат). Результаты хемореактомного моделирования позволили сформулировать молекулярные механизмы осуществления фармакологических эффектов 7ГМР для противовоспалительных (ингибирование 5-липоксигеназы, матриксной металлопротеиназы ММР2, митоген-активируемой киназы p38-альфа, рецептора лейкотриена b4, рецептора простациклина), противоопухолевых (антиоксидантный эффект за счёт ингибирования гемоксигеназы-2, ингибирование циклин-зависимых киназ 3 и 4, фактора роста эпидермиса, белка mTOR), вазодилаторных (ингибирование адренорецепторов и ренина), антибактериальных и противовирусных (ингибирование вирусных протеаз 3C) свойств молекулы 7ГМР.

Ключевые слова: 7-гидроксиматаирезинол, лигнаны ели, лигнарус, хемореактомный анализ, хемоинформационный анализ.

Введение

7-гидроксиматаирезинол (7ГМР), являющийся одним из основных компонентов экстрактов лигнанов из ели обыкновенной (Picea abies), характеризуется антиоксидантными, противоопухолевыми и противовоспалительными свойствами [1, 2]. Считается, что 7ГМР может проявлять, в частности, и свойства фитоэстрогенов, хотя имеющиеся данные несколько противоречивы [3].

В целом, результаты экспериментальных и клинических исследований указали на перспективность 7ГМР как противовоспалительного и противоопухолевого средства. Однако, молекулярные механизмы осуществления этих и других возможных фармакологических эффектов 7ГМР не вполне изучены. В то же время, для более полного понимания условий, при которых клиническая эффективность 7ГМР будет максимальна, следует иметь как можно более полную информацию о молекулярных механизмах действия данной молекулы.

В настоящей работе представлены результаты исследование оценок свойств 7ГМР (действующее начало препарата Лигнарус) в сравнении с контрольными молекулами (молекулами сравнения — 17-эстрадиол, фитоэстроген β-ситостирол, эпигаллокатехин-3-галлат). Исследование проводится с использованием новейшего направления постгеномной фармакологии — хемореактомного анализа. В рамках постгеномной биомедицины, молекула любого лекарственного средства «мимикрирует» под определенные 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) [4]. 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 [5].

Анализ потенциальных фармакологических активностей 7ГМР и молекул сравнения проведен на основе хемоинформационного подхода, т.е. сравнения химической структуры исследуемых молекул со структурами миллионов других молекул, для которых молекулярно-фармакологические свойства известны. Процедура анализа основана на новейших технологиях машинного обучения: комбинаторной теории разрешимости и теории классификации значений признаков [6-9], разрабатываемых в рамках алгебраического подхода к распознаванию.

Материалы и методы

Хемоинформатика — область исследований на стыке структурной химии, фармакологии и биоинформатики, в которой взаимосвязи типа «химическая структура» — «свойство вещества» исследуются методами современной информатики. Особый подраздел хемоинформатики, хемореактомный анализ, направлен на оценку биологических активностей исследуемой молекулы (в частности, моделирование профиля сродства исследуемой молекулярной структуры к различным белкам протеома). В настоящей работе был проведен сравнительный хемореактомный анализ молекул 7ГМР в сравнении с контрольными молекулами (17-эстрадиол, фитоэстроген β-ситостирол, эпигаллокатехин-3-галлат, Рис. 1).

Рис. 1. Химические формулы исследованных молекул.

Для проведения хемоинформационного анализа был разработан новый математический метод, основанный на комбинаторной теории разрешимости [6-9]. Комбинаторная теория разрешимости, представляющая собой развитие алгебраического подхода к задачам распознавания, является современным инструментом для исследования признаковых описаний объектов. В случае задачи установления молекул, химическая структура которых схожих с заданной, объектами исследования являются хемографы. Хемограф (χ-граф) — особая разновидность графа (т.е. математического объекта, являющегося как совокупности множества вершин и множества ребер — связей между вершинами). Хемографом называется конечный, связный, неориентированный, размеченный граф без петель, с кликовым числом не превышающим 3.

В рамках комбинаторной теории разрешимости, χ-графы рассматриваются как объекты, а их инварианты (или кортежи инвариантов) — как признаковые описания объектов. В применении к хемографам, практически важны теорема о полноте кортежей инвариантов произвольного хемографа и теорема соответствия критерия полноты инварианта критерию разрешимости/регулярности, основной результат которых можно записать в следующей форме:

