«Короткоживущие парамагнитные интермедиаты лекарств. Строение, свойства, роль в живых системах»
Лёшина Т.В., Агеева А.А., Храмцова Е.А., Круппа А.И., Степанов А.А., Шлотгауэр А.А., Петрова С.С., Бабенко С. В., Плюснин В.Ф., Поляков Н.Э.
1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность
Значительная роль, которую играют активные короткоживущие частицы с неспаренными электронами (свободные и ион-радикалы, парамагнитные ионы) в функционировании живых организмов в норме и патологии сегодня не вызывает сомнений. Соответственно, строение и свойства активных форм кислорода, ROS (reactive oxygen species), играющих существенную роль в процессах старения организма, а также ответственных за т.н. окислительный стресс, детально изучены различными методами, начиная с биохимических и медицинских, и кончая современными физико-химическими с временным разрешением. Существенно меньше известно об активных парамагнитных интермедиатах лекарств, образующихся в процессах их функционирования в организме при взаимодействии с ферментами, рецепторами и транспортными белками, а также при метаболизме. Согласно современным представлениям, эти взаимодействия нередко приводят к образованию состояний с частичным и полным переносом заряда (КПЗ, одноэлектронный перенос), вместе с тем процессы окислительного метаболизма лекарств под действием ряда цитохромов также включают радикальные стадии. Кроме того, побочные нежелательные эффекты препаратов, обладающих хромофорными группировками, во многом определяют образующиеся под действием света радикальные формы, поэтому информация о структуре и свойствах последних весьма востребована. Представленный цикл из трех работ посвящен трем примерам, демонстрирующим возможности использования комплекса современных физикохимических методов для исследования актуальных для медицины проблем: установления молекулярного механизма действия препаратов, и нежелательных побочных процессов, происходящих при УФ облучении.
2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение
В настоящем цикле изучаются парамагнитные формы трех действующих лекарственных препаратов, и кандидатов на эту роль, т.н. prodrugs, с целью установления их возможных ролей в живых системах, как положительных (антиоксидантов), так и отрицательных (фототоксических агентов). В работах изучаются следующие лекарственные соединения: противолипидемический препарат -аторвастатин, модифицированные лаппаконитины на основе алкалоидов, выделенных из аконита, и хиральный нестероидный противовоспалительный препарат (НПВП) напроксен в составе связанной системы. Все перечисленные препараты в настоящее время также интенсивно исследуются биохимическими и фармакологическими методами, которые предоставляют информацию о том, на какие системы в организме, и как именно, эти лекарства воздействуют. В этой связи использование модельных систем, симулирующих отдельные стадии взаимодействия лекарства с биомолекулами, призваны ответить на вопросы об элементарных превращениях самих лекарств, которые, как правило, нельзя наблюдать биохимическими методами, а также о физических взаимодействиях, лежащих в основе связывания лекарства с биомолекулами.
3. Используемый подход, его новизна и оригинальность
Парамагнитные формы лекарственных соединений генерируются фотооблучением растворов донорно –акцепторных систем, где лекарство играет роль донора или акцептора, а в случае лаппконитина и его замещенных, само соединение является донорно -акцепторной системой. Идентификация парамагнитных частиц осуществляется с использованием методов фотохимии, ЯМР и спиновой химии. Подход, использующий для изучения молекулярных механизмов действия ферментов и лекарств модельные фотоинициируемые процессы, был разработан коллективом авторов представленной работы ранее, и впервые применен в работе: M. B. Taraban, T.V. Leshina, M.A. Anderson, C.B. Grissom. J. Am. Chem. Soc. 119, 5768 (1997). С тех пор он подвергся существенной модификации, в части включения время разрешенных методик тушения флуоресценции и ХПЯ. Особенностью этого цикла является добавление к методам фотохимии и ХПЯ углубленного анализа формы линий мультиплетов в ЯМР спектрах для идентификации оптических изомеров в хиральных связанных системах.
