В связи с техническими работами в центре обработки данных, возможность загрузки и скачивания файлов временно недоступна.
 

Дизайн новых веществ для коррекции нарушений функций центральной нервной системыНИР

Design of novel compounds for the correction of disruption of the central nervous system function

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 24 апреля 2017 г.-31 декабря 2017 г. Дизайн новых веществ для коррекции нарушений функций центральной нервной системы
Результаты этапа: В ходе работы по проекту в 2017 году были уточнены структурные требования для молекулярного дизайна новых перспективных бивалентных положительных аллостерических модуляторов AMPA-рецептора. С помощью молекулярного докинга, анализа количественной связи «структура–активность» методами анализа топологии молекулярного поля (MFTA) и сравнительного анализа молекулярных полей (CoMFA), а также анализа фармакофора удалось получить согласованную картину структурных особенностей, необходимых для проявления высокой активности модулятора, включая общую форму молекулы, напоминающую скрученную скрепку, гидрофобное центральное ядро и полярные группы-акцепторы водородных связей в периферических частях молекулы (http://dx.doi.org/10.1016/j.mencom.2017.11.029). Разработана процедура виртуального скрининга положительных аллостерических модуляторов AMPA-рецептора на основе баз данных доступных соединений, обеспечивающая высокую точность и эффективность поиска. Она включает такие этапы, как подготовка базы данных лигандов (генерация состояний протонирования, стереоизомеров и конформаций), быстрое фильтрование по форме молекул, дополнительную генерацию конформеров и фильтрование с помощью молекулярного докинга, визуальный анализ структур лиганд-рецепторных комплексов на наличие тесных контактов, прогноз активности по модели CoMFA, оценку энергии связывания и прогноз фармако-кинетических параметров и токсичности. Для оценки аффинности отобранных соединений по отношению к AMPA-рецептору использовали моделирование молекулярной динамики и анализ полученных траекторий с помощью метода MM-PBSA. Оценку модуляторной активности соединений по отношению к AMPA-рецептору проводили с помощью модели CoMFA. Для оценки фармакокинетических параметров (проникновение вещества через гематоэнцефалический барьер и всасывание в тонком кишечнике человека) и риска кардиотоксичности, вызванной блокированием калиевого канала hERG, использовали нейросетевые модели, построенные нами ранее на основе фрагментных (подструктурных) дескрипторов, отражающих число вхождений в структуру соединения фрагментов различных типов (цепочки, циклы и разветвленные фрагменты с многоуровневой классификацией атомов, учитывающей их тип, валентное состояние, набор связей и число присоединенных атомов водорода). Эти модели опираются на обширные и точные обучающие выборки и обладают высокой предсказательной способностью и широкой областью применимости. На основе молекулярного моделирования и виртуального скрининга сформировано четыре фокусированных библиотеки соединений – потенциальных положительных аллостерических модуляторов AMPA-рецепторов: соединения, отобранные из базы данных ZINC, симметричные тетрагидрохинозалины, производные 1,4-дифеноксибензола и производные 1,4-ди-(4-изоксазолил)-бензола. Определен набор структур лигандов, имеющих оптимальное значение энергий связывания с аллостерическим сайтом AMPA-рецептора. Для всех соединений оценены расчетные значения констант связывания лигандов с аллостерическим сайтом AMPA-рецептора, полученные с помощью моделирования молекулярной динамики, а также величины модуляторной активности по отношению к AMPA-рецептору, прогнозируемые с помощью модели CoMFA. В ходе проекта разработаны и оптимизированы удобные препаративные подходы к синтезу предложенных в ходе компьютерного молекулярного дизайна перспективных структур потенциальных модуляторов AMPA-рецептора, включающих различные скаффолды и обладающих оптимальным набором прогнозируемых параметров. В частности, получены и подготовлены к первичным биологическим испытаниям 5 соединений, включая 3 производных пиримидина и 2 производных изоксазола димерного строения, которые представляют интерес в качестве лигандов AMPA-рецепторов. Для двух синтезированных соединений изучено действие на АМРA-рецепторы по величине изменения амплитуды каинат-индуцированного тока методом локальной фиксации потенциала (patch-clamp) на свежеизолированных нейронах Пуркинье, выделенных из мозжечков крыс. Полученные результаты подтверждают, что исследованные соединения оказывают модулирующее действие на AMPA-рецепторы. Предложенные в ходе проекта гибкие синтетические подходы в сочетании с уточнением процедур компьютерного молекулярного дизайна на основе полученных экспериментальных данных открывают путь для оптимизации структуры лигандов с целью выявления положительных аллостерических модуляторов AMPA-рецептора. По результатам исследований в рамках проекта опубликовано 2 статьи в изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science), «Скопус» (Scopus) и РИНЦ. Все запланированные в отчетном году научные результаты достигнуты.