(1) , где

— множество прецедентов графов (полученный из заданного набора молекулярных структур), — множество начальных информаций (вектора ), — множество конечных (финальных) информаций, — метка, указывающая на принадлежность графа G к некоторому классу изоморфных графов (очевидна из описаний молекулы в базе данных химических структур) в , χ — множество элементарных χ-инвариантов (фрагментов химической структуры), — кортеж-инвариант (список фрагментов структур, применимый к структуре любой молекулы). Если условие (1) выполнено для заданного множества χ, то χ обеспечивает разрешимость задачи над Pr и позволяет систематически исследовать все фрагменты углеродных скелетов органических молекул. Если множество Pr регулярно, т.е. не содержит двух идентичных хемографов (молекул), то множество χустанавливается на основе стандартного подхода к вычислению характеристической функции множества информативных значений признаков [7] для множества χ, так что определяется на основе выбора элемента кортеж-инварианта (т.е. типа фрагмента углеродного скелета) с наибольшим рангом информативности α:

(2)

Данная процедура позволяет найти такой кортеж-инвариант, который бы позволял отличать каждый хемограф (молекулу) в Pr от всех остальных. Тестирование (1, 2) проводилось на случайных выборках по 50000 попарно различных структур молекул из базы данных PubChem [10] с использованием бинарных кортеж-инвариантов над множеством χ-цепей (цепных фрагментов химической структуры) длины n (n=1..7). В результате вычислений было установлено, что при n=7 аккуратность различения одной молекулы от другой составила 99.4% и даже при более коротких длинах χ-цепей (n=4,5) достигались довольны высокие показатели аккуратности (93..97%).

С использованием полученного множества χ и метрики Хэмминга, функция расстояния между хемографами над бинарными χ-инвариантами определяется следующим образом:

(3) .

Данное выражение, отражающее «химическое расстояние» между двумя произвольными молекулами, и было использовано для решения задачи поиска молекул, структурно схожих с 7ГМР.

Таким образом, на первом этапе хемоинформационного анализа с использованием расстояния dχ устанавливается список наиболее близких к 7ГМР химических структур. На втором этапе, для каждой молекулы из баз данных извлекаются все имеющиеся данные экспериментального измерения различных биологических свойств этой молекулы и проводится хемореактомный анализ.

Хемореактомный анализ направлен на оценки биологических активностей и, прежде всего, на изучение профиля сродства исследуемой молекулярной структуры к различным белкам протеома человека. Профиль сродства необходим для последующего экспертного анализа потенциальных позитивных и негативных эффектов исследуемой молекулы. Элементами множества являются вектора , соответствующие бинарным или численным кортеж-инвариантам хемографов, обладающих свойством локальной полноты. При этом, могут использоваться не только тупиковые кортеж-инварианты, полученные в результате комбинаторного тестирования локальной полноты (1, 2), но и кортежи большей мощности (например, включающие все виды элементарных хи-инвариантов, возможные для заданного словаря меток хемографа и найденные в исследованном множестве хемографов и т.д.). Элементами множества являются вектора, соответствующие теоретико-множественным формам профилей сродства (квантильные, вероятностные, ранговые, бинарные).

После вычисления условий (1, 2), для каждого из свойств, для которого необходимо рассчитать значения соответствующей константы (константа связывания, константа ингибирования и др.), выбираются все схожие молекулы для которых это свойство было измерено и строится эмпирическая функция распределения значений константы. Представленные далее в Таблицах оценки значений различных констант были получены как математическое ожидание и дисперсия соответствующей эмпирической функции распределения, которая использовалась после соответствующей фильтрации посредством i-спектров с образованием непрерывной повсюду дифференцируемой функции и анализа модальности (т.е. числа пиков).

Результаты

С использованием описанного выше метода хемоинформационного анализа было проведено сравнение химической структуры 7ГМР с молекулами в базе данных метаболо́ма человека и с молекулами в базах данных лекарственных средств. Как известно, метаболомом называется совокупность всех низкомолекулярных веществ (т.е. веществ с низкими молекулярными массами — не более 1000 дальтон), найденных в клетках и тканях организма. Установление схожести молекулярной структуры действующего начала препарата с элементами метаболома принципиально важно для установления всех эффектов воздействия препарата на организм [4, 5].

В качестве модели метаболома человека использовались более 40000 соединений, приведенных 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. Поэтому, среди этих соединений присутствуют не только те, которые образуются в организме человека эндогенно, но и экзогенные вещества (в частности, лекарственные препараты).

В соответствии с упомянутым в разделе Методы подходом к анализу множеств хемографов были рассчитаны «химические расстояния» dχ от структуры молекулы 7ГМР до структур всех молекул в модели метаболома. Гистограмма полученных расстояний (Рис. 2) показывает, что число схожих с 7ГМР молекул не превышает 20 при dχ<0.2 и начинает резко возрастать при dχ>0.4,так что при dχ=0.5 и более число «схожих молекул» превышает 250. Таким образом, не более 150 молекул в базе данных HMDB можно считать действительно схожими с 7 ГМР: данные молекулы находились на сколько-нибудь приемлемом «химическом расстоянии» от 7ГМР (dχ<0.5).

