Нейропротекторные функции низкомолекулярных активаторов АМФК

Функции АМФК
Метаболизм липидов
Метаболизм белков
Метаболизм углеводов
Энергетический метаболизм всего организма
AMP-Activated Protein Kinase: Structure, Function, and Role in Pathological Processes. D.S. Novikova, A.V. Garabadzhiu, G. Melino, N.A. Barlev, and V.G. Tribulovich. Biochemistry . 2015 , 80(2), pp.127-144.
Регуляция клеточного энергетического гомеостаза
Основной регулятор
энергетики

Сигнальный каскад АМФК
Факторы активирующие АМФК
Процессы
обусловленные
активацией АМФК

энергетический дефицит
АМФК - регулятор энергетического баланса
АМФК
АТФ-продуцирующие процессы
на клеточном уровне
на уровне организма
АМФК
оксидативный стресс
гипоксия
ишемия
мышечные сокращения
тепловой шок
Производство энергии
АТФ-потребляющие процессы
Потребление энергии

Ишемические состояния
Терапевтическая значимость активации АМФК
Диабет
Ожирение
Стимуляция мышечной функции
Сердечно-сосудистые заболевания
Рак
Атеросклероз
Старение
Метформин
AICAR
Телмисартан
Telmisartan enhances mitochondrial activity and alters cellular functions in human coronary artery endothelial cells via AMP-activated protein kinase pathway. Kurokawa H., Sugiyama S., Nozaki T. et al.
Atherosclerosis, 2015. 239(2) p. 375
Метаболический
синдром
Преддиабет
Эректильная дисфункция

Структура АМФК
α-субъединица
Oтвечает за киназнаую активность
и внутриклеточную локализацию
β-субъединица
Выполняет роль скаффолд-белка и регулирует углеводный метаболизм
γ-субъединица
сенсор АМФ/АТФ

Активаторы АМФК
Прямые
Непосредственное
взаимодействие
Имитация естественного сигнала
Воздействие на активирующие факторы
1
2
3
Непрямые
1
2
3
АМФ-связывающий сайт
Изменение соотношения
АМФ/АТФ
Автоингибиторный домен
Аллостерический сайт
Активация CAMKK киназы
Активация LKB1 киназы

АМФ связывающий сайт
Аллостерический сайт
Автоингибиторный домен
γ-субъединица
β-субъединица:
α-субъединица
1
2
3
Прямая активация - сайты взаимодействия АМФК

Прямые активаторы АМФК
АМФ связывающий сайт
1
АМФ
AICAR
Активные соединения условно можно разделить на три типа:
- воспроизводящие азотистое основание AICAR или АМФ
- воспроизводящие рибозный остаток,
- условные миметики нуклеозидов.

Были выявлены в результате виртуального скрининга базы природных соединений. Первичным критерием отбора служила расчетная энергия связывания с АМФ-связывающими сайтами. Далее отбор проводился по критериям биодоступности и максимального расчетного подобия с АМФ. Динамические моделирование показало, что соединения способны связываться аналогично АМФ.
Прямые активаторы АМФК
АМФ связывающий сайт
1
воспроизводящие рибозный остаток
Эвгенил-β-D-глюкопиранозид
6-O-циннамоил-D-глюкопираноза
In Silico Design for Adenosine Monophosphate-Activated Protein Kinase Agonist from Traditional Chinese Medicine for Treatment of Metabolic Syndromes H.C. Tang, C.Y. Chen, Evid. Based Complement. Alternat. Med., 2014, 928589.

Прямые активаторы АМФК
Аллостерический сайт
2
Chelidonium
Чистотел
В качестве активатора АМФК сангвинарин зафиксирован при исследовании in vitro на основе FREТ-эффекта
Сангвинарин
Sanguinarine is an allosteric activator of AMP-activated protein kinase J. Choi, N. He, M.K. Sung et al, Biochem. Biophys. Res. Commun., 2011, 413, pp. 259-63

Непрямые активаторы АМФК
Имитация природного сигнала
Активирующие субстраты
изменение соотношения АМФ/АТФ внутри клетки, приводящее к аллостерической активации за счет связывания АМФ
фосфорилирование активирующими киназами
инактивация деактивирующих фосфатаз
1
2
3
LKB1
CaMKK

Улучшенная пероральная
биодоступность
Непрямые активаторы АМФК
Изменение соотношения АМФ/АТФ
Berberis vulgaris
1
Берберин
Дигидроберберин
Ингибирование комплекса I
дыхательной цепи приводит к снижению синтеза АТФ
Модификация
Изменение соотношения АМФ/АТФ является естественным сигналом к активации АМФК

Активаторы киназы CaMKKβ, активирующей AMPK
2
Непрямые активаторы АМФК
Camellia sinensis
Чай
Эпигалакатехин галлат
Повышенная стабильность
Более эффективные активаторы АМФК по сравнению с эпигалакатехин галлатом и его ацетилированным аналогом
Сфокусированная библиотека
AMP-activated protein kinase: 'a cup of tea' against cholesterol-induced neurotoxicity. de Morentin PB. M., Gonzalez CR., Lopez M.
J. Pathol. 2010, 222(4), pp 329-334.