2 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Дизайн новых веществ для коррекции нарушений функций центральной нервной системы
Результаты этапа: В ходе работы по проекту в 2018 году подготовлены уточненные модели связи «структура-активность» и процедуры компьютерного молекулярного дизайна аллостерических модуляторов AMPA-рецептора, опирающиеся на сочетание дополняющих друг друга методов анализа связи «структура–активность», молекулярного моделирования и виртуального скрининга. В частности, уточнена структура сайта связывания положительных модуляторов для проведения виртуального скрининга методом молекулярного докинга и начата разработка усовершенствованной модели для прогнозирования проникновения вещества через гематоэнцефалический барьер, имеющего критическое значение для дизайна нейроактивных соединений, которая отличается более высокой точностью и широкой областью применимости, а также обеспечивает удобный анализ структурных факторов, влияющих на такое проникновение. Рациональное сочетание возможностей различных методов позволило создать систему виртуального дизайна новых активных и селективных положительных аллостерических модуляторов АМРА-рецептора, с помощью которой будет проводиться молекулярный дизайн разрабатываемых в ходе данного проекта химических соединений, воздействующих на биологические мишени, ответственные за патологические состояния ЦНС. С помощью разработанной системы виртуального дизайна сконструирован ряд перспективных структур потенциальных модуляторов AMPA-рецепторов. На основе результатов моделирования молекулярной динамики, докинга, прогноза 3D-QSAR и фармакокинетических параметров сформирована фокусированная библиотека соединений, структуры с наилучшими прогнозируемыми свойствами отобраны для синтеза на следующем этапе проекта. В ходе проекта разработаны и оптимизированы удобные препаративные подходы к синтезу предложенных в ходе компьютерного молекулярного дизайна перспективных структур потенциальных модуляторов AMPA-рецептора, включающих различные скаффолды и обладающих оптимальным набором прогнозируемых параметров. В частности, в 2018 г. получены и подготовлены к биологическим исследованиям 13 новых соединений-кандидатов (моно- и биядерные производные тетрагидрохиназолина и аминоизоксазолов, биядерные производные ароматических диаминов и пиперониловой кислоты, производные триазатрициклотетрадекана). Для 13 соединений – предполагаемых модуляторов AMPA-рецепторов – осуществлена оценка активности электрофизиологическим методом локальной фиксации потенциала (patch-clamp) и методом радиолигандного связывания с применением меченого тритием положительного модулятора AMPA-рецепторов. Выявлено 3 структуры высокоактивных положительных модуляторов AMPA-рецепторов с принципиально новыми скаффолдами (в том числе одно соединение с субнаномолярной активностью и низкой цитотоксичностью), которые рекомендованы для дальнейших исследований. По результатам исследований в рамках проекта в 2018 г. опубликовано 2 статьи и принята к печати 1 статья (Q1) в изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science), «Скопус» (Scopus) и РИНЦ. Все запланированные в отчетном году научные результаты достигнуты.