Рис. 2. Гистограмма чисел молекул, схожих с 7ГМР, на определенном «химическом расстоянии» dχ от молекулы 7ГМР.

В результате использования порога dχ<0.5 был получен список из 139 молекул, наиболее близких к 7ГМР по своей химической структуре. Для каждой из этих молекул из баз данных HMDB и PubChem были извлечены текстовые описания и проведен анализ частоты встречаемости различных ключевых слов в этих описаниях (Таблица 1).

Полученные результаты анализа ключевых слов показывают, что схожие с 7ГМР молекулы являются, в подавляющем большинстве случаев, компонентами различных растительных экстрактов: фруктов (цитрусовые), лекарственных трав (шалфей, валерьяна, тысячелистник, полынь обыкновенная), чая, оливы и розмарина. Как известно, многие из этих растительных экстрактов используются в народной медицине и характеризуются противовоспалительными, нейропротекторными, противоопухолевыми свойствами.

Таблица 1. Анализ частоты встречаемости ключевых слов в текстовых описаниях молекул, структурно схожих с 7ГМР. μ(dχ), среднее химическое расстояние; σ(dχ), стандартное отклонение; ν(терм), относительная частота встречаемости соответствующего термина в исследованных описаний молекул. Термины расположены по убыванию значения ν(терм).

Анализ текстовых описаний схожих с 7ГМР молекул позволил выделить несколько десятков соединений, характеризующихся известной фармакологической активностью (Таблица 2). В Таблице 2, более низкие значения «химического расстояния» между dχ соответствуют большей структурной схожести между молекулой 7ГМР и обсуждаемой молекулой.

Таблица 2. Соединения, полученные в результате хемоинформационного поиска, структурно схожие с 7ГМР и характеризующиеся известной фармакологической активностью. Соединения упорядочены в соответствии со значением dχ, «химического расстояния» от молекулы 7ГМР (см. Методы). Более низкие значения dχ соответствуют бо́льшей структурной близости молекулы вещества к 7ГМР.

Хемоинформационный анализ молекулы 7ГМР показал, что схожие с 7ГМР молекулы характеризуются противоопухолевыми, антибактериальными, противовирусными, гепатопротекторными, противоспалительным, вазодилатирующим, гиполипидемичим, антитромботическим, антиоксидантным, противодиабетическим и нейропротекторным эффектами (Таблица 2). Приводимые далее результаты хемореактомного моделирования эффектов 7ГМР подтверждают эти потенциальные свойства молекулы 7ГМР.

Результаты хемореактомного моделирования эффектов 7ГМР и молекул сравнения

Хемореактомное моделирование 7-гидроксиматаирезинола и позволило выявить ряд отличий в фармакологических свойствах молекулы 7ГМР по сравнению со свойствами контрольных молекул. Эти отличия относятся к взаимодействиям исследуемых молекул с рецепторами нейротрансмиттеров, влиянию на вазодилатацию, воспаление, противоопухолевым, антибактериальным, антивирусным свойствам молекул. Дополнительно, было проведено сравнительное фармакопротеомное моделирование молекулы 7ГМР и контрольных молекул.

Взаимодействия 7ГМР с рецепторами нейротрансмиттеров указывают на нейропротекторный потенциал молекулы

Результаты хемореактомного моделирования взаимодействий молекул с рецепторами нейротрансмиттеров показало, что 7ГМР в значительно меньшей мере взаимодействует с ацетилхолиновыми и NМDA рецепторами, чем молекулы сравнения (Таблица 3). Это позволяет предположить, что 7ГМР не будет вмешиваться в ацетилхолиновую и глутаматную нейротрансмиссию. Это означает, что 7ГМР не будет оказывать негативного воздействия на процессы возбуждения-торможения в ЦНС.

В то же время, молекула 7ГМР может в большей степени, чем молекулы сравнения, взаимодействовать с аденозиновыми рецепторами, оказывая слабый ингибирующий эффект. Например, значение константы ингибирования аденозинового рецептора A2 стриатальной мембраны мозга составило Ki=3213±1101 нМ и было гораздо выше для молекул сравнения (Ki=4392…7485 нМ). Ингибирование аденозиновых рецепторов типа А1 и А2 в головном мозге будет иметь слабый тонический эффект, подобный эффекту кофеина (который является антагонистом аденозиновых рецепторов). Заметим, что хемоинформационный анализ указал на частичную схожесть структуры 7ГМР с производными кофеиновой кислоты (см. Таблицу 2).

Таблица 3. Результаты хемореактомного моделирования взаимодействий 7-гидроксиматаирезинола (7ГМР) и контрольных молекул с рецепторами нейротрансмиттеров. Конст. — международное обозначение соответствующей константы биологической активности (если имеется); Ед., единицы измерения константы; ЭСД, эстрадиол; СТС, ситостерол; ЭПКГ, эпигаллокатехин галлат; Ош., ошибка в оценке полученного значения константы.

