3D ФАРМАКОФОРЫ ИНГИБИОТОРОВ ЦИКЛООКСИГЕНАЗЫ-2, ПОЛУЧЕННЫЕ ИЗ ЗАКРИСТАЛЛИЗОВАННЫХ ФЕРМЕНТ-ЛИГАНДЫХ КОМПЛЕКСОВ

Полный текст

Введение Нестероидные противовоспалительные препараты (НПВП) в настоящее время являются одними из самых востребованных лекарственных средств. Механизм действия современных НПВП главным образом направлен на ингибирование фермента циклооксигеназа-2 (ЦОГ-2). Разработка новых ингибиторов ЦОГ-2, в том числе на этапе виртуального скрининга, в связи с наличием серьёзных противопоказаний и побочных реакций, уже существующих является весьма актуальной задачей. Фармакофорное моделирование, как одна из разновидностей виртуального скрининга, позволяет выявить пространственные и электронные особенности молекулы, наличие которых объясняет её соответствующую биологическую активность и даёт объяснение, почему взаимодействие структурно разнородных молекул-лигандов с одним и тем же рецептором или ферментом будет приводить к одному и тому же биологическому эффекту [1]. Пространственные (3D) фармакофоры, извлечённые из экспериментальных структур лиганд-ферментных комплексов, несмотря на свою высокую специфичность, обладают неоспоримым преимуществом по сравнению с другими видами фармакофоров, т.к. наличие таких структур позволяет более достоверно выявить механизм межмолекулярного взаимодействие фермента и лиганда, а тем самым и определить соответствующие фармакофорные центры. Цель работы - получение 3D фармкофоров ингибиторов ЦОГ-2 на основе лиганд-ферментных комплексов. Методика Для получения 3D фармакофоров были загружены с интернет-сайта Protein Data Bank (https://www.rcsb.org/) закристализованные структуры фермент-лигандных комплексов ЦОГ-2 с соответствующими ингибиторами, полученные с помощью рентгеноструктурного анализа. Для валидации фармакофоров использовался набор из структур 953 ингибиторов и 23135 тестовых «лигандов-приманок» ЦОГ-2, загруженных из химической базы данных DUD-E (https://dude.docking.org/). Лиганды-приманки представляют собой соединения, схожие по физическим свойствам с ингибиторами, но отличающиеся от них по химической структуре. Данные структуры были получены в работе [5] с целью оценки возможных ложноположительных результатов виртуального скрининга. Для систематизации полученных результатов была выполнена их кластеризация и выравнивание. Кластеризация полученных фармакофоров выполнена сеточным методом МакКуитти с шагом сетки 10-10 м. Кластеризация и выравнивание выполнялись периодически друг за другом с последовательным уменьшением количества кластеров по мере увеличения количества выравненных фармакофоров. Валидация объединённых фармакофоров выполнена с помощью ROC анализа. Извлечение, кластеризация, выравнивание, объединение и валидация фармакофоров выполнялась в компьютерной программе Schrodinger Suite (модули Phase и Ligand alignment). Результаты исследования и их обсуждение Лиганды и фармакофоры, извлечённые из лиганд-ферментных комплексов приведены в табл. 1, на изображениях в которой фармакофорные центры (далее центры) обозначены следующим образом: гидрофобные связи - в виде тёмно-серых шаров, донорные связи - в виде тёмно-серых шаров со стрелками, указывающими в направлениях к ним, акцепторные связи - в виде тёмно-серых шаров со стрелками, указывающими в направлениях от них, ароматические кольца - в виде тёмно-серых торов, исключенные объёмы - полупрозрачными светло-серыми сферами на заднем фоне за молекулыми. Таблица 1. Структурная формула лигандов и 3D фармакофоры, извлечённые из лиганд-ферментных комплексов Лиганд, ингибирующий ЦОГ-2 Структурная формула и 3D фармакофор лиганда Разрешение, 10-10 м PDB код, литературный источник 1 2 3 4 Дезметилфлурбипрофен 2,81 4FM5 [12] Диклофенак 2,90 1PXX [7] Ибупрофен 1,81 4PH9 [11] Изоксикам 2,01 4M10 [12] Индометацин 2,90 4COX [4] Лумиракоксиб 2,35 4OTY [16] Меклофенамовая кислота 2,41 5IKQ [7] Напроксен 1,73 3NT1 [2] (R)-напроксен 2,40 3Q7D [2] Продолжение таблицы 1 1 2 3 4 Индометацин-бутилдиаминдансил 2,22 6BL3 [15] Индометацин-этилендиаминдансил 2,22 6BL4 [15] Мелоксикам 2,45 4M11 [12] Мефенамовая кислота 2,34 5IKR [7] Рофекоксиб 2,70 5KIR [8] Толфенамовая кислота 2,45 5IKT [7] Флуфенаминовая кислота 2,51 5IKV [7] Флурбипрофен 2,50 3PGH [7] (R)-Флурбипрофен 2,84 3RR3 [2] Целекоксиб 2,40 3LN1[16] S-ибупрофен 2,81 4RS0 [1] N-{(Сукцинил-подофиллотокси-нил) 4-бутил}-2-{1-(4-хлорбензоил)-5-метокси-2-метил-1Н-индол-3-ил} ацетамид 