3 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Дизайн новых веществ для коррекции нарушений функций центральной нервной системы
Результаты этапа: В ходе работы по проекту в 2019 году проведен анализ полученных ранее экспериментальных данных для уточнения закономерностей связи «структура-активность» и процедур компьютерного молекулярного дизайна, включая моделирование молекулярной динамики и анализ конформационного поведения АМРА-рецептора и сайта связывания модуляторов, что позволило скорректировать параметры молекулярного докинга для отбора перспективных структур. На основе компьютерного молекулярного дизайна с учетом результатов биологических исследований и дополняющих друг друга методов молекулярного моделирования и анализа связи «структура–активность» определены предпочтительные направления модификации и предложен ряд структур новых потенциально активных аллостерических модуляторов АМРА-рецептора. Разработана усовершенствованная модель для прогнозирования проникновения органических веществ через гематоэнцефалический барьер, имеющего критическое значение для дизайна нейроактивных соединений. Она опирается на применение глубоких нейронных сетей и фрагментных дескрипторов, отражающих число вхождений в структуру соединения фрагментов различных типов с многоуровневой классификацией атомов. Модель отличается более высокой точностью и широкой областью применимости по сравнению с моделями, опубликованными в литературе ранее. Программная реализация метода была использована для прогнозирования проникновения через гематоэнцефалический барьер исследуемых соединений. Разработаны и оптимизированы синтетические подходы и осуществлен синтез 14 новых соединений-кандидатов, отобранных на основе молекулярного моделирования для первичных или расширенных биологических исследований в качестве потенциальных модуляторов AMPA-рецептора, включая серии бис(пиримидинов) с гидрохиноновым и дитиольными линкерами, бис(изоксазолов) с гидрохиноновым линкером, производных трифторметансульфамида изоксазола, простых ароматических бис(эфиров) и производных 3,6,9-триазатрицикло[7.3.1.1]тетрадекан-4,8,12-триона, а также изучены подходы к ряду других соединений, представляющих интерес как потенциальные модуляторы AMPA-рецептора. Для проведения расширенных биологических исследований in vivo проведено масштабирование синтеза модулятора AMPA-рецептора – бис(амида) изомасляной кислоты и 1,4 бис(аминометил)бензола. Для 11 синтезированных соединений выполнены биологические исследования in vitro электрофизиологическим методом локальной фиксации потенциала (patch-clamp) по их влиянию на входящие трансмембранные токи нейронов Пуркинье, вызванные активацией расположенных на этих клетках AMPA-рецепторов при аппликации каиновой кислоты. Показано, что два исследованных соединения вызывают потенциацию токов AMPA-рецепторов, т.е. являются их положительными модуляторами, а максимальный эффект достигается в концентрации 10 9 М. Семь соединений оказывают блокирующее действие на токи AMPA-рецепторов, т.е. выступают в качестве отрицательных аллостерических модуляторов. Следует подчеркнуть, что такой результат – девять активных веществ из одиннадцати исследованных – вряд ли мог быть достигнут без целенаправленного синтеза структур, отобранных по результатам молекулярного моделирования. Для одного соединения проведены исследования активности in vivo с целью оценки его фармакологической активности в качестве ноотропа. Для этого изучено влияние соединения на обучение и память при хроническом введении с использованием таких методов, как открытое поле, распознавание новых объектов в процессе исследовательского поведения, водный лабиринт Морриса. По результатам трех поведенческих тестов на ноотропную активность in vivo можно сделать вывод, что животные, получавшие изучаемое соединение, активнее исследуют пространство по сравнению с контрольными животными. Кроме того, животные активнее проявляют тотальную исследовательскую активность по сравнению с контролем в тесте распознавания объектов, а также активнее обучаются по сравнению с контролем в тесте Морриса. Эти данные свидетельствуют о том, что соединение обладает ноотропной активностью. На основе результатов проведенных исследований, включая наличие ноотропной активности и отсутствие острой цитотоксичности, это соединение было выбрано в качестве соединения-лидера для проведения в дальнейшем ранних доклинических исследований. По результатам исследований в 2019 году опубликовано 4 статьи в изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science), «Скопус» (Scopus) и РИНЦ (в том числе 3 – в журналах Q1). Кроме того, одна статья направлена в печать и ряд статей готовится к печати. Результаты также были представлены на ведущих международных конференциях в области медицинской химии. Таким образом, план работ по проекту на 2019 год выполнен полностью.
