Полианионные ингибиторы адсорбции ВИЧ Студент 6 курса
реклама
Полианионные ингибиторы адсорбции ВИЧ Студент 6 курса Лазебная Е.А., доцент к.х.н. Шастина Н.С. Московский государственный университет тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова 2310199090@rambler.ru За последние несколько лет многими исследователями были предприняты попытки для обнаружения новых фармакологических подходов к блокированию ВИЧ-инфекции. Сложность этого процесса является препятствием для развития новых ингибиторов. ВИЧ-1 попадает в клетки-мишени после последовательных взаимодействий гликопротеина вирусной оболочки с CD4 и корецептором (CCR5 или CXCR4). Открытие корецепторов позволило понять механизм вирусного проникновения и развития, что делает их новыми интересными целями для терапии ВИЧ-инфекции. Существуют различные стратегии блокирования проникновения ВИЧ в клетку (Рис.1): 1.ингибирование взаимодействия гликопротеина gp120 с клеточным рецептором СD4; 2.ингибирование взаимодействия хемокиновыми gp120 с корецепторами; 3.ингибирование слияния оболочек мембран. Рассмотрим соединения, которые могут вмешиваться в некоторые первые стадии жизненного цикла ВИЧ. Рисунок 1.Механизм проникновения ВИЧ в клетку В начале эпидемии СПИДа, приблизительно 28 лет назад, исследования были сосредоточены на понимании механизмов патогенеза ВИЧ-1 от начальной встречи хозяинвозбудитель к опасной для жизни болезни. Этот вирус поставил одну из самых больших задач для ученых 21 века. В течение первых нескольких лет пандемии были открыты и использованы в качестве анти-ВИЧ-1-агентов некоторые соединения с различными механизмами действия. Одним из таких соединений был сурамин (1) (Рис.2). В конце 1970-х годов было установлено, что он обладает активностью в отношении обратной транскриптазы ретровирусов животных [2]. O 3S NHCO SO3 NH O 3S C O O N H C 2 1 Рисунок 2. Сурамин Исследования активности сурамина продемонстрировали, что он может блокировать in vitro инфекцию ВИЧ-1. Кроме того было обнаружено, что этот препарат может также ингибировать цитопатический эффект вируса. Таким образом, сурамин был первым соединением, которое признали анти-ВИЧ-1-агентом и первым использовали в клинике для терапии ВИЧ-1-инфекции. Считали, что механизмом действия сурамина является ингибирование обратной транскриптазы, но в ходе эксперимента было установлено, что его механизм действия был неспецифичным. Дальнейшее исследование показало, что сурамин, сульфонатное соединение, блокирует вирусную адсорбцию. Его использование в лечении было осложнено тем, что он связывается с белками плазмы, таким как альбумин, что приводит к снижению ингибирующей способности сурамина. Хотя на его активность влияет связывание с белками плазмы, сурамин является эффективным ингибитором вируса лейкемии Рашера у мышей. За исследованиями сурамина последовало изучение других полианионных соединений как ингибиторов ВИЧ-1. В ходе исследований полианионных соединений, таких как декстрансульфат (2), гепарин (3) и целлюлозосульфат (4) (Рис.3), было обнаружено, что они являются ингибиторами ВИЧ-1 [3]. OSO3 SO3 O OSO3 O OO O COO OR OO OR COO OH O OR n O O O O NHSO3 O OH O OSO3 NHSO3 OH SO-3 OH OH OH OH n OH OH OH m 2 R= H или 3 4 Рисунок 3. Сульфатированные полисахариды: 2-декстрансульфат, 3-гепарин, 4целлюлозосульфат n Ранние изучение агента (2) показали, что он обладал высоким уровнем эффективности против ВИЧ-1, а также низким уровнем токсичности. Декстран является высокомолекулярным полисахаридом, который получают из сахарозы с помощью некоторых бактерий. Декстран