УДК 615.4:547.388;615.015.11

ПРОГНОЗУВАННЯ ЛІКУВАЛЬНО-ЗАХИСНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ТА ТОКСИЧНОСТІ ОКСИМНИХ І БЕЗОКСИМНИХ ЧЕТВЕРТИННИХ ПІРИДИНОВИХ СПОЛУК

М.А. Мохорт, проф., Л.С. Бобкова, к.х.н., Л.M. Киричок, к.м.н., Т.П. Притула, к.б.н., Н. M. Серединська, к.м.н..

Інститут фармакології та токсикології АМН України

За сучасними уявленнями стратегія досліджень по розробці лікарських речовин будується на вивченні та моделюванні зв'язку "структура—активність". Це дозволяє передбачати біологічні властивості нових сполук та зрозуміти молекулярні вимоги до їх структур.

Прогнозування біологічних властивостей хімічних сполук пов'язане з пошуком кількісних співвідношень між структурою та активністю.

Кількісна оцінка зв'язку між хімічною структурою та біологічною активністю конкретних сполук здійснюється на основі кореляційних рівнянь, за якими біологічна активність є функція їх фізико-хімічних параметрів. Тобто, знайти такі кількісні співвідношення означає встановити функціональний зв'язок біологічної активності з деякими параметрами (дескрипторами), що входять до кореляційних рівнянь. Оптимальний вибір дескрипторів для кореляційних рівнянь, як правило, чітко пов'язаний із рівнем експериментальних дослідженнь молекулярного механізму дії.

Якщо такі дескриптори знайдені і встановлена кореляція, тоді можна визначати, у якому напрямку слід змінювати структуру даної сполуки, щоб очікуваний результат був досягнутий. Такі рівняння дають змогу прогнозувати біологічну активність нових речовин, здійснювати вибір серед них потенційно найбільш ефективних та оцінювати можливі молекулярні механізми їх дії. Такі дослідження направлені на створення більш досконалих препаратів, перевершуючих по активності відомі прототипи.

Ці принципи були широко використані для створення багатьох b-адреноблокаторів, курареподібних засобів, блокаторів Н2-рецепторів, гангліоблокаторів та ін. [1].

Розроблені підходи доцільно поширити на пошук селективних реактиваторів холінестерази, заблокованої фосфорорганічними сполуками (ФОС), серед оксимних та безоксимних солей піридину, так як вважають, що взаємодія реактиваторів з фосфорильованою холінестеразою носить електронно-конформаційний характер та має чітко виражену стереоспецифічність [2-5].

Мета даних досліджень полягала у встановленні кореляційних зв'язків фізіологічної активності оксимних та безоксимних четвертинних піридинових сполук від електронних параметрів їх молекул.

Ступінь фізіологічної активності сполук визначався їх здатністю знижувати летальність тварин, отруєних саредньо-смертельними дозами карбофосу та хлорофосу, використаних в якості інгібіторів холінестерази.

Первинна дія ФОС полягає в утворенні достатньо міцного зв'язку з ферментом, в результаті чого порушується механізм передачі нервового імпульсу.

При отруєннях ФОС застосовують холінолітики, головною особливістю яких є здатність блокувати холінорецептори. Як правило, активність холінолітиків підсилюють одночасною дією реактиваторів.

Хімічні та фізичні властивості реактиваторів сприяють орієнтації їх молекул на молекулі ферменту, заблокованого фосфорорганічною сполукою. В результаті реакції нуклеофільного заміщення зв'язок ФОС з ферментом розривається і відновлюється структура та активність холінестерази.

За власними даними та даними літератури [3,4] сполуки з найкращими показниками реактивуючої властивості зустрічаються серед піридинальдоксимів. Оксимна група належить до хромофорних, виділених серед інших нуклеофільних груп, та є відповідальною за безпосередню взаємодію з фосфорильованим ферментом.

В наших дослідах вивчено 8 сполук (табл.1). Структуру молекул 1-8 охарактеризували простими та доступними універсальними параметрами: загальна кількість валентних електронів (Z), ядер (N), s- та p- зв'язків, вільних пар електронів (а) та їх співвідношення [6].

Гостру токсичність визначали при внутрішньом'язовому введенні водних розчинів сполук 1-7 щурам масою від 180 до 220 г та обчислювали за методом найменших квадратів [7]. У табл. 1 наведені середньостатистичні показники біологічних властивостей хімічних сполук. За ступенем токсичності сполуки можна розмістити в ряд: 7>2>4>6>1>5>3.

Ступінь терапевтичного ефекту оцінювали за величиною захисного індексу (ЗІ) — відношення ЛД50 ФОС лікованих тварин до ЛД50 ФОС не лікованих. При лікуванні отруєнь ФОС сполуки використовували як самостійно (ЗІсп), так і з холінолітиком (ЗІсп+хол).