4 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Дизайн новых веществ для коррекции нарушений функций центральной нервной системы
Результаты этапа: В ходе работы по проекту в 2020 году проведено моделирование молекулярной динамики комплексов димера лиганд-связывающего домена AMPA-рецептора с тремя структурно близкими лигандами, обладающими различным профилем активности, c целью уточнения способов связывания положительных и отрицательных модуляторов AMPA-рецептора, структуры и характера взаимодействия в сайтах связывания. Показано, что в ходе молекулярно-динамического моделирования в водной среде белок претерпевает быструю релаксацию, приобретая более развернутую и открытую структуру по сравнению с весьма компактной упаковкой субъединиц в кристалле. Получены указания на возможный молекулярный механизм действия таких модуляторов AMPA-рецептора и выявлены качественные различия в характере связывания и динамическом поведении его лиганд-связывающего домена при взаимодействии с неактивными лигандами, положительными модуляторами и отрицательными модуляторами, что открывает возможности для более углубленного анализа механизма функционирования рецептора, а также направленного поиска и дизайна модуляторов с заданным профилем активности. С использованием уточненных моделей структуры AMPA-рецептора и сайта связывания его аллостерических модуляторов выполнен молекулярный дизайн новых модуляторов, обладающих оптимальным связыванием с рецептором и набором прогнозируемых фармакокинетических параметров и физико-химических свойств. При этом рассматривали скаффолды и хемотипы соединений, перспективность которых была подтверждена предшествующими исследованиями, а также их модифицированные аналоги. Отобраны соединения, для которых по результатам молекулярного докинга возможно связывание с AMPA-рецептором в сайте связывания, характерном для его аллостерических модуляторов. Прогноз ключевых фармакокинетических параметров и физико-химических свойств показывает, что 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 синтез 10 новых соединений-кандидатов, отобранных на основе молекулярного моделирования для первичных или расширенных биологических исследований в качестве потенциальных модуляторов AMPA-рецептора, включая серии бис(пиримидинов) с гидрохиноновым линкером, бис(изоксазолов) с гидрохиноновым, дитиольным и диаминовым линкерами, бис(амидов) с фениленовым линкером и производных 3,6,9-триазатрицикло[7.3.1.1] тетрадекан-4,8,12-триона, а также изучены подходы к ряду других соединений, представляющих интерес как потенциальные модуляторы AMPA-рецептора. Для проведения расширенных биологических исследований in vivo проведено масштабирование синтеза и осуществлена наработка высокоактивного положительного модулятора AMPA-рецептора – бис(тетрагидрохиназолина) с гидрохиноновым линкером – в граммовых количествах. Для восьми синтезированных соединений выполнены биологические исследования in vitro электрофизиологическим методом локальной фиксации потенциала (patch-clamp) по их влиянию на входящие трансмембранные токи нейронов Пуркинье, вызванные активацией расположенных на этих клетках AMPA-рецепторов при аппликации каиновой кислоты. Показано, что пять исследованных соединений вызывают потенциацию токов AMPA-рецепторов, т.е. являются их положительными модуляторами. Одно из них начинает действовать в чрезвычайно низкой концентрации (10–12 М), а наибольшая потенциация (177%) наблюдается при очень низкой концентрации – 10–11 М. Три соединения оказывают блокирующее действие на токи AMPA-рецепторов, т.е. выступают в качестве отрицательных аллостерических модуляторов. Одно из них, по-видимому, является наиболее активным из известных на настоящий момент в мире: его действие начинается при концентрации 10–12 М и сохраняется в диапазоне 7 порядков, вплоть до концентрации 10–6 М, а наибольший блокирующий эффект наблюдается при концентрациях 10–10 – 10–6 М, когда оно вызывает блокаду токов АМРА-рецепторов примерно на 50%. Следует подчеркнуть, что такой результат – восемь активных веществ из восьми исследованных – вряд ли мог быть достигнут без целенаправленного синтеза структур, отобранных по результатам молекулярного моделирования. Для одного соединения выполнено исследование нейропротекторного действия in vitro в модели оксидативного стресса на культуре нейрональных клеток гиппокампа мыши линии НТ-22. Показано, что при внесении соединения сразу после повреждения клеток действием пероксида водорода значимый защитный эффект наблюдается в конечной концентрации до 10–6 М, а при внесении за 24 ч до Н2О2 – до 10–10 М.
