Influence of the compounds enantiomeric form on their biological activity.pdf Введение Одной из ключевых проблем современной органической и биоорганической химии является определение взаимосвязи между стереоспецифиче- 49 А. Г. Гасанов, И. Г. Аюбов, Г.Э. Гаджиева, Ф.С. Гурбанова ским строением соединений и их биологически активными свойствами. В представленной работе приведены некоторые результаты исследований в этой области, осуществленные в последние десятилетия, а также представлены результаты собственных исследований. Стереохимия является одним из важнейших аспектов фармакологии, поскольку она определяет, как энантиомеры взаимодействуют с биологическими системами. Хиральность очень важна при разработке лекарств. Энантиомеры одного и того же хирального лекарственного средства могут иметь разные фармакодинамические и / или фармакокинетические свойства. В этом контексте замена некоторых существующих рацематов одиночными изомерами привела к улучшению профиля безопасности и / или эффективности различных рацематов. Использование одного энантиомера потенциально может привести к более простым и более селективным фармакологическим профилям, улучшенным терапевтическим индексам, более простой фармакокинетике из-за разной скорости метаболизма различных энантиомеров, уменьшения лекарственного взаимодействия, а фармацевтические компании все чаще используют хиральное переключение в качестве маркетинговой стратегии. Кроме того, из-за различной фармакологической активности энантиомеры хиральных препаратов могут различаться по токсичности. Причем в некоторых случаях хирального переключения сообщалось о непредсказуемой токсичности, что привело к изъятию энантиомера с рынка или остановке его разработки [1]. Отделение предпочтительного энантиомера от рацемических смесей, т.е. «хиральное переключение», часто улучшает эффективность и снижает токсичность. Однако эта стратегия неприменима для всех хиральных соединений, особенно для молекул с водородсодержащими хиральными центрами, которые могут быть склонны к быстрой стереоизомеризации. Включение дейтерия может стабилизировать такие хиральные центры, сохраняя при этом фармакологические характеристики исходной рацемической смеси, тем самым делая возможным их «хиральное переключение», превращая лекарство из рацемата в единственный энантиомер. В работе [2] авторы описывают «дейтериевое хиральное переключение» как средство улучшения терапевтических возможностей химически нестабильных рацемических препаратов и демонстрируют его полезность при выделении и характеристике стабильных предпочтительных энантиомеров - аналогов талидомида и тиазолидиндиона. 50 Влияние энантиомерной формы соединений на их биологическую активность Отмечается, что лекарства, содержащие один или несколько хиральных центров, существуют в стереоизомерных молекулярных формах. Чаще всего лекарства, содержащие один асимметричный атом углерода, существуют в двух энантиомерных формах, обозначенных как эутомер (более сильный) и дистомер (менее сильный). Помимо различий в эффективности и других фармакодинамических свойствах, большинство членов энантиомерных пар обычно различаются также по своим фармакокинетическим профилям. В статье [3] рассматриваются факторы, лежащие в основе различий в фармакологических свойствах энантиомеров. Также рассматривается актуальность таких различий для исследований, предназначенных для оценки биоэквивалентности продуктов, содержащих хиральные препараты. В работе [4] сообщается об энантиомерах амфетамина и метамфетамина, являющихся мощными стимуляторами центральной нервной системы. Авторы отмечают, что в обоих случаях D-энантиомер обладает большей биологической активностью, чем Z-энантиомер. Показан простой и удобный метод разделения энантиомеров указанных метаболитов на основе жидкостной хроматографии с электрораспылительной ионизацией и масс-спектрометрии. амфетамин метамфетамин В работе [5] отмечается, что все применяемые в настоящее время в клинической практике агонисты бронходилатирующих р2-адренорецепторов являются производными адреналина и доступны в виде рацематов. Хотя подавляющее большинство фармакологической и клинической документации было сделано с рацематами, есть несколько исследований с отдельными энантиомерами. Показано, что все установленные фармакологические эффекты рацемических р2-агонистов находятся в (Л)-энантиомере, при этом (5)-энантиомер практически неактивен. Однако в последние годы возникла версия, что (5)-энантиомер р2-агонистов ответствен за индукцию гиперреактивности дыхательных путей. В статье [6] представлен краткий обзор различных физических, химических и ферментативных методов, используемых для энантиомерного раз-51 А. Г. Гасанов, И. Г. Аюбов, Г.Э. Гаджиева, Ф.С. Гурбанова деления ибупрофена. Он относится к классу противовоспалительных фармацевтических препаратов и до сих пор продается в виде рацемической смеси. Продукт с одним изомером имеет более высокую коммерческую ценность, чем рацемическая смесь, но производство ограничено юридическими и технологическими трудностями. Действие ибупрофена основано на том, при попадании в организм неактивный R-(-)-энантиомер претерпевает однонаправленную метаболическую инверсию конфигурации с образованием активного S-(-)-энантиомера. Другими словами, когда лекарство вводится в виде рацемата, дистомер in vivo превращается в эутомер, в то время как последний не изменяется. Энантиоспецифичность инверсии контролируется ферментом ацилкоэнзим-A синтетазой. Показано, что феромоны матки муравьев Lasius niger необходимы для регуляции репродуктивного разделения труда у эусоциальных видов насекомых. Феромон матки муравьев Lasius niger был одним из первых идентифицированных феромонов маток социальных насекомых. Его основной компонент - 3-метилхентриаконтан (3-MeCi), который в относительно больших количествах присутствует на кутикуле матки и на ее яйцах и регулирует воспроизводство рабочих муравьев, подавляя развитие яичников. В работе [7] авторы протестировали биоактивность (S)- и ^)-энантиомеров 3-MeC31 и обнаружили, что в то время, как оба энантиомера были эффективны в подавлении развития яичников у рабочих, (S)-3-MeC31 оказался более эффективным в подавлении агрессивного поведения рабочих. Отмечается, что пептид Р-амилоид связывается с нейронами в виде фибриллярных кластеров на поверхности клетки, что вызывает нейродегенерацию и активирует программу гибели клеток, характерную для апоптоза [8]. Для дальнейшего изучения механизма нейротоксичности Ap авторы синтезировали полностью D- и L-стереоизомеры нейротоксической укороченной формы Ap (Ap25-35) и полноразмерного пептида (Ap1-42) и сравнили их физические и биологические свойства. Авторы сообщают, что оба энантиомера вызывают сходные уровни токсичности в культивируемых нейронах гиппокампа. Оценена противосудорожная активность рацемата и энантиомеров линалоола [9]. Предварительная обработка мышей с (S)-(+)-, (R)-(-)- и рац-линалоолом значительно увеличили латентность конвульсии. Только рац-линалоол оказывал действие в дозе 200 мг/кг. Энантиомеры и их рацемическая смесь были эффективны в ингибировании судорожного эффекта в дозе 300 мг/кг. Линалоолы по фармакологической активности близки к диазепаму. Авторы показали, что ^)-(-)-линалоол и рац-линалоол про-52 Влияние энантиомерной формы соединений на их биологическую активность являли активность в дозе 200 мг/кг, но ра^-линалоол был более сильным, чем ^)-(-)-линалоол; (£)-(+)-линалоол в этой дозе не оказал никакого действия. С другой стороны, в дозе 300 мг/кг этот энантиомер был эффективен, но менее активен, чем (Л)-(-)-линалоол и ^а^-линалоол. В работе [10] исследованы сборка и специфические структуры энантиомера и рацемата талидомида на поли(уретановом) покрытии с помощью ИК-спектроскопии и атомно-силовой микроскопии. Показано, что