Здатність сполук відновлювати активність холінестерази, пригніченої карбофосом та хлорофосом, вивчали у дослідах in vivo. Величини захисного індексу досліджуваних сполук (табл.1), застосованих як з холінолітиком, так і без нього, свідчать про виражений терапевтичний ефект. Дипіроксим (7) та сполука 1 з пара-альдоксимною групою піридинового фрагменту проявляють близькі лікувальні властивості при отруєнні карбофосом. Сполуки 4 та 6 з кетоксимною групою в цих же умовах проявляють дещо кращу лікувальну дію. Вони виявилися більш токсичними, ніж сполука 1, але менш токсичними, ніж дипіроксим (ТМБ-4), токсичність якого становить 89 мг/кг (щури). Сполуки 2 та 5 не мають оксимної групи. Спільним для них є метилморфолінна група з четвертинним атомом азоту та піридиновий фрагмент, теж з четвертинним атомом азоту. Відмінність їх структур — у замісниках піридинового ядра, для сполуки 2 — це b-оксиетилімінометильний замісник у пара положенні, для сполуки 5 — це бензилкарбамоїльний замісник у мета положенні. Таким чином, в умовах інтоксикації карбофосом найбільш виражений терапевтичний ефект за показником ЗІ проявляє сполука 5, хлорофосом — сполуки 1, 3, 6.

Застосування сполук 1-7 з холінолітиком приводить до зростання величини ЗІ до 30 %. В цілому, в порівнянні з дипіроксимом, сполуки піридину 1-6 в проведених експериментах проявляють близький чи дещо кращий терапевтичний ефект і, що важливо, характеризуються меншими значеннями токсичності.

За отриманими результатами, сполуки 2, 3, 5, що не мають оксимних замісників, не поступаються сполукам 1, 4, 6, 7 (табл.2).

Можна припустити, що такий ефективний лікувальний результат може бути пов'язаний з наявністю можливих холінолітичних властивостей. Тому здатність сполук 1-6 відновлювати ацетилхолінестеразу також вивчали у порівнянні з дипіроксимом (в дослідах in vitro на холінестеразі строми еритроцитів крові людини). Відновлення активності ферменту досліджували при 25°С у фосфатному буфері при рН 7,5. Пригнічення ацетилхолінестерази (АХС) досягали, додаючи інгібітори карбофос та хлорофос у кількості, що забезпечує зниження активності на 70-90 % за 30 хвилин. Відновлення пригніченої ацетилхолінeстерази (АХЕ) здійснювали сполуками при їх концентрації 1•10-4 моль/л. Активність ферменту визначали методом потенціометричного титрування. Як передбачалося, сполука 1 з альдоксимною групою у піридиновому ядрі відновлює ацетилхолінестеразу, пригнічену карбофосом та хлорофосом, швидше, ніж дипіроксим, і до більш високого рівня. Дещо менший рівень відновлення активності АХЕ характерний для сполук 6 та 4. За реактивуючими властивостями на підставі експериментальних даних в дослідах in vitro ці сполуки можна розмістити в ряд: 1>=7>6>4.

Незважаючи на деякі відмінності в структурах сполук 1-8, була здійснена спроба побудувати математичні моделі (рівняння) залежності біологічних властивостей від характеристик структури їх молекул [6, 8, 9-11]. Біологічні властивості, прогнозування яких передбачаються, представлені величинами захисних індексів та токсичності. Математичні рівняння, що описують лінійні залежності вибраних параметрів, розрахували за програмою для ПК "STATISTICА", версія 5.1.

Отримані залежності "структура—активність" наведені в табл. 3. Рівняння I-V побудовані для всіх досліджуваних сполук, а рівняння VI-X (табл. 3) тільки для оксимних сполук 1, 4, 6, 7.

Математичні моделі І, III, V не враховують показників атропіну (є пропущені значення). Значення статистичних показників збудованих математичних моделей, а також аналіз залишків, свідчать про їх достовірність. Залишки — це різниця між експериментальними та теоретичними значеннями захисних індексів. Аналогічна різниця розглядається для токсичності. Вона дає можливість оцінювати адекватність моделі. Так, для моделі I співставлення розрахункових та експериментальних величин ЗІ показує деяке їх розходження для сполук 3 та 5, а саме 1,76 проти 1,94 та 2,12 проти 1,94 відповідно, але інші значення дуже близькі між собою. Як показано на графіку, значення ЗІ, отримані за експериментальними даними, практично для всіх сполук співпадають із їх значеннями, отриманими за рівнянням VI (рисунок).

Важливою є виявлена залежність токсичності від деяких характеристик структури, що не завжди і не для всіх рядів біологічних сполук має місце. Величина токсичності, як показують рівняння V та X, повўязана з кількістю вільних пар електронів молекули та її молекулярною масою. Співставлення рівняння V, що описує залежність токсичності від молекулярних параметрів структури для всіх сполук, та рівняння X тільки для оксимних, показує їх ідентичність, тобто в рівняння входять однакові параметри: кількість вільних пар в молекулі та її молекулярна маса.

