Управление профилем активности модуляторов глутаматергической системы как метод создания нейрофармакологических агентовНИР

Controlling the activity profile of the glutamatergic system modulators as a method for the creation of neuropharmacological agents

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 11 мая 2022 г.-31 декабря 2022 г. Управление профилем активности модуляторов глутаматергической системы как метод создания нейрофармакологических агентов
Результаты этапа: В ходе работы по проекту в 2022 году для серии структур вероятных модуляторов AMPA-рецептора проведено моделирование молекулярной динамики и детальный анализ характера и энергии взаимодействия в их комплексах с сайтом связывания положительных аллостерических модуляторов на интерфейсе между субъединицами в димерном лиганд-связывающем домене. Это позволило уточнить факторы, которые потенциально могут определять профиль модуляторной активности родственных соединений, и сформулировать гипотезу, что для проявления высокой положительной модуляторной активности молекула лиганда должна достаточно стабильно связываться в центральном или центральном и боковом карманах сайта связывания, при этом желательна свободная энергия связывания MM-GBSA порядка –40 ккал/моль или лучше. В то же время общей отрицательной модуляторной активности способствуют излишняя экспонированность лиганда в раствор и расхождение субъединиц рецептора, а также менее выгодные значения энергии связывания. С использованием уточненных моделей структуры AMPA-рецептора и сайтов связывания его аллостерических модуляторов выполнен молекулярный дизайн новых модуляторов, обладающих оптимальным связыванием с рецептором и набором прогнозируемых фармакокинетических параметров и физико-химических свойств, причем для рассматриваемых соединений в принципе возможно связывание в сайтах, характерных как для положительных, так и для отрицательных аллостерических модуляторов. На основе молекулярного моделирования и виртуального скрининга сформированы три фокусированных библиотеки соединений – потенциальных положительных и отрицательных аллостерических модуляторов глутаматергической системы, и определен набор структур лигандов, имеющих оптимальное значение энергий связывания с различными сайтами связывания глутаматергической системы. На основе моделирования молекулярной динамики выполнены расчеты значений свободных энергий и констант связывания лигандов с аллостерическими сайтами рецепторов глутаматергической системы для обширного и представительного набора структур модуляторов. В результате проведения молекулярной динамики и детального молекулярного моделирования комплексов лигандов с сайтами связывания рецепторов глутаматергической системы отобран ряд перспективных структур, для которых получены данные прогноза ADMET-параметров. Для большинства соединений набор этих параметров близок к оптимальному или, по крайней мере, является приемлемым для соединений-лидеров на ранних этапах разработки лекарств для коррекции нарушений функций центральной нервной системы, хотя в ряде случаев может потребоваться дополнительная оптимизация некоторых параметров. Разработаны и оптимизированы синтетические подходы и осуществлен многостадийный синтез 7 новых соединений-кандидатов, отобранных на основе молекулярного моделирования для первичных или расширенных биологических исследований в качестве потенциальных модуляторов AMPA-рецептора, включая серии бис(пиримидинов) и трициклического производного биспидина с индановым фрагментом, осуществлена оптимизация синтеза и наработка ряда соединений, а также изучены синтетические подходы к ряду других соединений, представляющих интерес как потенциальные модуляторы AMPA-рецептора. Для семи синтезированных соединений электрофизиологическим методом patch clamp было изучено модулирующее действие на ответы (ионные токи) АМРА-рецепторов в нейронах головного мозга млекопитающих. Все исследованные соединения оказались активными. В широком диапазоне концентраций (10–11 – 10–7 М) они вызывают концентрационно-зависимую потенциацию токов АМРА-рецепторов, т.е. являются их положительными модуляторами. Два наиболее активных соединения обеспечивают наибольшую потенциацию в диапазоне концентраций 10–11 – 10–9 М (максимальная потенциация +53% в концентрации 10–9 М) и 10–10 – 10–7 М (максимальная потенциация +77% в концентрации 10–9 М). Характерной особенностью новых соединений является чрезвычайно широкий диапазон концентраций (5–7 порядков), на протяжении которого модуляция токов АМРА-рецепторов сохраняется почти неизменной, и отсутствие блокирующего эффекта в максимальной исследованной для положительных модуляторов концентрации 10–6 М. Следует подчеркнуть, что такой результат – семь активных веществ из семи исследованных – вряд ли мог быть достигнут без целенаправленного синтеза структур, отобранных по результатам молекулярного моделирования. По результатам исследований опубликовано 2 статьи в изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science) или «Скопус» (Scopus) (в том числе 1 – в журналах Q1). Кроме того, ряд статей готовится к печати. Таким образом, план работ на 2022 год выполнен полностью и все запланированные научные результаты достигнуты.