константы сродства для рацемата, адсорбированного на полимерном слое, были ниже, чем для (ДІ)-талидомида. Кроме того, отмечается, что два энантиомера имеют двукратную разницу в их энергиях связи. Лупанин - это токсин растений, содержащийся в сточных водах предприятий по переработке бобов люпина, который может быть использован для полусинтеза новых соединений. Различные биокатализаторы типа P. Putida LPK411, R. Rhodochrous LPK211 и Rhodococcus sp. LPK311 были использованы в качестве биокатализаторов для разделения рацемического лупанина [11]. Показано, что все штаммы достигли высокого энантиомерного избытка L-(-)-лупанина (> 95%), в то время как при использовании LPK411 53% исходного содержания рацемата не было удалено. LPK411, получавший энантиомеры лупанина в качестве отдельных субстратов, достиг 92%-ной биодеградации ,D-(+)- лупанина, тогда как L-(-)-лупанин не метаболизировался. Экотоксикологическая оценка показала, что энантиомеры лупанина менее токсичны для A. Fischeri по сравнению с рацематом, проявляющим синергетическое взаимодействие. В работе [12] сообщается, что энантиомеры как оптически активные формы лекарств в настоящее время оказывают значительное влияние на большинство областей фармакотерапии. Они вызывают большой интерес в области психиатрии и особенно в лечении депрессии. Это связано с тем, что энантиомеры (хиральные формы) многих лекарств могут иметь разные фармакокинетические, фармакологические или фармакогенетические профили. Следовательно, использование одного энантиомера лекарственного средства может иметь огромные преимущества по сравнению с ранее используемыми формами и привести к значительному улучшению существующих методов лечения. Примером являются стереоселективные свойства энантиомеров психотропного препарата флуоксетина. 53 А. Г. Гасанов, И. Г. Аюбов, Г.Э. Гаджиева, Ф.С. Гурбанова Терапия рацемическими соединениями дает эффекты, которые можно отнести к (S)- и ^)-энантиомерам. В работе [13] авторы проверили гипотезу о том, что энантиомер-энантиомер взаимодействие может модулировать эффекты лечения рацематом на примере антиаритмического пропафенона. Предыдущие исследования показали, что, хотя энантиомеры пропафенона обладают аналогичным действием по блокированию натриевых каналов, именно ^-энантиомер вызывает Р-блокаду; кроме того, установлено, что (Л)-пропафенон ингибирует метаболизм (Б)-пропафенона in vitro. Было исследовано сравнительное влияние (R/S)-, (S)-, (Л)-пропафенона (150 мг каждые 6 часов в течение 4 дней) и плацебо на продолжительность Р-блокады. Показано, что ^)-пропафенон ухудшает распределение ^-пропафенона у людей. В результате P-блокирующие эффекты 150 мг рацемического пропафенона были более выраженными, чем эффекты 150 мг одного ^-пропафенона. Сделано заключение о том, что эффекты рацемической лекарственной терапии не обязательно предсказываются суммированием эффектов отдельных энантиомеров. Сальбутамол состоит из рацемической смеси R- и S-энантиомеров. R-сальбутамол (левалбутерол) является активным бронходилатирующим энантиомером, тогда как S-сальбутамол считается фармакологически неактивным или оказывает неблагоприятное воздействие. В исследовании [14] авторы оценивали бронхозащитные эффекты ингаляции терапевтически релевантных доз рацемата и отдельных энантиомеров у морских свинок. Было обнаружено, что базальная реактивность дыхательных путей к гистамину аналогичным образом снижалась через 30 мин после ингаляции эквивалентных доз R,S- и R-сальбутамола; при этом подавлялась вызванная аллергеном гиперреактивность дыхательных путей. В то же время S-сальбутамол не влиял ни на базальную реактивность дыхательных путей, ни на гиперреактивность, вызванную аллергеном. 54 Влияние энантиомерной формы соединений на их биологическую активность энантиомеры сальбутамола В работе [15] сообщается, что обычно натуральные продукты представляют собой оптически активные соединения с одним энантиомером, поскольку они биосинтезируются в результате ферментативного катализа. Однако существует ряд природных продуктов, выделенных в виде рацемической смеси, т.