Химическая модификация донепезила для повышения специфичности связывания с sigma-1-рецептором

Цели и задачи
Целью данной работы является поиск высокоаффинного агониста sigma-1-рецепторов.
Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи:
Построение фармакофора на основе известных лигандов sigma-1-рецепторов.
Целенаправленная модификация молекулы донепезила и её молекулярный докинг с sigma-1-рецептором для определения более специфичного агониста.
Поиск новых потенциальных агонистов и их молекулярный докинг с sigma-1-рецептором.

Актуальность
Sigma-1-рецепторы широко распространены в клетках различных структурах ЦНС и внутренних органов. Несмотря на свои малые размеры, они оказывают плейотропное действие на регуляторные белки, функцию лиганд- и потенциалзависимых ионных каналов, факторов транскрипции. В качестве лигандов sigma-1-рецепторов могут выступать многие известные лекарственные средства – афобазол, донепезил, флувоксамин, циталопрам, амитриптиллин.

Накапливающиеся данные свидетельствуют о том, что sigma-1-рецепторы играют роль как в патофизиологии психоневрологических заболеваний, так и в фармакодинамике некоторых лекарственных средств, таких как селективные ингибиторы обратного захвата серотонина (СИОЗС), донепезил и нейростероиды.
Индуцированные фенциклидином (PCP) когнитивные нарушения (моделирование шизофрении на животных) значительно улучшаются при введении агонистов sigma-1-рецепторов, таких как флувоксамин, SA4503 (Кутамезин) и донепезил. В клинических исследованиях некоторые агонисты рецепторов sigma-1, включая флувоксамин, донепезил и нейростероиды, улучшают когнитивные нарушения и клинические симптомы при нейропсихиатрических заболеваниях.
Актуальность

Материалы и методы
Для создания модели фармакофора использовались лиганды sigma-1-рецепторов из базы данных ChEMBL с последующим отсеиванием неудовлетворяющих критериям соединений (удаление соединений с отсутствующими данными, удаление низкоактивных соединений).
Затем проводилась кластеризация данных веществ с использованием коэффициента Танимото. На основе структуры центральных молекул кластеров проводилось построение фармакофора с использованием сервиса PharmaGist.

Молекулярный докинг донепезила и его модификаций с sigma-1-рецептором проводился с использованием online-сервиса DockingServer.
На основе построенной ранее модели фармакофора был осуществлён поиск новых потенциальных агонистов sigma-1-рецепторов с использованием сервиса ZINCPharmer (на основе базы данных ZINC Purchasable). Было проведено отсеивание соединений, неудовлетворяющих правилу пяти Липински, а также неспецифически реагирующих и опасных соединений с использованием PAINS фильтра.
Материалы и методы

Результаты и их обсуждение
Из база данных ChEMBL было изъято 5648 лигандов к sigma-1-рецептору. После проведённых манипуляций по отсеиванию неудовлетворяющих критериям работы соединений в финальной базе соединений осталось 743 лиганда.
Была проведена кластеризация данной базы лигандов с использованием коэффициента Танимото.
На основе центральных молекул 11 кластеров была построена модель фармакофора (был выбран вариант, построенный программой на основе 6 молекул, содержащий 4 фармакофорных признака, имеющий величину параметра достоверности модели (Score) 22,489) (рис.1)

Рис. 1 – Модель фармакофора, визуализированная с помощью сервиса ZINCPharmer.

Произведён молекулярный докинг молекулы донепезила (рис. 2, 3, 4)
Рис. 2 – Расположение молекулы донепезила (выделена зелёным цветом) в активном центре sigma-1-рецептора.

Рис. 3 – Структурная формула донепезила.
Рис. 4 – Схема межмолекулярных взаимодействий между молекулой донепезила и активным центром sigma-1-рецептора.

На основе данных о фармакофорных признаках, были произведены точечные модификации (внесений (или удаления) в молекулярную формулу дополнительных атомов) донепезила.
В результате были смоделированы различные соединения и проведен их молекулярный докинг с sigma-1-рецептором.
Лиганды, при взаимодействии с которыми образуется более стабильный лиганд-рецепторный комплекс и которые являются более активными (т.к. константа ингибирования (Ki) меньше таковой для донепезила), представлены на рис. 5, 6, 7, 8.
Результаты и их обсуждение

Рис. 5 – Структурная формула модифицированного донепезила.
Рис. 6 – Схема межмолекулярных взаимодействий между молекулой модифицированного донепезила и активным центром sigma-1-рецептора.

Рис. 7 – Структурная формула модифицированного донепезила.
Рис. 8 – Схема межмолекулярных взаимодействий между молекулой модифицированного донепезила и активным центром sigma-1-рецептора.

Смоделированные химические соединения (рис. 5, 7) потенциально могут являться более специфичными и более активными агонистами sigma-1-рецепторов, чем донепезил, и могут быть рассмотрены как потенциальные лекарственные вещества для терапии нейропсихиатрической патологии.
Результаты и их обсуждение

Также был произведён поиск потенциальных агонистов sigma-1-рецепторов на основе построенного фармакофора. Затем из полученной выборки были удалены дубликаты с уже исследованными лигандами (теми, которые встречались в базе данных ChEMBL). После этого производился отбор химических соединений, удовлетворяющих правилу пяти Липински для пероральных лекарственных веществ и были удалены неспецифически реагирующие и опасные соединения с использованием PAINS фильтра.
Для молекулярного докинга было отобрано 73 моделированных химических веществ, имеющих наименьшее RMSD (среднеквадратичное отклонение) от модели фармакофора.
По результатам молекулярного докинга наиболее стабильный лиганд-рецепторный комплекс образовало соединение N-[1-(4-Chlorophenyl)[1,2,4]triazolo[4,3-a]quinoxalin-4-yl]-N-methylbenzenesulfonamide (ZINC6148392) (рис. 9)
Результаты и их обсуждение

Рис. 9 – N-[1-(4-Chlorophenyl)[1,2,4]triazolo[4,3-a]quinoxalin-4-yl]-N-methylbenzenesulfonamide.

Смоделированное соединение потенциально может являться селективным агонистом sigma-1-рецепторов, для окончательных выводов требуется дополнительные исследования данного вещества.
При дальнейшем исследовании полученных на основании фармакофора соединений можно обнаружить другие специфичные агонисты sigma-1-рецепторов.
Результаты и их обсуждение

Выводы:
На основе известных лигандов к sigma-1-рецептору была построена модель фармакофора.
С помощью химической модификации молекулы донепезила были смоделированы соединения, теоретически обладающие большей специфичностью к sigma-1-рецептору, а также являющиеся более активными. Данные потенциальные агонисты sigma-1-рецепторов могут рекомендоваться для экспериментального исследования.
Обнаружен потенциальный специфичный агонист sigma-1-рецепторов, требующий дополнительных исследований его фармакодинамических свойств.