затем сульфатируют, получая декстрансульфат. Было показано, что декстрансульфат ингибирует репликацию ВИЧ-1 с 50%-ной эффективной концентрацией от 0.1 до 1 мкг/мл. Ингибирующая активность в отношении ВИЧ-1 для гепарина равна 0.5 мкг/мл [4]. Оба соединения нетоксичны для лимфоидных клеток при концентрациях до 250 мкг/мл. Однако различия в диапазоне молекулярных весов и различная степень сульфатирования сделала стандартизацию этих веществ трудной. Большая степень изменчивости в пределах V3-петли gp120 также привела к различию в активности этих соединений в отношении разнообразных штаммов ВИЧ-1 [3]. При изучении влияния степени сульфатирования целлюлозосульфата на уровень активности против ВИЧ-1 было выяснено, что наибольшей активностью обладает целлюлозосульфат с молекулярной массой по меньшей мере 500000 дальтон и 17 % степенью сульфатирования по массе. Дополнительные исследования показали, что целлюлозосульфат также обладает активностью против гонореи, хламидиоза и вируса папилломы человека. Наряду с исследованиями сульфатированных полисахаридов следуют открытия многих других полианионных соединений, которые проявили разные уровни активности, также как и токсичности, например нафталинсульфоната (5) (Рис.4). H2 C SO3 n Рисунок 4. Нафталинсульфонат Нафталинсульфонат (5) является полианионным соединением, которое связывается с gp120 и блокируют связывание с CD4 чрезвычайно эффективным образом, демонстрируя тем самым способность блокировать ВИЧ-1 инфекцию in vitro. Тем не менее, соединение только временно подавляло репликацию ВИЧ-1 в клетках. Также активность нафталинсульфоната in vivo может быть затруднена из-за связывания соединения с компонентами сыворотки крови, токсичности и неспособности достичь сайта вирусной репликации. Соединения, ингибирующие взаимодействие гликопротеина gp120 c CD4рецептором Этапом жизненного цикла ВИЧ, который представляет цель для терапевтического вмешательства, является проникновение вируса в клетки-хозяина, инициированное взаимодействием гликопротеина gp120 с CD4-рецептором на поверхности клетки. При разработке новых соединений, направленных на ингибирование этой стадии жизненно цикла ВИЧ, возникают проблемы, связанные с лекарственной резистентностью. Одним из способов преодоления этих трудностей является разработка многофункциональных молекул, которые могут воздействовать на несколько целей и эффективно ингибировать различные стадии жизненного цикла вируса. Козалан (7) (Рис.5) является такой многофункциональной молекулой, которая предотвращает цитопатический эффект посредством ингибирования обратной транскриптазы и протеазы вируса, взаимодействия gp120 с CD4 [5]. Козалан был получен путем структурной модификации ауринтрикарбоновой кислоты (6), многофункциональной молекулы с потенциальной возможностью блокировать ВИЧ (как неспецифический ингибитор вирусной адсорбции). Тем не менее, низкая биодоступность (<1%) козалана, устойчивость к печеночному метаболизму и ограниченная диффузия через монослои Caco-2-клеток побудили ученых провести ряд химических модификаций, направленных на преодоление этих недостатков. OH OH OH OH Cl O O OH OH OH O O HO O HO O 6 Cl 7 Рисунок 5. Ауринтрикарбоновая кислота-6, козалан-7 Было установлено, что козалан ингибирует процесс проникновения ВИЧ в клетку. Затем последовала разработка его новых аналогов (8) и (9) (Рис.6), имеющих расширенный полианионный фармакофор. Они также как и козалан ингибировали вирусную адсорбцию. Соединение (8) (IC50 0.55мкМ) показало значительное увеличение в антивирусной эффективности против репликации ВИЧ-1RF в клетках CEM-SS по сравнению с козаланом (IС50 5.1мкМ), но в отличие от козалана оба аналога были неактивны как ингибиторы обратной транскриптазы, протеазы и интегразы. O OR OR O Cl O OR O O Cl O OR 8 R=H, 9 R=Na Рисунок 6.