5 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Дизайн новых веществ для коррекции нарушений функций центральной нервной системы
Результаты этапа: В ходе работы по проекту в 2021 году выполнено моделирование молекулярной динамики комплексов димерного лиганд-связывающего домена AMPA-рецептора с целым рядом лигандов, проявляющих разные типы активности (неактивные лиганды, положительные модуляторы и отрицательные модуляторы) и принадлежащих к различным химическим классам (как описанных в литературе, так и впервые полученных в ходе выполнения проекта), с целью анализа возможных молекулярных механизмов функционирования рецептора. Полученные результаты показывают, что для подавляющего большинства лигандов (независимо от типа активности) связывание в сайте связывания положительных аллостерических модуляторов на интерфейсе между субъединицами в димерном лиганд-связывающем домене остается стабильным в ходе молекулярно-динамического моделирования, хотя способ связывания может несколько меняться по сравнению с начальной структурой, полученной методом молекулярного докинга. Детальный анализ поведения ключевых параметров геометрии димерного лиганд-связывающего домена в ходе моделирования молекулярной динамики его комплексов с лигандами также не выявил значимых различий, которые могли бы объяснить различный тип активности лигандов, в том числе для родственных соединений. В то же время анализ возможной роли других сайтов связывания AMPA-рецептора, проведенный на примере структурно очень близких трициклических производных биспидина, указывает, что высокая положительная модуляторная активность одного из них, скорее всего, определяется взаимодействием с валидированным сайтом связывания положительных модуляторов димерного лиганд-связывающего домена, тогда как отрицательная модуляторная активность второго соединения может опосредоваться его взаимодействием с сайтом связывания отрицательных аллостерических модуляторов на интерфейсе между лиганд-связывающим и трансмембранным доменами. В целом полученные в ходе выполнения проекта результаты дают возможность предположить, что различные исследованные модуляторы потенциально способны взаимодействовать как с сайтом связывания положительных аллостерических модуляторов в AMPA-рецепторе, так и с другими сайтами связывания в глутаматных рецепторах (AMPA и каинатном), в частности, с сайтами связывания отрицательных модуляторов между лиганд-связывающим и трансмембранным доменом в AMPA-рецепторе, в сайте связывания TARP-зависимых модуляторов AMPA-рецептора, в аминоконцевом домене AMPA-рецептора, а также в сайте связывания димерного лиганд-связывающего домена в каинатном рецепторе. При этом наблюдаемый фармакологический профиль соединения будет определяться балансом взаимодействий с различными сайтами, что может объяснять сложный характер его зависимости от структуры. С использованием уточненных моделей структуры AMPA-рецептора и сайта связывания его аллостерических модуляторов выполнен молекулярный дизайн новых модуляторов, обладающих оптимальным связыванием с рецептором и набором прогнозируемых фармакокинетических параметров и физико-химических свойств. При этом рассматривали скаффолды и хемотипы соединений, перспективность которых была подтверждена предшествующими исследованиями, а также их модифицированные аналоги. Отобрано 12 соединений, для которых по результатам молекулярного докинга возможно связывание с AMPA-рецептором в сайте связывания, характерном для его аллостерических модуляторов. Прогноз ключевых фармакокинетических параметров и физико-химических свойств показывает, что 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 9 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 пиримидин-изоксазолов с гидрохиноновым линкером и бис(изоксазолов) с м-фенилен(дигидроксиметановым) и п-фенилен(диаминометановым) линкерами, осуществлена оптимизация синтеза и наработка ряда полученных ранее соединений для проведения расширенных биологических исследований in vitro и in vivo, а также изучены подходы к ряду других соединений, представляющих интерес как потенциальные модуляторы AMPA-рецептора. Для семи синтезированных соединений выполнены биологические исследования in vitro электрофизиологическим методом локальной фиксации потенциала (patch-clamp) по их влиянию на входящие трансмембранные токи нейронов Пуркинье, вызванные активацией расположенных на этих клетках AMPA-рецепторов при аппликации каиновой кислоты. Показано, что пять соединений вызывают концентрационно-зависимую потенциацию токов АМРА-рецепторов, т.е. являются их положительными модуляторами. Два из них начинают действовать в чрезвычайно низкой концентрации (10–12 М), наибольшая потенциация токов (более чем на 60%) достигается в очень низкой концентрации (10–9 М), а при дальнейшем увеличении концентрации до 10–6 М происходит уменьшение, но не устранение или инверсия его потенцирующего влияния на АМРА токи нейронов Пуркинье. Два соединения оказывают блокирующее действие на токи АМРА-рецепторов, т.е. являются отрицательными аллостерическими модуляторами АМРА-рецепторов. Их действие начинается при концентрации 10–12 М и продолжается в диапазоне 7 порядков, нарастая с увеличением концентрации вплоть до концентраций 10–7 – 10–6 М, при которых блокада токов АМРА-рецепторов достигает 50%. 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. Для одного соединения исследование ноотропной активности in vivo в тесте Морриса достоверно показало его положительное влияние на формирование памяти у крыс в дозе 1 мг/кг. Исследование in vivo противоэпилептической активности на мышах в модели индукции эпилепсии пентилентетразолом позволило найти новое соединение (отрицательный модулятор AMPA-рецепторов), которое в дозе 0.01 мг/кг показывает выраженную противоэпилептическую активность наравне с препаратом сравнения – вальпроевой кислотой. На основе результатов проведенных исследований два соединения, учитывая наличие у одного из них противоэпилептической, а у другого – ноотропной активности, а также отсутствие острой токсичности, выбраны для проведения в дальнейшем расширенных биологических и ранних доклинических исследований.

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".