Аналогічно, рівняння III та VIII; IV та IX вказують на залежність ЗІ від спільних параметрів молекул, а саме співвідношення z/n та молекулярної маси відповідно. Для інших пар рівнянь (з усієї вибірки та тільки для оксимних сполук) такої відповідності немає. В цілому, для меншої вибірки основним параметром структури є молекулярна маса, а для більшої вибірки — z/n (рівняння I,III, IV) та p/s (рівняння I,II).

Моделі III-V характеризуються кращими статистичними показниками з рівнем значимості a від 0,09 до 0,007. За рівнянням IV, величина ЗІ сполук, які застосовують з холінолітиком при лікуванні отруєнь хлорофосом, залежить від співвідношення z/n та молекулярної маси молекули. Щільність звўязку ЗІсп+хол із величинами z/n, Mм характеризується коефіцієнтом кореляції 0,93. Розглянуте рівняння IV охоплює 86,1 % вибірки з достовірністю 99,3 % (a<0,007).

Отримані дані про кореляційну залежність фізіологічної активності проаналізованих сполук від параметрів їх структури доцільно використати для подальших цілеспрямованих пошуків нових, більш активних лікарських засобів, прогнозування ступеню їх токсичності та терапевтичної активності при лікуванні отруєнь ФОС.

Висновки.

1. При отруєннях карбофосом та хлорофосом прогнозування лікувально-захисних властивостей оксимних та безоксимних четвертинних піридинових сполук можливе за кореляційними рівняннями "структура-активність".

2. Захисний індекс при отруєннях хлорофосом визначається співвідношенням загальної кількості валентних електронів до загальної кількості ядер молекули, а для карбофосу — окрім цього ще й співвідношенням числа p-зв'язків до числа s-зв'язків.

3. Токсичність (ЛД50) четвертинних піридинових сполук залежить від числа вільних пар електронів їх молекул та молекулярної маси.

Лiтература

1. Харкевич Д.А. Успехи и перспективы развития фармакологии // —Тезисы докладов. Пятое Краковское чтение. —Киев, 1989. —31 с.

2. Beninfeld Z., Dtljac B., Kamenar I., Vickivic I. Structure —activity relation ship in bispyridinium monooxime antidotes againg soman poisoning //Acta pharm. Jugosl. —1984. —V. 34, N 4. —P. 195-199.

3. Cray A.P. Desingn and structure —activity relation ships of antidotes to organophosphorus anticholinesterase agents //Drug. Metab.Res. —1984. —V. 15, № 3. —P. 557—589.

4. Мохорт М.Ф., Притула Т.П. Гостра токсичність деяких похідних біспіридинію у зв'язку з терапією уражень фосфорорганічними сполуками //Современные проблемы токсикологии. —1998. —№ 2. —С. 47-49.

5. Тропша А, Нижний С.В., Ягужинский Л.С. Взаимосвязь структуры и активности антагонистов мускаринового ацетилхолинового рецептора: четыре способа связывания антагонистов с рецептором. //Биоорг. Химия. —1995. —Т. 11, N 10. —С. 1402-1416.

6. Саркісов Л.С., Івченко А.В., Чомаєва С.Х., Оганесян Е.Т. Обгрунтування нових універсальних параметрів у вивченні кількісних співвідношень структура—активність //Фармац. журн. —1994. —№ 4. —С. 36-42.

7. Прозоровский В.Б., Прозоровская М.П., Демченко В.М. Экспресс-метод определения активности дозы и ее ошибки //Фармакология и токсикология. —1978. —№ 4. —С. 497-502.

8. Овруцький В.М., Шумейко В.М., Бобкова Л.С., Овруцький О.В. Первинна оцінка причин токсичності препаратів методами математичної статистики //Екологічна токсикологія на порозі ХХІ сторіччя. —Київ, 1997. —С. 51-53.

9. Парамонов А.Л., Поташников П.Ф. Биоактивность — функция структуры. Сообщение 17. Математические модели "структура—активность" для полициклических эффекторов ГАМК —рецепторного комплекса //Хим. фарм. журн. —1998. —№ 6. —С. 31-34.

10. Портнягина В.Ф., Пантелеймонов Ф.Г., Бобкова Л.С. Антиокислительная активность реактиваторов холинэстеразы в ряду пиридинальдоксимов //Фармакология и токсикология. —1992. —№ 27. —С. 79-81.

11. Яворський О.П., Опейда Й.О., Зенкіна В.І. Прогнозування токсичностей з метою прискорення розробки екологічно малонебезпечних хімічних речовин //Журн. АМН України. —1996. —Т. 2, № 3. —С. 477-487.