2 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Управление профилем активности модуляторов глутаматергической системы как метод создания нейрофармакологических агентов
Результаты этапа: В ходе работы по проекту в 2023 году проведен детальный анализ возможностей взаимодействия модуляторов с ключевыми сайтами связывания AMPA-рецепторов и возможных молекулярных механизмов их действия с помощью методов моделирования молекулярной динамики. Показано, что для профиля активности отсутствуют простые корреляции не только со значением оценочной функции докинга, но и с положением лиганда в сайте связывания, смещением молекулы в ходе молекулярно-динамической траектории или оценкой свободной энергии связывания MM/GBSA. В то же время подтверждена применимость к AMPA-рецептору и перспективность подхода, связывающего различия в профиле активности положительных модуляторов с тонкими различиями в динамическом поведении субъединиц рецептора, которые, в свою очередь, могут влиять на его открытие, закрытие и десенситизацию. Кроме того, установлена возможность связывания и потенциальная значимость для действия соединений недавно обнаруженного сайта отрицательных модуляторов в аминоконцевом домене. Эти результаты открывают новые возможности для более углубленного анализа механизма функционирования рецептора, а также позволяют уточнить и объяснить закономерности связи «структура-активность» с учетом вновь полученных биологических данных и сформулировать подходы к направленному поиску и дизайну модуляторов с заданным профилем активности. С применением метода анализа главных компонент (PCA) построена модель связи «структура–активность», устанавливающая соотношение между профилями активности положительных модуляторов AMPA-рецептора и их энергиями связывания MM/GBSA и геометрическими параметрами взаимного расположения субъединиц в их комплексах с рецептором (усредненными по времени значениями углов и расстояний между ключевыми элементами их вторичной структуры). Обнаружено наличие корреляции между профилем активности и положением соединений в пространстве главных компонент: высокоактивные положительные модуляторы (и, в меньшей степени, отрицательные модуляторы) AMPA-рецептора группируются в области высоких положительных значений первой компоненты, тогда как умеренно активные положительные модуляторы и неактивные соединения находятся в области отрицательных значений первой компоненты. После уточнения эта модель позволит прогнозировать профиль активности и на этой основе проводить направленное конструирование и оптимизацию как положительных, так и отрицательных активных и селективных модуляторов. В структуру системы виртуального дизайна новых аллостерических модуляторов глутаматергической системы были включены элементы, обеспечивающие анализ траекторий молекулярной динамики комплексов лигандов с мишенями и расчет по ним различных параметров, что позволит учитывать при скрининге как прогнозируемые энергии связывания, так и параметры структуры мишеней. После уточнения моделей это позволит проводить направленное конструирование и оптимизацию как положительных, так и отрицательных активных и селективных модуляторов AMPA-рецептора, обладающих хорошим прогнозируемым связыванием с рецептором и приемлемыми ADMET-свойствами. Кроме того, выполнена углубленная оптимизация структур потенциальных модуляторов AMPA-рецептора в ряду бис(пиримидинов) с гидрохиноновым линкером. Для синтеза были рекомендованы три структуры, обладающие хорошим прогнозируемым связыванием с сайтом положительных модуляторов рецептора по данным молекулярного докинга, моделирования молекулярной динамики и оценки свободной энергии связывания методом MM/GBSA, а также приемлемыми ADMET-свойствами. Разработана фокусированная библиотека потенциальных модуляторов AMPA-рецептора в рядах производных биспидина с индановым фрагментом, а также бис(изоксазолов) и бис(сульфонамидов) с бифенильным линкером, обладающих оптимальным прогнозируемым связыванием с