Результаты хемореактомного моделирования 7ГМР также позволили сформулировать механизмы предполагаемого нейропротекторного действия этой молекулы. Заметим, что среди схожих с 7ГМР молекул отмечаются молекулы с подтвержденным нейропротекторным действием (в частности, карнозол, см. Таблицу 2).

Так, хемореактомный анализ указал на возможность более выраженного ингибирования молекулой 7 ГМР протеинкиназы C-дельта человека (Таблица 3). Протеинкиназа С-дельта вовлечена в сложные механизмы регуляции роста, апоптоза и дифференциации клеток различных типов, в т.ч. нейронов. Известно, что ингибиторы протеинкиназы С-дельта проявляют нейропротекторные и нейротрофические свойства [12].

Хемореактомное моделирование также подтвердило возможные нейропротекторные свойства молекулы 7ГМР. В частности, спрогнозирована нейропротекторная активность в дозе 1 мкМ в клетках линии SH-SY5Y при воздействии H2O2 (+25% выживания клеток, контрольные молекулы — 0…25%) и нейротрофическая активность 7ГМР в дорзальной ганглии цыпленка (+29%, контрольные молекулы — 0.84…21%, см. Таблицу 3).

Вазодилаторные эффекты 7ГМР

Результаты хемореактомного моделирования эффектов 7ГМР указали на возможные вазодилаторные эффекты молекулы (Таблица 4). По сравнению с результатами моделирования контрольных молекул, 7ГМР может проявлять значительно более выраженную вазодилаторную активность при ингибировании сокращения аорты крыс при воздействии норадреналином (на 42%, контрольные молекулы — 11…31%), в моделях спонтанной гипертензии (на 25%), соль-зависимой гипертонии (на 41%) и др. При этом, по всей видимости, вазодилаторный эффект 7ГМР не связан с модуляцией активности рецептора ангиотензина-II, т.к. вычисленное значение IC50 (т.е. концентрации, необходимой для 50%-го ингибирования рецептора ангиотензина-II) было существенно выше для 7ГМР (IC50=6214±3112 нМ), чем для молекул сравнения (IC50=13…2314 нМ). Возможным молекулярным механизмом прогнозируемых вазодилаторных эффектов 7ГМР является ингибирование адренорецепторов и ренина (см. ниже результаты фармакопротеомного моделирования).

Таблица 4. Результаты хемореактомного моделирования эффектов 7-гидроксиматаирезинола (7ГМР) и контрольных молекул на вазодилатацию. Конст. — международное обозначение соответствующей константы биологической активности (если имеется); Ед., единицы измерения константы; ЭСД, эстрадиол; СТС, ситостерол; ЭПКГ, эпигаллокатехин галлат; Ош., ошибка в оценке полученного значения константы.

Противовоспалительные эффекты 7ГМР

Результаты хемореактомного моделирования указали на противовоспалительные эффекты 7ГМР, обусловленные ингибированием окисления арахидоновой кислоты 5-липоксигеназой, матриксной металлопротеиназы ММР2 и митоген-активируемой киназы p38-альфа (Таблица 5). Значение константы ингибирования 5-липоксигеназы было в несколько раз ниже для 7ГМР (IC50=213±169 нМ), чем для молекул сравнения (IC50=608…887 нМ). Ингибирования синтеза провоспалительных простагландинов в каскаде арахидоновой кислоты действительно будет сопровождаться ингибированием развития отёка в каррагинановой модели отёка у крыс (7ГМР — на 56%, контрольные молекулы — 6.4…37%, см. Таблицу 5)

Таблица 5. Результаты хемореактомного моделирования противовоспалительных эффектов 7-гидроксиматаирезинола (7ГМР) и контрольных молекул. Конст. — международное обозначение соответствующей константы биологической активности (если имеется); Ед., единицы измерения константы; ЭСД, эстрадиол; СТС, ситостерол; ЭПКГ, эпигаллокатехин галлат; Ош., ошибка в оценке полученного значения константы.

Интересным эффектом 7ГМР является более выраженное, по сравнению с контрольными молекулами, ингибирование митоген-активируемой киназы p38 альфа MAPK14 (IC50=261±292 нМ, контрольные молекулы — 376…425 нМ). Известно, что p38-киназы MAPK11, MAPK12, MAPK13, MAPK14 участвуют в передаче сигнала от провоспалительных цитокинов. Поэтому, ингибиторы р38 MAP-киназ (и, в частности, МАР-киназы p38-альфа, MAPK14) исследуются как потенциальные противовоспалительные средства [13].