Аналоги козалана, имеющие расширенный фармакофор В серии конъюгатов козалана с аминокислотами (глицином, глутаминовой кислотой, аспарагиновой кислотой, лейцином, аланином, фенилаланином), конъюгат с глутаминовой кислотой (10) оказался самым активным. Он был более активным, чем производное глицина (11) во всех трех системах тестирования (IС50 9.2 против 50.8 мкМ в отношении штамма HIV1IIIB, 1.1 мкМ против 3.4 мкМ в отношении штамма HIV-1RF и 71.6 против >125 в отношении штамма HIV-2ROD), что показло, что наличие двух дополнительных карбоксильных групп привело к общему повышению анти-ВИЧ эффективности. O HOOC HOOC HOOC HOOC O OH HOOC Cl N H O HOOC H Cl N O N OH H N H HO HO Cl Cl 10 11 Рисунок 7. Конъюгаты козалана с аминокислотами Были синтезированы и оценены в отношении штаммов HIV-1RF, HIV-1IIIB и HIV-2ROD аналоги козалана (12-14), включающие два фрагмента фармакофора - ди(хлорсалицил)метана. Как показано в таблице 1, положение второго фармакофора не влияет значительно на анти-ВИЧ-активность. Таблица 1. Анти-ВИЧ активность козалана (7) и его аналогов с двумя фармакофорами IC50 (мкM) CC50 (мкM) Соединение HIV-1RF HIV-1IIIB HIV-2ROD CEM-SSMT-4-клетки (CEM-SS(MT-4(MT-4клетки клетки) клетки) клетки) 5.1 ± 2.13 3.0 ± 0.18 4.0 ± 2.1 >200 >125 7 12 ± 2.41 14 ± 0.69 50 ± 2.7 50 ± 14 115 12 1.3 ± 0.22 20 ± 3.0 74 ± 19 130 ± 19.5 >125 13 6.9 ± 1.79 9.9 ± 0.90 8.2 ± 1.8 58 ± 12 38 ± 12 14 COOH COOH HO OH Cl Cl OH Cl COOH COOH OH HOOC Cl Cl OH HO Cl HOOC HOOC HO HOOC 13 Cl Cl OH 12 HO O HO O H3CO OCH3 Cl Cl N Cl Cl H3CO OCH3 COOH COOH 14 Рисунок 8. Аналоги козалана с двумя фармакофорными фрагментами Недавно был получен новый агент FP-21399 (15) (Рис.9), производное бис(дисульфонафталина), которое находится на второй стадии клинических испытаний для системного введения в качестве ингибитора взаимодействия gp120 и CD4 [6]. Также наряду с полианионными агентами было фармакокинетически охарактеризовано соединение BMS378806 (16) - гетероциклическое производное, которое сейчас исследуется. BMS-378806, производное 4-метокси-7-азоиндола, ингибирует как лабораторные, так и клинические штаммы на наномолярном уровне. Этот агент препятствует проникновению вируса посредством связывания с gp120, блокируя тем самым взаимодействие с CD4. В испытаниях на животных и на первой стадии клинических испытаний, BMS-378806 показал хорошую биодоступность. Однако так как до конца не определен механизм действия, испытания BMS-378806 было прекращено, и он был заменен аналогом второго поколения BMS-488043 (17). Это соединение также показало хорошую биодоступность и противовирусную активность на стадии испытаний. Рисунок 9. Ингибиторы взаимодействия гликопротеина gp120 c CD4-рецептором Также было описано соединение (18) (Рис.10), как микромолярный ингибитор ВИЧинфекции [7]. Ряд исследований показал, что оно обладает противовирусной активностью, ингибируя взаимодействие клеток-мишеней с вирусом путем связывания с вирусной оболочкой. Так как анионные фрагменты снижают способность препарата проходить через мембраны, это соединение может воздействовать на внеклеточные компоненты клеток и оболочку вирусов. Также в ходе эксперимента было обнаружено, что этот анти-ВИЧ-агент эффективен против штаммов вируса, резистентных к другим ингибиторам проникновения, например к агенту