Непрямые активаторы АМФК
Активаторы киназы CaMKKβ, активирующей AMPK
2
Модификация
Ресвератрол
RSVA 405
RSVA 314
Механизм активации AMФK посредством ресвератрола исследовался в рамках разработки препарата для борьбы с болезнью Альцгеймера путем снижения уровня β-амилоидных пептидов за счет стимуляции аутофагии
AMP-activated Protein Kinase Signaling Activation
by Resveratrol Modulates Amyloid-β Peptide Metabolism. V. Vingtdeux, L. Giliberto et al. Biol. Chem., 2010, 285, 9100.
Novel synthetic small-molecule activators of AMPK as enhancers of autophagy and amyloid-β peptide degradation. V. Vingtdeux, P. Chandakkar et al. FASEB J., 2011, 25, 219.

Непрямые активаторы АМФК
Активаторы киназы LKB1, активирующей AMPK
3
Arctium lаppa
Лопух большой
Модификация
Скрининг библиотеки природных соединений
Арктигенин
Arctigenin efficiently enhanced sedentary mice treadmill endurance. X. Tang, J. Zhuang et al. PLoS One, 2011, 6, e24224.
Synthesis and biological evaluation of arctigenin ester and ether derivatives as activators of AMPK. S. Shen, J. Zhuang et al, Bioorg. Med. Chem., 2013, 21, 3882.
При применении препарата мыши показали значительное повышение выносливости

Boesenbergia pandurata
Китайский имбирь
Пероральное применение Пандуратина на мышиных моделях с индуцированным ожирением способствовало снижению веса и содержания жира в организме, уменьшению стеатоза печени и улучшению липидного профиля сыворотки крови.
Непрямые активаторы АМФК
Активаторы киназы LKB1, активирующей AMPK
3
Therapeutic potential of panduratin A, LKB1-dependent AMP-activated protein kinase stimulator, with activation of PPARα/δ for the treatment of obesity. D. Kim, M.S. Lee et al. Diabetes Obes. Metab., 2011, 13, 584.
Скрининг библиотеки природных соединений
Пандуратин А

Непрямые активаторы АМФК
Активаторы киназы LKB1, активирующей AMPK
3
Curcuma
Модификация
Было показано, что куркумин подавляет экспрессию генов глюконеогенеза и увеличивает усвоение глюкозы в периферических тканях AMPK-зависимым образом. В более поздних исследованиях производное куркумина - деметоксикуркумин показало большую активность и оказалось более стабильно.
Повышенная стабильность и активность
Куркумин
Деметоксикуркумин
Demethoxycurcumin modulates prostate cancer cell proliferation via AMPK-induced down-regulation of HSP70 and EGFRC.M. Hung, Y.H. Su, H.Y. Lin et al. J. Agric. Food Chem., 2012, 60, pp. 8427-8434

Momordica charantia
Горькая дыня
Непрямые активаторы АМФК
Активаторы киназы LKB1, активирующей AMPK
3
Среди терпеноидов также находятся структуры, способные активировать AMPK. В частности, тритерпеноиды и их гликозиды, выделенные из Momordica charantia, вызывают активацию AMPK в мышечных клетках и адипоцитах и стимулируют усвоение глюкозы периферическими тканями
Antidiabetic activities of triterpenoids isolated from bitter melon associated with activation of the AMPK pathway. M.J. Tan, J.M. Ye, N. Turner et al, Chem. Biol., 2008, 15, 263.

Непрямые активаторы АМФК
Неизвестный механизм
?
Существует большое количество соединений природного происхождения, которые, обладая широким спектром биологической активности, способны вызывать активацию AMФK, как правило, непрямым образом
Квертицин
Гиспидулин
Генестеин
Байкалин
Байкалеин
Scutellaria baicalensis Georgi
Шлемник байкальский
Флавоноиды, флавоны, изофлавоны
Астено-депрессивные состояния

Непрямые активаторы АМФК
Активирующая способность непрямых активаторов, как правило, является результатом задействования многоступенчатых сигнальных каскадов и даже если определено, что соединение действует на AMФK через LKB1, это означает лишь то, сигнал на активацию передается посредством LKB1, но не определяет LKB1 как непосредственную мишень.
Прямые активаторы имеют несомненное преимущество в силу прозрачности механизма взаимодействия и определенности сайта связывания, что особенно ценно при разработке терапевтически значимых соединений
Однако не стоит забывать возможности синергического эффекта при совместном применении прямых и непрямых активаторов AMPK, поскольку именно вторые задействуют киназы, фосфорилирующие AMФK
Низкомолекулярные активаторы АМФ активируемой протеинкиназы - модуляторы энергетического метаболизма. Новикова Д.С., Гарабаджиу А.В., Мелино Дж., Барлев Н.А., Трибулович В.Г. Изв. Акад. наук. Сер. хим., 2015, 7, 1497- 1517