е. в присутствии двух энантиомеров. В этом обзоре представлена информация о некоторых рацемических натуральных продуктах, выделенных из биоресурсов, обсуждается биологическая активность рацемических натуральных продуктов, а также сравнивается их активность в отношении отдельных энантиомеров. В наших исследованиях [16-19] был осуществлен синтез рацемических и оптически активных алкиловых и циклоалкиловых моноэфиров норбор-нендикарбоновой кислоты по схеме: .COOH + COOR R = Alkyl, Cycloalkyl Кроме того, были получены оптически активные формы моноэфиров на основе асимметрической реакции Д-А по схеме: катализатор* - AlCl2Oment; растворитель - CH2Cl2; температура - от -40 до + 20°С 55 А. Г. Гасанов, И. Г. Аюбов, Г.Э. Гаджиева, Ф.С. Гурбанова В этих работах была подробно описана методика синтеза моноэфиров норборнендикарбоновой кислоты, условия проведения реакции, а также методика синтеза оптически активных изомеров полученных соединений. Цель наших исследований заключалась в проведении сравнительного анализа антибактериальных и антифунгальных свойств синтезированных моноэфиров бицикло(2.2.1)-гепт-5-ен-2,3-дикарбоновой кислоты в отношении различных патогенных микроорганизмов. В качестве тест-культур использовали грамположительные (золотистый стафилококк), грамотрица-тельные (синегнойная палочка, кишечная палочка) бактерии, а также дрожжеподобные грибы рода Кандида. Методы и материалы Золотистый стафилококк (Staphylococcus aureus) представляет собой вид шаровидных грамположительных бактерий из рода стафилококков. В настоящее время приблизительно 25-40% населения являются постоянными носителями этой бактерии, которая может сохраняться на кожных покровах и слизистых оболочках верхних дыхательных путей. Staphylococcus aureus может вызывать широкий диапазон заболеваний, начиная с легких кожных инфекций до смертельно опасных болезней (пневмония, менингит, остеомиелит, эндокардит, сепсис). Этот вид бактерий до сих пор является одной из четырех наиболее частых причин внутрибольничных инфекций, часто вызывая послеоперационные раневые инфекции. Кишечная палочка (Escherichia coli) представляет собой вид грамотри-цательных палочковидных бактерий, широко распространенных в нижней части кишечника человека и животных. Большинство штаммов E. coli являются безвредными, однако серотип O157:H7 может вызывать тяжелые пищевые отравления. Непатогенные бактерии E. coli, в норме в больших количествах населяющие кишечник, могут тем не менее вызвать развитие патологии при попадании в другие органы или полости человеческого тела (перитонит, кольпит и др.) Синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa) представляет собой вид грамотрицательных подвижных палочковидных бактерий. Обитает в воде, почве, условно патогенна для человека и является возбудителем некоторых инфекционных заболеваний. Лечение затруднительно ввиду ее высокой устойчивости к антибиотикам. Дрожжеподобные грибы рода Кандида (Candida albicans) - одна из форм дрожжеподобных грибов вида диплоидного грибка, способных к спариванию, которая является возбудителем ряда инфекционных заболеваний у человека, передающихся через рот и гениталии. Candida albicans при нормальных обстоятельствах присутствует у 80% людей, не вызывая болезней, хотя чрезвычайное увеличение его количества вызывает канди-доз, часто наблюдающийся у пациентов с иммунодефицитом. Изучение антимикробной активности синтезированных моноэфиров бицикло(2.2.1)-гепт-5-ен-2,3-дикарбоновой кислоты проводилось в сравне-56 Влияние энантиомерной формы соединений на их биологическую активность нии с известными бактерицидными препаратами, широко применяемыми в медицинской практике, такими как этанол, риванол, фурациллин, карболовая кислота, хлорамин. Антимикробную активность синтезированных веществ изучали дисперсионно-контактным методом, т.