BMS-378806 (16). Рисунок 10. Субмикромолярный ингибитор ВИЧ-инфекции Ингибиторы хемокиновых рецепторов ВИЧ проникает в клетки-мишени после последовательных взаимодействий вирусного белка с рецептором CD4 и корецепторами (CCR5 или CXCR4). Открытие этих корецепторов позволило понять механизм проникновения вируса в клетку, что делает их новыми интересными целями для терапии ВИЧ-инфекции. В качестве агентов, ингибирующих данную стадию репликации ВИЧ, исследуется широкий ряд соединений, в том числе и не полианионной природы. Агент AMD3100 (19) (Рис.11) был первым антагонистом хемокиновых рецепторов, введенным в клинические испытания для лечения ВИЧ-инфекции (соединение достигло второй фазы клинических исследований, но дальнейшее развитие было остановлено из-за кардиотоксичности) [8]. AMD3100 является бициклическим производным, обладающим сильной анти-ВИЧ-активностью благодаря ингибированию взаимодействия вирусного белка и CXCR4 с IC50 2-20 нМ (в зависимости от штамма вируса), но AMD3100 неактивен в отношении CCR5. AMD3100 широко используется для получения второго поколения CXCR4-антагонистов, которые обладают высокой антивирусной активностью, со значениями IC50 в диапазоне 0.0080.2 г/мл и более низкой токсичностью по сравнению с препаратом AMD3100. NH NH N NH NH N NH NH 19:AMD3100 Рисунок 11. Ингибиторы хемокиновых рецепторов Хемокиновые корецепторы CCR5 и CXCR4 способствуют слиянию вирус-клетка, в этой связи было разработано большое количество CCR5- и CXCR4-антагонистов. Многообещающими кандидатами для дальнейшего развития является соединения викривирок (21), TAK-220 (20) и PF-232798(22), они проходят вторую стадию клинических испытаний [9]. O O O N N NH2 N N N N N O CF3 N Cl O 20 ТАК-220 21 Викривирок N N H N N N O F 22 PF-232798 Рисунок 12. Ингибиторы корецепторов Большинство этих ингибиторов также блокируют физиологическую функцию взаимодействия рецепторa CCR5 с хемокинами, что считается безопасным для пациентов, находящихся под наблюдением, так как у пациентов с отсутствием CCR5 не наблюдается проблем со здоровьем. Тем не менее, для уменьшения токсичности и побочных эффектов предпочтительно использование противовирусных агентов, которые не блокируют активность хемокиновых рецепторов [10]. Одним из таких ингибиторов является аллостерический антагонист рецептора CCR5 Аплавирок (GW873240),который способен ингибировать R5-тропные штаммы ВИЧ с IC50 в пределах 0.1-0.4 нМ [11]. Особенностью соединения (30) является длительное время отщепления от рецептора – более 136 ч, что может придавать этой молекуле уникальные терапевтические свойства. O N N NH OH O HOOC O 30 Рисунок 12. Аплавирок Ингибиторы gp41 Белок gp41 играет большую роль в процессе слияния оболочек мембран вируса и клетки. Открытие гидрофобной впадины на поверхности участка N-HR белка gp41, как возможного сайта связывания для ингибиторов, имело чрезвычайное значение, так как это привело к заключению о том, что обе N- и С- терминальные области белка gp41 могут служить мишенью для ингибиторов слияния [12]. Рисунок 13. Ингибиторы gp41 Для разработки таких ингибиторов был использован высокопроизводительный скрининг, в ходе которого были созданы два N-замещенных пиррола, NB-2 (31) и NB-64 (32) (Рис.13). Они блокируют слияние ВИЧ-1 и противодействуют проникновению как лабораторно адаптированных, так и первичных штаммов ВИЧ-1 на микромолярном уровне. Более позднее, на основания высокопроизводительного скрининга и структурного дизайна, были открыты производные индола как ингибиторы gp41. Также как ингибитор gp41, была