4. Полученные результаты и их значимость
Первая работа посвящена исследованию антиоксидантной способности известного антигиперлипидемического препарата - аторвастатин (АТ). Согласно современной точке зрения, статины не только снижают уровень холестерина в живых системах, но и значительно улучшают состояние стенок сосудов за счет своей антиоксидантной активности. Многочисленные биохимические и клинические исследования подтверждают антиоксидантные свойства статинов, однако молекулярные механизмы не могут быть установлены этими методами. Первый молекулярный механизм антиоксидантного действия на примере аторвастатина был предложен в данной работе (2015) в результате изучения взаимодействия аторвастатина с короткоживущими свободными радикалами, генерированными в модельной системе. Свободные радикалы образовывались при фотолизе ацетофенона (АЦ). Методом ХПЯ было установлено, что присутствие в растворе AT изменяет механизм фотоиндуцированного превращения AЦ с Норриш тип I на процесс фотовосстановления, и продемонстрировано, что АТ является ловушкой коротко живущих кетильных радикалов. Детальный анализ строения парамагнитных интермедиатов и продуктов их превращений позволил установить, что кетильные радикалы отрывают атомы водорода от остатка дигидроксигептановой кислоты в молекуле АТ. Также показана последующая быстрая рекомбинация кетильных радикалов и двух типов радикалов АТ. Таким образом, продемонстрированы антиокисдантные свойства АТ. Поскольку дигидроксигептановый фрагмент содержит большинство статинов, то установленный механизм действительно может быть одним из путей антиоксидантного действия этих препаратов в живых системах.
Во второй работе исследуются фотофизические свойства, биологически активного алкалоида -дитерпеноида, лаппаконитина (ЛК), являющегося эфиром антраниловой кислоты (АА), и ряда его производных. Ранее было установлено, что ЛК под воздействием фотооблучения разлагается с образованием короткоживущих парамагнитных интермедиатов – источников побочных эффектов лекарства. С другой стороны, известно, что фотостабильность эфиров АА сильно зависит от строения, и многие из них устойчивы к УФ облучению. В работе предпринята попытка воздействия на фотостабильность ЛК, варьированием заместителей в антраниловом и дитерпеновом фрагментах.
В третьей работе обнаружено спонтанное изменение оптической конфигурации (хиральная инверсия) R энантиомера известного НПВП - напроксена (S), происходящее в бирадикале, образующемся при УФ облучении диады «напроксен – триптофан». Поскольку большинство НПВП, энантиомеры которых обладают различными лечебными свойствами, используются в виде рацематов, проявление хиральной инверсии для них будет означать изменение лечебной дозы препарата. Таким образом, факт обнаружения фотоиницируемой хиральной инверсии имеет значение для фармакологии.
5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым
По материалам этих работ в 2019г. сделано два приглашенных докладов на международных конференциях: “5th Edition of Global conference on Pharmaceutics and Drug Delivery Systems” Париж 2019. Предложено выступить с приглашенным докладом "The study of practically important radical processes by spin chemistry methods" на «The 6th World Congress of Smart Materials-2020» Barcelona, Spain.
Работа поддержана грантами: РФФИ 16-33-00412 и РНФ 18-13-00047.
6. Список работ
1. A. A. Schlotgauer, S. S. Petrova, .А. I. Kruppa, T. V. Leshina, Photoinduced Interaction of Atorvastatin with Acetophenone, Appl Magn Reson.,2015, 46,219–237.
2. Ageeva A., Khramtsova E., Plyusnin V., Stepanov A., Leshina T., Photochemical approach for evaluating the substituted lappaconitines reactivity, Photochemical & Photobiological Sciences, 2018, 17,192-199.
3. A. A. Ageeva, S. V. Babenko, N. E. Polyakov, T. V. Leshina, NMR study of photoinduced chiral inversion in (R)/(S)-naproxen-(S)-tryptophan dyad, Mendeleev Commun. 2019, 29, 260 -262.