е. методом серийных разведений в отношении различных вышеуказанных микроорганизмов. Для этого 1%-ный спиртовый раствор исследуемого вещества разводили в дистиллированной воде до различных концентраций. Затем в каждую пробирку с испытуемым веществом высеивали 0,1 мл тест-культуры, содержащей 900 тыс. микробных тел в 1 мл. Высевы делались через 10, 20, 30, 40, 60 мин (время экспозиции). Степень разведения соединений составляла 1:100, 1:200, 1:400, 1:800 и 1:3 200 соответственно. В качестве питательных сред использовали МПА рН 7,2-7,4 для бактерий и среду Сабуро для грибов. Длительность инкубации в термостате для бактерий была 18-24 ч при 37°С, для грибов 1-10 дней при 28°С. Исследования проводились на кафедре медицинской биологии Азербайджанского медицинского университета, и на основе этих исследований были получены соответствующие акты испытаний. Результаты и обсуждение Для наглядного сравнения антибактериальных свойств полученных соединений и контрольных препаратов нами представлена графическая зависимость времени экспозиции от концентрации водного раствора для синтезированных соединений и контрольного препарата на примере этилового спирта в отношении золотистого стафилококка (рис. 1). Рис. 1. Сравнение антимикробной активности оптически активного (1) и рацемического (2) н-пропилового моноэфира эндиковой кислоты и этилового спирта (3) в отношении золотистого стафилококка При степени разведения 1:100 активности анализируемых соединений и контрольного препарата одинаковы, и время экспозиции для всех испыту-57 А. Г. Гасанов, И. Г. Аюбов, Г.Э. Гаджиева, Ф.С. Гурбанова емых образцов составляет 10 мин. Однако с увеличением степени разведения их активности изменяются неодинаково. Так, для этилового спирта при степенях разведения 1:200, 1:400 и 1:800 время экспозиции достигает часа (60 мин), для рацемического изомера н-пропилового моноэфира оно составляет 20, 60 и 60 мин соответственно, а для оптически активного изомера время экспозиции равно 10, 30 и 30 мин соответственно. Таким образом, отчетливо видно преобладание антимикробной активности в отношении золотистого стафилококка у оптически активного изомера н-пропилового моноэфира эндиковой кислоты. В качестве анализируемых веществ использовались изопропиловый, н-пропиловый и хиральный н-пропиловый моноэфиры. Результаты исследований представлены в табл. 1, а результаты исследований антимикробной активности приведены в табл. 2. Т а б л и ц а 1 Изучение антимикробной активности моноэфиров бицикло[2.2.1]гепт-5-ен-2,3-дикарбоновой кислоты Концентрация Тест-культура Время экспозиции, мин ров, % Золотистый стафилококк Кишечная палочка Синегнойная палочка Грибы Кандида к 0,1 10 10 10 10 /Г S 0,05 10 10 10 10 / соон 0,025 60 60 60 60 СОО-і-СзН7 0,0125 60 60 60 60 0,1 10 10 10 10 /Г ■S 0,05 20 20 10 20 соон 0,0125 60 60 60 60 СОО-п-С,Н7 0,0125 60 60 60 60 N 0,1 10 10 10 10 f Si 0,05 10 10 10 10 соон 0,025 30 20 20 30 ооо-п-СзН7 2S, 3S [+1 0,0125 30 20 20 60 Синтезированные соединения проявляют активность в отношении не только золотистого стафилококка, но и грамотрицательных бактерий, таких как кишечная и синегнойная палочки. Для этих бактерий активности синтезированных соединений практически совпадают. Так, в отношении кишечной палочки время экспозиции для рацемического изомера н-пропилового моноэфира норборнендикарбоновой кислоты изменяется в соответствии с увеличением степени разбавления следующим образом: 58 Влияние энантиомерной формы соединений на их биологическую активность при степени разведения 1:100 оно составляет 10 мин, при 1:200 - 20 мин, при степенях разведения 1:400 и 1:800 время экспозиции равно 60 мин. В аналогичных условиях изменение времени экспозиции с уменьшением концентрации водного раствора анализируемого соединения для оптически активного изомера