изучена бетулиновая кислота (33) – терпеноид, выделенный из листьев растения Syzigium claviflorum. Было установлено, что она обладает сильной ингибирующей активностью в отношении ВИЧ-1 с IC50 1.4 µМ [12]. Высокую противовирусную активность в отношении штамма ВИЧ-1IIIB с IC50 38.9 µМ показала эпициановая кислота (34) (Рис.14) [13]. Это соединение имеет два природных конфигурационных изомера, один из которых обладает антимикробным действием. Соединение мало распространено в природе, поэтому был разработан его синтез из бетулина (35), который доступен по низкой цене. Рисунок 14. Терпены как ингибиторы gp41 В заключение можно отметить, что несмотря на широкий спектр уже полученных соединений, обладающих анти-ВИЧ-активностью, остается актуальной проблема поиска новых полианионных соединений, способных препятствовать проникновению вируса в клетки. 1. Список литературы S. Sierra, B. Kupfer, R. Kaiser. Basics of the virology of HIV-1 and its replication// J.Clin.Virol. 2005. V.34. N 4. P. 233–244. 2. C. Urbinati, P. Chiodelli, M. Rusnati. Polyanionic drugs and viral oncogenesis: a novel approach to control infection, tumor-associated inflammation and angiogenesis// Molecules. 2008. V.13. N 11. P. 2758-2785. 3. V. Pirrone, B. Wigdahl, F. C. Krebs. The rise and fall of polyanionic inhibitors of the human immunodeficiency virus type 1//Antiviral Res. 2011. V.90. N 3. P. 168–182. 4. R.D. Kensinger, B.J Catalone., F.C. Krebs. Novel polysulfated galactose-derivatized dendrimers as binding antagonists of human immunodeficiency virys type 1 infection//Antimicrob. Agents Chemother. 2004. V.48. N 5. P.1612-1623. 5. Zhan P, Li Z, Liu X. Cosalane and its analogues: a unique class of anti-HIV agents// Mini.Rev.Med.Chem. 2010.V 10. N 10. P. 966-76. 6. Teixeira C., Gomes J. R. B., Gomes P., Maurel F. Viral surface glycoproteins, gp120 and gp41, as potential drug targets against HIV-1: Brief overview one quarter of a century past the approval of zidovudine, the first anti-retroviral drug.// Eur.J.Med.Сhem. 2011. V46. P.979-992. 7. Tsou L.K., Chen C.-H., Dutschman G. Blocking HIV-1 entry by a gp120 surface binding inhibitor// Bioorg.Med.Chem. Lett. 2012. V22. P. 3358–3361. 8. Rusconi S., Mirko Lo Cicero. New macrocyclic amines showing activity as HIV entry inhibitors against wild type and multi-drug resistant viruses.// Molecules. 2009. V.14. N 5. P. 1927-1937. 9. Rusconi S., Cicero M., Viganò O.. Highly active antiretroviral therapy for treatment of HIV/AIDS patients: current status and future prospects and the Indian scenario// HIV & AIDS Review. 2012. V. 11. N 1. P. 5–14. 10. Баранова E. О., Шастина Н.С., Швец В.И.. Полианионные ингибиторы адсорбции ВИЧ// Биоорган. химия. 2011. Т. 37. №5. с. 592-608. 11. Maeda K, Nakata H, Koh Y, Miyakawa T, Ogata H, Takaoka Y, Shibayama S, Sagawa K, Fukushima D, Moravek J, Koyanagi Y, Mitsuya H. Spirodiketopiperazine-based CCR5 inhibitor which preserves CC-chemokine/CCR5 interactions and exerts potent activity against R5 human immunodeficiency virus type 1 in vitro// J.Virol. 2004. V. 78. N 16. P. 8654-62. 12. Teixeira C., Gomes J. R.B., Gomes P., Maurel F.. Viral surface glycoproteins, gp120 and gp41, as potential drug targets against HIV-1: Brief overview one quarter of a century past the approval of zidovudine,the first anti-retroviral drug// Eur. J. Med. Chem. 2011. V46. P.979-992. 13. Zhang P., Xu L., Qian K. and other. Efficient synthesis and biological evaluation of epiceanothic acid and related compounds// Bioorg.Med.Chem. Lett. 2011. V.21. P. 338341.