AMPK in the central nervous system: physiological roles and pathological implications. Rosso P., Fioramonti M., et al. Research and Reports in Biology. 2016, 7, pp 1-13.
Аутофагия
Физиологические функции АМФК в ЦНС
Нобелевская премия 2016
Yoshinori Ohsumi

Снижение активности АМФК во фронтальном кортексе при применении галоперидола
Haloperidol inactivates AMPK and reduces tau phosphorylation in a tau mouse model of Alzheimer's disease. Koppela J., Jimeneza H., et al. Alzheimer's & Dementia: Translational Research & Clinical Interventions. 2016, 2(2), pp 121–130.
Проблематика метаболических нарушений при применении антипсихотических препаратов
Оланзапин
Клозапин
Галоперидол
Рисперидон

Компенсация метаболических нарушений при приеме нейролептиков
Не эффективен
Metformin and Berberine Prevent Olanzapine-Induced Weight Gain in Rats. Hu Y., Young A. J., et al, PLoS One. 2014, 9(3), e93310.
Оланзапин
Берберин
Метформин
Differential effects of 3 classes of antidiabetic drugs on olanzapine-induced glucose dysregulation and insulin resistance in female rats. Boyda H.N., Procyshyn R.M., et al. J.Psychiatry Neurosci. 2012, 37(6), pp 407-415.
Глибенкламид

Коррекция тревожного поведения при ишемическом стрессе путем активации АМФК
Metformin improves anxiety-like behaviors through AMPK-dependent regulation of autophagy following transient forebrain ischemia. Sarkaki A., Farbood Y. et al. Metab. Brain Dis. 2015, 30(5), pp 1139-1150.
Метформин
Контроль
Ишемический
стресс
Метформин
Neurological score – совокупная оценка двигательных и поведенческих реакций

Поведенческие реакции контролируемые АМФК
CORT - кортикостерон индуцируемый стресс. Модель тяжелой депресcии.
Флуоксетин
Антидепрессант, селективный ингибитор обратного захвата серотонина.
Прозак
AMPK Mediates Glucocorticoids Stress-Induced Downregulation of the Glucocorticoid Receptor in Cultured Rat Prefrontal Cortical Astrocytes. Yuan S.Y., Liu J., et al. PLoS One. 2016, 11(8), e0159513.
Аналогом кортикостерона в человеческом организме является кортизол. Излишек кортизола повышает кровяное давление, редуцирует мышечную ткань, уменьшает плотность костей, вызывает гипергликемию и ожирение, снижает иммунитет и подавляет функцию щитовидной железы
Метформин
Активирует АМФК в кортексе. Наиболее известный активатор АМФк
Применение активатора АМФК компенсирует стресс-обусловленное поведение

Exercise in a bottle: Nestle is developing smart food that can recreate the effect of working out
Daily Mail
AMPK
Brain foods: the effects of nutrients on brain function. Gómez-Pinilla F. Nat. Rev .Neurosci. 2008, 9(7), pp 568–578.
Bloomberg
Роль АМФК в когнитивном процессе

Сorpus Striatum
Полосатое тело
Кокаин
АМФК активируется в областях мозга отвечающих за поведенческие реакции
Region-specific activation of the AMPK system by cocaine: The role of D1 and D2 receptors. Xu S., Kang U.G. Pharmacology, Biochemistry and Behavior . 2016, 146–147, pp 28–34.
Экспозиция кокаином
Контроль
Степень фосфорилирования АМФК в кортексе выше в 5 раз
Кора больших полушарий
Сortex Cerebri
Осуществление высшей нервной деятельности
Формирование условных рефлексов, пищедобывающее поведение

Поиск активаторов АМФК
In vitro
In silico
In vivo
Биодоступность
Растворимость
Мембранотропность

Goldscore 60,4
Goldscore 64,3
Укладка соединений в АМФ связывающем сайте АМФК
АМФ
МФ-1
Моделирование

Исследование активности на клеточной
тест-системе.
Клетки
МФ-1

Стимуляция двигательной активности
МФ-1
Мыши

Снижение холестерина и триглицеридов
9%
Флувастатин
80 мг
Показатель
Дозировка
До
После
Препарат группы статинов
15 дневный прием препарата
МФ-1
Добровольцы

Димебон
Novel Sites of Neuroprotective Action of Dimebon (Latrepirdine). Ustyugov A., Shevtsova E., Bachurin S. Mol. Neurobiol. 2015, 52(2), рр 970-9788.
Latrepirdine is a potent activator of AMP-activated protein kinase and reduces neuronal excitability. Weisova P., Alvarez S.P., et al. Transl. Psychiatry. 2013, 3, e317.
АКТИВАЦИЯ АМФК ?
Новые старые знакомые

Активация АМФК
Болезнь Альцгеймера
Возможный спектр заболеваний ассоциированных с ЦНС
Болезнь Паркинсона
Тяжелая депрессия
Тревожные состояния
Когнитивная дисфункция
Контроль энергетического метаболизма

Лаборатория молекулярной фармакологии