н-пропилового моноэфира эндиковой кислоты происходит несколько иначе: при степенях разведения 1:100 и 1:200 время экспозиции составляет лишь 10 мин, а при более высоких степенях разведения - 1:400 и 1:800 - оно равно 20 мин. На основе полученных результатов можно сделать вывод о наличии высокой антимикробной активности синтезированных соединений в отношении кишечной палочки. Т а б л и ц а 2 Изучение антимикробных свойств контрольных препаратов Название Сте- Тест-культура кон- Золотистый Кишечная Синегнойная трольнопень разве дения стафилококк палочка палочка Г рибы Кандида го препа- Время экспозиции , мин рата 10 20 30 40 60 10 20 30 40 60 10 20 30 40 60 10 20 30 40 60 1:100 + + Этанол 1:200 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 1:400 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 1:800 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Карболо- 1:100 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 1:200 1:400 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + вая кис- + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + лота 1:800 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 1:100 + Хлора- 1:200 + мин 1:400 + + + - - 1:800 + + + - - + - - - - + + + + + 1:100 + + + + + + + + + + + + + + Риванол 1:200 + + + + + + + + + + + + + + + 1:400 + + + + + + + + - - + + + + + + + + + + 1:800 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Примечание. «+» - рост; «-» - отсутствие роста. Практически аналогичная картина наблюдается в отношении влияния синтезированных рацемического и оптически активного н-пропилового моноэфира эндиковой кислоты на синегнойную палочку. Очевидно, это объясняется сходством этимологической природы кишечной и синегнойной палочек, поскольку обе они входят в группу грамотрицательных бактерий. Оптически активный изомер достигает эффекта воздействия на синегнойную палочку намного раньше, чем его рацемический аналог и контрольный препарат. Время экспозиции для оптически активного изомера составляет 10, 10, 20 и 20 мин при степенях разведения соответственно 1:100, 1:200, 1:400 и 1:800. Что касается антифунгальной активности синтезированных соединений и контрольного препарата, то можно наблюдать следующую закономер-59 А. Г. Гасанов, И. Г. Аюбов, Г.Э. Гаджиева, Ф.С. Гурбанова ность. При степени разведения 1:100 их активности практически совпадают, причем и при наивысшей в проведенных исследованиях степени разведения 1:800 времена экспозиции для этих соединений и для контрольного препарата также совпадают и составляют 60 мин. Лишь при степенях разведения 1:200 и 1:400 их активности различаются. Отметим, что при указанных степенях разведения для оптически активного изомера время экспозиции соответственно равно 10 и 30 мин, что намного меньше, чем у рацемического аналога (20 и 60 мин соответственно) и контрольного препарата (60 и 60 мин). Заключение Анализ проведенных исследований антимикробной и антифунгальной активности синтезированных рацемического и оптически активного изомеров н-пропилового моноэфира эндиковой кислоты, а также контрольного препарата (этилового спирта) показывает, что синтезированные соединения намного эффективнее, чем этанол и другие контрольные препараты (за исключением хлорамина), в отношении исследованных микроорганизмов и могут быть рекомендованы для применения в качестве местных антисептиков. На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что энантиомеры биологически активных соединений обладают более выраженными биоактивными свойствами, чем их рацемические формы. Однако, как показано в литературном обзоре, встречаются исключения, при которых рацематная форма более активна, чем составляющие ее энантиомеры. Эти исследования еще раз доказывают наличие взаимосвязи между биологической активностью соединений и их стереоспецифическим строением, в частности оптической изомерией соединений.

Скачать электронную версию публикации