Противовоспалительные эффекты 7ГМР важны, в частности, в профилактике и терапии опухолевых заболеваний. Хемореактомное моделирование подтвердило наличие у молекул 7ГМР противоопухолевых эффектов и позволило установить наиболее вероятные молекулярные механизмы осуществления этих эффектов (Таблица 6). Моделирование показало более выраженный про-апоптотический эффект

в линиях опухолевых клеток НСТ116 (EC50=59 нМ, контрольные молекулы — EC50=972…1735), в хроническом миелогенном лейкозе (клетки линии K562, увеличение апоптоза на 44%, контрольные молекулы — только на 13…36%), антиангиогенную активность в эмбрионах рыб Danio rerio (7ГМР — 65%, контрольные молекул — не более 5.6%) и торможение роста опухолей у мышей линии CF1, несущих карциному Эрлиха, сопровождающуюся асцитом (на 27±15%, контрольные молекул — только на 5.1…7.3%).

Таблица 6. Результаты хемореактомного моделирования противоопухолевых эффектов 7-гидроксиматаирезинола (7ГМР) и контрольных молекул. Конст. — международное обозначение соответствующей константы биологической активности (если имеется); Ед., единицы измерения константы; ЭСД, эстрадиол; СТС, ситостерол; ЭПКГ, эпигаллокатехин галлат; Ош., ошибка в оценке полученного значения константы.

Противоопухолевое действие 7ГМР связаны не только с антиоксидантным эффектом молекулы (например, 7ГМР подавлял перекисное окисление липидов на 42%, а контрольные молекулы — не более чем на 1%). Хемореактомный анализ показал, что 7ГМР может ингибировать циклин-зависимую киназу 4 (Ki= 1427 нМ, контрольные молекулы — более 3000 нМ), рецептор фактора роста эпидермиса (EGFR, IC50=244 нМ, контрольные молекулы — 255…477 нМ) и белка mTOR (IC50=632 нМ, контрольные молекулы — более 2000 нМ).

Ингибирование каждого из этих белков сопровождается выраженным противоопухолевым действием. В частности, ингибиторы CDK4 (палбоциклиб и др.) уже используются в терапии опухолевых заболеваний, т.к. при многих опухолевых заболеваниях человека отмечена повышенная активность CDK4 и других циклин-зависимых киназ [14].

Повышенная активность рецептора эпидермального фактора роста (EGFR) отмечена при различных видах опухолевых заболеваний — рак эпителия (до 80% пациентов), опухолевые заболевания кишечника, лёгких [15]. Ингибиторы EGFR (гефитиниб, эрлотиниб, афатиниб и др.) используются в терапии рака лёгких, цетуксимаб — в терапии рака прямой кишки [16].

Белок mTOR представляет особенный интерес, т.к. ингибирование избыточной активности этого белка связано не только с противоопухолевым действием, но и с геропротекцией (удлинением жизни модельных организмов). Данный белок был, исходно, найден как таргетный белок антибиотика рапамицина (англ. Target Of Rapamycin), также проявляющего выраженные противоопухолевые свойства. Избыточная активация сигнального пути mTOR вносит вклад в патофизиологию различных опухолевых заболеваний (аденому простаты, рака лёгких, мочевого пузыря, почек, меланомы и др.) [17].

Ингибиторы mTOR представляют собой быстро развивающую группу противоопухолевых средств. Кроме того, ингибиторы mTOR проявляют антигиперинсулинемические, противовоспалительные и геропротекторные свойства (т.е. способствуют удлинению продолжительности жизни модельных организмов) [18]. Заметим, что хемореактомное моделирование указало на более выраженную гипогликемическую активность 7ГМР. Так, хемореактомная оценка значения параметра ED50 (т.е. концентрация в плазме крови, при которой отмечалось снижение уровня глюкозы в крови на 50% после приёма внутрь), была существенно ниже в случае молекулы 7ГМР (ED50=43 нМ), чем в случае контрольных молекул (ED50=141…207 нМ).

Таким образом, хемореактомный анализ указывает на выраженные противоопухолевые 7ГМР, обусловленные ингибированием трёх таргетных белков: CDK4, EGFR и mTOR. Приводимые ниже результаты фармакопротеомного анализа указывают на очень низкую вероятность активации молекулой 7ГМР эстрогеновых рецепторов. Поэтому, совместное применение 7ГМР и препаратов, непосредственно активирующих эстрогеновые рецепторы (эстроген-содержащие оральные контрацептивы, эстроген-содержащие препараты для заместительной гормональной терапии в климактерии, при резекции яичников и др.) будет снижать риск гиперпролиферации, ассоциированной с приёмом эстрогенов.