рецептором и приемлемым набором прогнозируемых физико-химических и ADMET-свойств (всего 12 соединений) для дальнейшего синтеза и исследования. Разработаны и оптимизированы синтетические подходы и осуществлен многостадийный синтез 13 новых соединений-кандидатов, отобранных на основе молекулярного моделирования для первичных или расширенных биологических исследований в качестве потенциальных модуляторов AMPA-рецептора, включая серии бис(изоксазолов) с бифенильными и дитиольными линкерами, бис(сульфонамидов) с бифенильными линкерами, бис(пиримидинов) с гидрохиноновым линкером и трициклических производных биспидина с индановым фрагментом, осуществлена оптимизация синтеза и наработка ряда полученных ранее соединений, а также изучены синтетические подходы к ряду других соединений, представляющих интерес как потенциальные модуляторы AMPA-рецептора. Для пяти синтезированных соединений электрофизиологическим методом patch clamp изучено модулирующее действие на ответы (ионные токи) АМРА-рецепторов в нейронах головного мозга млекопитающих. Все исследованные соединения оказались активными. Четыре соединения в широком диапазоне концентраций (10–11 – 10–6 М) вызывают концентрационно-зависимую потенциацию токов АМРА-рецепторов, т.е. являются их положительными модуляторами, причем для наиболее активного соединения достигается потенциация на +77% в концентрации всего 0.1 нМ. Одно соединение в зависимости от действующей концентрации способно увеличивать токи (10–12 – 10–8 М, максимальная потенциация +52% при концентрации 1 нМ) или уменьшать их (10–7 – 10–6 М, максимальное снижение –38% при концентрации 0.1 мкМ). Следует подчеркнуть, что такой результат – пять активных веществ из пяти исследованных – вряд ли мог быть достигнут без целенаправленного синтеза структур, отобранных по результатам молекулярного моделирования. Для двух перспективных синтезированных соединений проведены исследования на острую токсичность с использованием МТТ-теста. Данные соединения были выбраны как обладающие высокой положительной модуляторной активностью в субнаномолярных концентрациях (по данным электрофизиологических экспериментов) и приемлемыми прогнозируемыми значениями фармакокинетических параметров, в том числе способностью проникать через гематоэнцефалический барьер. Одно из соединений показало значительную и устойчивую выживаемость клеток в диапазоне концентраций от 1 мМ до 10 мкМ. Для двух перспективных соединений проведено исследование связывания с потенциальными мишенями методом радиолиганд-рецепторного анализа с использованием в качестве эталонного лиганда меченого тритием высокоэффективного положительного аллостерического модулятора АМРА-рецепторов. Показано, что они с высокой эффективностью связываются с теми же мишенями, что и эталонный положительный аллостерический модулятор, причем полученные данные указывают на возможность синергического кооперативного эффекта при их одновременном действии, обусловленного изменением конформации биомишени. Для одного перспективного соединения проведены исследования нейропротекторной активности на модели вызванного перекисью водорода окислительного стресса в культуре гиппокампальных клеток линии HT-22. Показано, что при внесении вещества как за 24 часа до перекиси водорода, так и непосредственно после добавления перекиси водорода значимый уровень защиты клеток от повреждения обеспечивается в диапазоне концентраций 10–8 – 10–10 М. По результатам исследований опубликовано 3 статьи в журналах Q1, индексируемых на Web of Science и Scopus. Результаты работы по гранту представлены на 5 конференциях (один приглашенный доклад, 3 устных и 1 стендовый). Таким образом, план работ на 2023 год выполнен полностью и все запланированные научные результаты достигнуты.
3 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Управление профилем активности модуляторов глутаматергической системы как метод создания нейрофармакологических агентов
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".