2,11 4OTJ [12] Окончание таблицы 1 1 2 3 4 SC-558 3,00 1CX2 [4] S-ARN-2508 2,27 5W58 [18] 5c-S 2,20 3LN0 [16] 23d-(R) 2,19 3NTG [16] 4,9-дигидро-3Н-пиридо[3, 4-b] индол 2,66 6V3R [17] 6-метилтио-напроксен 2,27 3NTB [2] Приведённые в табл. 1 фармакофоры могут включать в том числе неважные центры, описывающие взаимодействия лиганда с аминокислотными остатками фермента, не связанные с механизмом его ингибирования. В связи с этим в объединенные фармакофоры включаются только центры, встречающиеся сразу во всех выравненных фармакофорах в пределах каждого кластера и совпадающие друг с другом при наложении с точностью 3,10-10 м. Заданная точность равна наихудшему разрешению результатов рентгеноструктурного анализа. Результаты кластеризации, выравнивания и объединения фармакофоров приведены в табл. 2. В качестве результатов валидации в табл. 3 приведены значения процентов выявленных лиганд и площадей AUC, образуемых ROC-кривыми, а на рис. 1 а-г соответствующие ROC-кривые. Результаты валиации фармакофоров можно считать положительными при 0,6 ≤ AUC ≤ 1 [5]. Данному требованию удовлетворяют фармакофоры №1 и №3 и их можно считать прошедшими валидацию. Фармакофору №1 в наибольшей степени соответствует рофекоксиб, а фармакофору №3 напроксен и его производные. В связи с данным фактом следует отметить, что рофекоксиб, более известный как Виокстм, несмотря на то, что был отозван с фармацевтического рынка во всём мире из-за серьёзных побочных действий, является весьма перспективным соединением и целесообразен детальный токсофорный анализ его химической структуры с последующей её молекулярной модификацией. Высокий процент истинно положительных и отрицательных результатов валидации фармакофоров №1 и №2 делает их использование целесообразным при поиске новых ингибиторов ЦОГ-2. Фармакофор №2 не прошёл валидацию, но заслуживает отдельного внимания. Фактически он объединяет в себе центры фармакокофоров №1 и №2 и тоже может быть использован при поиске новых ингибиторов, если при проведении виртуального скрининга снизить требования совпадения в нём только для двух, а не для трёх центров. Таблица 2. Результаты кластеризации, выравнивания и объединения полученных фармакофоров № кластера Выравнивание Объединённый фармакофор Лиганды, соответствующие объединённому фармакофору 1 Изоксикам; индометацин-бутилдиаминдансил; индометацин-этилендиаминдансил; лумиракоксиб; меклофенамовая, мефенамовая кислота; мелоксикам; рофекоксиб; целекоксиб; N-{(сукцинил-подофилло-токсинил) 4-бутил}-2-{1-(4-хлор-бензоил)-5-метокси-2-метил-1H-индол-3-ил} ацетамид; SC-558; 4,9-дигидро-3H-пиридо [3, 4-b] индол 2 Дезметилфлурбипрофен; S-ARN-2508 3 Диклофенак; ибупрофен; индометацин; напроксен; толфенамовая, флуфенаминовая кислота; флурбипрофен; S-ибупрофен; 5C-S; 6-метилтио-напроксен; 23d-(R); (R)-напроксен; (R)-флурбипрофен Таблица 3. Результаты валидации полученных фармакофоров № кластера и объединённого фармакофора Выявленный% лигандов AUC Истинно положительных Истинно отрицательных Ложнополо-жительных Ложноотри-цательных 1 92,44 88,64 11,36 7,56 0,83 2 21,83 97,87 2,13 78,17 0,22 3 77,33 86,93 13,07 22,67 0,72 Совокупное значение по всем фармакофорам 93,49 63,26 36,74 6,51 0,84 Заключение В результате выполненного в настоящей работе исследования на основании структур лиганд-ферментных комплексов были получены и валидированы 3D фармакофоры ингибиторов ЦОГ-2. Результаты работы имеют практическую значимость на этапе виртуального скрининга при разработке новых НПВП, а также оценки потенциальной противовоспалительной активности уже существующих соединений. Рис.1. ROC-кривые, полученные по результатам объединенных фармакофоров: а) №1; б) №2; в) №3; г) совокупные результаты (по всем фармакофорам)

Об авторах

Артур Валерьевич Сауц

Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет; Санкт-Петербургский университет технологий управления и экономики

Email: email@example.com
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры процессов и аппаратов химической технологии ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет» Минздрава России, доцент кафедры медиакоммуникаций и рекламы ЧОУ ВО «Санкт-Петербургский университет технологий управления и экономики» Россия, 197022, Санкт-Петербург, вн.тер.г. муниципальный округ Аптекарский остров, ул. проф. Попова, 14а

Список литературы

Дополнительные файлы