Антибактериальные и противовирусные эффекты молекулы 7ГМР

Результаты хемореактомного моделирования указали на достаточно широкий спектр возможных антибактериальных и противовирусных эффектов молекулы 7ГМР (Таблица 7). В частности, получены оценки антибактериальной активности 7ГМР против стафилококков (Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis), стрептококков (Streptococcus pneumoniae), синегнойной палочки (Pseudomonas aeruginosa), грибов (Candida albicans, Candida krusei, Candida parapsilosis, Aspergillus fumigatus), малярийного плазмодия (Plasmodium falciparum, Plasmodium berghei). Также, оценены возможные противовирусные эффекты 7ГМР (против протеазы 3C риновируса HRV-14 и против протеазы 3C вируса гепатита A).

Интересно отметить, что среди схожих с 7ГМР молекул были найдены компоненты экстрактов полыни обыкновенной (Таблица 1) такие, как, например, вульгарин (Таблица 2). Известно, что экстракты полыни (в частности, полыни однолетней, Artemisia annua) характеризуются выраженными противомалярийными свойствами [19]. Более того, одно из наиболее перспективных противомалярийных средств, артемизин, было выделено именно из полыни однолетней. Хемореактомное исследование молекулы 7ГМР указало на противомалярийную активность против Plasmodium berghei у мышей как увеличение среднего времени жизни при дозе 80 мг/кг (7ГМР — на 1.18±0.9 суток, контрольные молекулы — не более чем на 0.05 суток) и против хлорохин-чувствительных штаммов Plasmodium falciparum (константа ингибирования IC50=113±76 нМ, контрольные молекулы — более 290 нМ).

Таблица 7. Результаты хемореактомного моделирования антибактериальных и противовирусных эффектов 7-гидроксиматаирезинола (7ГМР) и контрольных молекул. Конст. — международное обозначение соответствующей константы биологической активности (если имеется); Ед., единицы измерения константы; ЭСД, эстрадиол; СТС, ситостерол; ЭПКГ, эпигаллокатехин галлат; Ош., ошибка в оценке полученного значения константы. MIC, минимальная ингибирующая концентрация.

Результаты хемореактомного моделирования фармакокинетических и фармакодинамических эффектов показали, что молекула 7ГМР характеризуется большей стабильностью в организме, чем молекулы сравнения. На это указывает, в частности, более продолжительное время полувыведения T1/2 (1.74±0.42 ч) и более высокая метаболическая стабильность в микросомах печени человека, оцененная как % соединения, остающегося не-метаболизированным через 30 минут после введения (52%, молекулы сравнения — 14…51%, Таблица 8).

Таблица 8. Результаты хемореактомного моделирования фармакокинетических и фармакодинамических эффектов 7-гидроксиматаирезинола (7ГМР) и контрольных молекул. Конст. — международное обозначение соответствующей константы биологической активности (если имеется); Ед., единицы измерения константы; ЭСД, эстрадиол; СТС, ситостерол; ЭПКГ, эпигаллокатехин галлат; Ош., ошибка в оценке полученного значения константы.

Фармакопротеомное моделирование 7ГМР

Информационная технология хемореактомного моделирования исследуемых молекул позволяет вычислять вероятности связывания, активации и ингибирования практически всех белков протеома человека (т.н. фармакопротеомное моделирование). Фармакопротеомное моделирование является in silico аналогом фармакопротеомных исследований, в ходе которых проводится определение уровней всех белков, экспрессируемых в исследуемых клетках/тканях, а, затем, производится стимулирование клеток/тканей изучаемым веществом и отмечаются изменения уровней белков в сравнении с исходным состоянием.

Фармакопротеомное моделирование показало, что молекула 7ГМР может связываться с рецептором лейкотриена b4 (LTB4R, противовоспалительное действие), рецептором простациклина (PTGIR, противовоспалительное и вазодилаторное действие), ренин (REN, вазодилаторное действие), бета-1 адренергический рецептором (ADRB1, вазодилаторное действие) и прооксидантным ферментом гемоксигеназу-2 (HMOX2, Таблица 9). Возможность ингибирования была подтверждена для бета-1 адренергического рецептора (с вероятностью 0.71) и рецептора лейкотриена b4 (с вероятностью 0.75). Высокие значения вероятности ингибирования были получены для циклин-зависимой киназы 3 (CDK3, противоопухолевое действие) и митоген-активированной протеинкиназы 2 (MAP3K2, противоопухолевое действие).

Активация молекулой 7ГМР фактора роста гепатоцитов, аденилатциклазы-2 и печеночной триацилглицериновая липазы соответствует гепатопротекторному эффекту, особенно в случае стеатогепатита.

Важно отметить, что фармакопротеомное моделирование показало, что из четырёх исследованных молекул только 17-эстрадиол может активировать эстрогеновые рецепторы 1-го и 2-го типов (Таблица 9). Все остальные анализированные молекулы, включая 7ГМР, показали весьма низкие значения вероятности активации эстрогеновых рецепторов.

Таблица 9. Вероятности активации и ингибирования 7ГМР и контрольными молекулами различных белков протеома (фармакопротеомный анализ). Белки упорядочены в соответствии со значениями вероятности эффекта для 7ГМР.

Заключение

Противоопухолевые и противовоспалительные свойства 7-гидроксиматаирезинола (лигнан ели обыкновенной) указывают на перспективность использования 7ГМР в клинической практике. В настоящей работе представлены результаты оценок свойств 7ГМР в сравнении с контрольными молекулами (17-эстрадиол, фитоэстроген β-ситостирол, эпигаллокатехин-3-галлат), полученные в результате хемореактомного моделирования — новейшего направления постгеномной фармакологии. Хемоинформационный анализ молекулы 7ГМР показал, что схожие с 7ГМР молекулы характеризуются противоопухолевым, антибактериальным, противовирусным, гепатопротекторным, противоспалительным, вазодилатирующим, гиполипидемическими, антитромботическим, антиоксидантным, противодиабетическим и нейропротекторным эффектами. Результаты хемореактомного моделирования позволили сформулировать молекулярные механизмы осуществления фармакологических эффектов 7ГМР для вазодилаторных (ингибирование адренорецепторов и ренина), противовоспалительных (ингибирование 5-липоксигеназы, матриксной металлопротеиназы ММР2, митоген-активируемой киназы p38-альфа, рецептора лейкотриена b4, рецептора простациклина), противоопухолевых (антиоксидантный эффект за счёт ингибирования гемоксигеназы-2, ингибирование циклин-зависимых киназ 3 и 4, фактора роста эпидермиса, белка mTOR) и антивирусных (ингибирование вирусных протеаз 3C) свойств молекулы 7ГМР (Рис. 3). Показана возможность существования у молекулы 7ГМР гепатопротекторного действия, связанного с активацией фактора роста гепатоцитов, аденилатциклазы-2 и печеночной триацилглицериновой липазы.

Рис. 3. Примеры оценок фармакологических активностей 7ГМР в сравнении с контрольными молекулами, полученные в результате хемореактомного анализа. Указаны значения эффекта в процентах от контрольного эксперимента. Примеры фармакологических активностей: антиоксидантная активность (% защиты от дегидрации тимидина в геномной ДНК, индуцированной гамма-излучением in vitro), противоотёчная активность (% ингибирования отёка при приёме в дозе 30 мг/кг per os в каррагинановой модели отёка у крыс), антигипертензивная активность (% снижения давления в модели соль-зависимой гипертонии через 2 часа после приёма в дозе 50 мг/кг), противоопухолевая активность (% снижения числа опухолевых клеток у мышей линии CF1, несущих карциному Эрлиха с асцитом), нейропротекторная активность (% выживших клеток линии SH-SY5Y при воздействии H2O2), противовирусная активность (% ингибирования протеазы 3C риновируса HRV-14 человека).

Хемореактомный анализ, в частности, показал, что 7ГМР отличается низкой вероятностью активации эстрогеновых рецепторов в сочетании с высокой противоопухолевой активностью. Поэтому, приём 7ГМР (препарат Лигнарус) позволяет улучшить профиль безопасности терапии при совместном использовании с эстроген-содержащими препаратами. Особую группу риска составляют женщины, перенесшие резекцию яичников в связи с удалением опухолей женской репродуктивной сферы или их метастазов. Эти женщины нуждаются в длительной заместительной гормональной терапии (ЗГТ) с использованием эстрогенов и, одновременно, характеризуются повышенным риском рецидива опухолевого процесса. Сочетанное применение препаратов эстрогенов совместно с 7ГМР позволяет минимизировать риск рецидива опухолей при длительной ЗГТ.

Литература

1. 7(S)-hydroxymatairesinol protects against tumor necrosis factor-α-mediated inflammation response in endothelial cells by blocking the MAPK/NF-κB and activating Nrf2/HO-1.

Yang D, Xiao CX, Su ZH, Huang MW, Qin M, Wu WJ, Jia WW, Zhu YZ, Hu JF, Liu XH.

Phytomedicine. 2017 Aug 15;32:15-23. doi: 10.1016/j.phymed.2017.04.005. PMID: 28732803

2. Saarinen NM, Wärri A, Mäkelä SI, Eckerman C, Reunanen M, Ahotupa M, Salmi SM, Franke AA, Kangas L, Santti R. Hydroxymatairesinol, a novel enterolactone precursor with antitumor properties from coniferous tree (Picea abies). Nutr Cancer. 2000;36(2):207-16. PMID: 10890032

3. Cosentino M, Marino F, Ferrari M, Rasini E, Bombelli R, Luini A, Legnaro M, Delle Canne MG, Luzzani M, Crema F, Paracchini S, Lecchini S. Estrogenic activity of 7-hydroxymatairesinol potassium acetate (HMR/lignan) from Norway spruce (Picea abies) knots and of its active metabolite enterolactone in MCF-7 cells. Pharmacol Res. 2007 Aug;56(2):140-7. PMID: 17572100

4.Torshin I.Yu. Bioinformatics in the post-genomic era: physiology and medicine. NovaBiomedicalBooks, NY, USA (2007), ISBN 1-60021-752-4.

5. Torshin I.Yu. Bioinformatics in the post-genomic era: sensing the change from molecular genetics to personalized medicine. Nova Biomedical Books, NY, 2009, ISBN: 978-1-60692-217

6. Журавлёв Ю.И., Рудаков К.В., Торшин И.Ю. Алгебраические критерии локальной разрешимости и регулярности как инструмент исследования морфологии аминокислотных последовательностей. Труды МФТИ. — 2011 — Т.3. № 4, с.67-76.

7. Torshin I.Y., Rudakov K.V. On the application of the combinatorial theory of solvability to the analysis of chemographs. Part 1: fundamentals of modern chemical bonding theory and the concept of the chemograph. Pattern Recognition and Image Analysis (Advances in Mathematical Theory and Applications). 2014. Т. 24. № 1. С. 11-23.

8.Torshin I. Yu. On solvability, regularity, and locality of the problem of genome annotation. Pattern Recognition and Image Analysis, 2010, V. 20(3): 386-395.

9. Торшин И.Ю., Громова О.А. Экспертный анализ данных в молекулярной фармакологии. М., Изд. МЦНМО, 2012, 768 с.

10. Bolton E, Wang Y, Thiessen PA, Bryant SH. 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. Wishart DS, Tzur D, Knox C, Eisner R, Guo AC, Young N, Cheng D, Jewell K, Arndt D, Sawhney S, Fung C, Nikolai L, Lewis M, Coutouly MA, Forsythe I, Tang P, Shrivastava S, Jeroncic K, Stothard P, Amegbey G, Block D, Hau DD, Wagner J, Miniaci J, Clements M, Gebremedhin M, Guo N, Zhang Y, Duggan GE, Macinnis GD, Weljie AM, Dowlatabadi R, Bamforth F, Clive D, Greiner R, Li L, Marrie T, Sykes BD, Vogel HJ, Querengesser L. HMDB: the Human Metabolome Database. Nucleic Acids Res. 2007;35(Databas:D521-D526.

12. Zhang D, Anantharam V, Kanthasamy A, Kanthasamy AG. Neuroprotective effect of protein kinase C delta inhibitor rottlerin in cell culture and animal models of Parkinson’s disease. J Pharmacol Exp Ther. 2007 Sep;322(3):913-22. PMID: 17565007

13. Goldstein DM, Gabriel T. Pathway to the clinic: inhibition of P38 MAP kinase. A review of ten chemotypes selected for development. Curr Top Med Chem. 2005;5(10):1017-29. PMID: 16178744

14. Samson K. LEE011 CDK Inhibitor Showing Early Promise in Drug-Resistant Cancers. Oncology Times. 36 (3): 39-40. doi:10.1097/01.COT.0000444043.33304.c1.

15. Walker F, Abramowitz L, Benabderrahmane D, Duval X, Descatoire V, Hénin D, Lehy T, Aparicio T (November 2009). «Growth factor receptor expression in squamous lesions: modifications associated with oncogenic human papillomavirus and human immunodeficiency virus». Human Pathology. 40 (11): 1517-27. PMID 19716155. doi:10.1016/j.humpath.2009.05.010

16. Liang W, Wu X, Fang W, Zhao Y, Yang Y, Hu Z, Xue C, Zhang J, Zhang J, Ma Y, Zhou T, Yan Y, Hou X, Qin T, Dinglin X, Tian Y, Huang P, Huang Y, Zhao H, Zhang L. Network meta-analysis of erlotinib, gefitinib, afatinib and icotinib in patients with advanced non-small-cell lung cancer harboring EGFR mutations. PLoS One. 2014 Feb 12;9(2):e85245. doi: 10.1371/journal.pone.0085245. PMID: 24533047

17. Xu K, Liu P, Wei W. mTOR signaling in tumorigenesis. Biochim Biophys Acta. 2014 Dec;1846(2):638-54. doi: 10.1016/j.bbcan.2014.10.007. Epub 2014 Nov 1. PMID: 25450580

18. Lamming DW, Ye L, Sabatini DM, Baur JA. Rapalogs and mTOR inhibitors as anti-aging therapeutics. J Clin Invest. 2013 Mar;123(3):980-9. doi: 10.1172/JCI64099. PMID: 23454761

19. Desrosiers MR, Weathers PJ. Effect of leaf digestion and artemisinin solubility for use in oral consumption of dried Artemisia annua leaves to treat malaria. J Ethnopharmacol. 2016 Aug 22;190:313-8. doi: 10.1016/j.jep.2016.06.041. PMID: 27340104