![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Стратегической целью проекта является выявление структурных особенностей лигандов, обладающих как положительным, так и отрицательным модулирующим действием в отношении глутаматергической системы, и определение принципов управления профилем их активности для создания на их основе лекарственных препаратов нового поколения для эффективной терапии болезней и патологий, связанных с нарушением ее функционирования. Конкретной задачей проекта является разработка комплексной стратегии создания оригинальных мишень-ориентированных физиологически активных соединений, выступающих в качестве положительных или отрицательных модуляторов глутаматергической системы и отличающихся более высокой эффективностью, более низкой токсичностью, улучшенными фармакокинетическими характеристиками по сравнению с известными агентами, а также получение экспериментальных образцов соединений-лидеров для ранних доклинических исследований.
Glutamatergic system plays a critical role in the functioning of the mammalian central nervous system and in the pathogenesis of its disorders. An important place in it belongs to the ionotropic glutamate receptors (glutamate-gated ion channels) that can serve as therapeutic targets in many neurodegenerative and psychoneurological disorders. In particular, the AMPA receptors and closely related kainate receptors have the fastest signal transmission and play a key role in supporting synaptic plasticity that represents one of the mechanisms of learning and memory formation. They can also serve as targets for the development of novel therapeutic agent classes for treatment or substantial correction of serious neurodegenerative and psychoneurological disorders such as epilepsy, Alzheimer’s and Parkinson’s diseases, soft cognitive disorders, age-related cognition and memory impairments, autism, depression, drug addiction, etc. The project aims to solve a fundamental problem of controlling the activity profile of physiologically active compounds that can potentially act on different biological targets and binding sites, in particular, for the glutamatergic system modulators that can provide a basis of a platform for discovery and development of promising neuropharmacological agents. The strategic aim of the project is the identification of structural features of the ligands having positive or negative modulator activity towards the glutamatergic system and the formulation of principles of controlling their activity profiles for the creation of the novel generation pharmaceuticals for effective treatment of diseases and pathologies associated with its disrupted operation. The project implies the development of an integrated strategy for the design of original target-oriented physiologically active compounds that possess positive or negative modulator activity to glutamatergic system and higher efficacy, lower toxicity and better pharmacokinetic properties compared to known agents, as well as the production of experimental samples of lead compounds for early preclinical studies. The fulfillment of these far-reaching goals will be based on an integrated combination of several mutually complementing approaches, including the analysis and modeling of different modulator mechanisms of action; the design of promising molecular structures on the basis of molecular modeling, structure-activity relationship analysis, and virtual screening for the creation of original structural classes of the glutamate receptor ligands; the synthesis of the series of novel compounds as positive and negative allosteric modulators of glutamate receptors based on original scaffolds; the integrated biological studies for the series of novel synthesized compounds potentially having the desired activity; the optimization of the lead compound structures in order to achieve optimal efficacy and required pharmacokinetic and pharmacodynamic properties, as well as the completion of a set of tests for the most promising compounds in order to select the candidates for the early preclinical studies. The scientific novelty of the proposed project lies in deeper understanding of the mechanisms of action of positive and negative glutamatergic system modulators and the principles of controlling their activity profiles, as well as in the development of the new classes of structures efficiently modulating its function, based on the integrated application of the fundamental drug design approaches: (1) the methods of computer-aided molecular modeling for the elucidation of relationships between the bioactivity of target-oriented compounds and the structural features of their molecules, (2) the optimization of the required properties of the molecules, such as geometry, positions of specific functional groups, lipophilicity, polarity, etc., (3) the development and optimization of synthetic schemes, (4) the integrated biological studies, elucidation of the structure-activity relationships and optimization of lead compounds. The strategy of a scientific research based on this approach differs significantly from the previously employed methods involving total screening of small-molecule organic compounds, isolation and study of natural compounds, or synthesis of analogs of known drugs. As a result of the implementation of the proposed research, both the breakthrough fundamental scientific results will be obtained (development of efficient methods for the production of novel series of physiologically active compounds, elucidation of significant structure-activity relationships) and the basis for subsequent extended research aimed at the translation to the development of a new generation of highly efficient neuropharmacological agents will be created (formation of a broad library of target-oriented structures satisfying the requirements of active substance design, generation of comprehensive biological screening data). Taking into account the novel structures of proposed compounds, the lead compounds found in the course of the project can be patented and become the candidates for full-scale preclinical studies.
В ходе выполнения проекта будет осуществлена детальная компьютерная оценка возможности взаимодействия положительных и отрицательных модуляторов глутаматергической системы с различными мишенями и сайтами связывания (включая, в первую очередь, сайты связывания ионотропных глутаматных рецепторов различных типов и подтипов) модуляторов, что позволит глубже понять механизмы их действия и сформулировать принципы управления профилем активности. На этой основе будут сконструированы серии веществ с заданным прогнозируемым профилем активности, осуществлен их синтез, проведены исследования in vitro электрофизиологическим методом patch clamp, исследования связывания с различными мишенями радиолигандным методом, исследования нейропротекторной активности на клеточных культурах. Для наиболее перспективных веществ будут выполнены исследования in vivo – поведенческие тесты, исследования противосудорожной активности и др. с целью выявления соединений-лидеров. Основным итогом выполнения настоящего проекта станет создание нового поколения физиологически активных веществ, обладающих заданным профилем действия для создания нейрофармакологических агентов для лечения или существенной коррекции социально значимых нейродегенеративных и психоневрологических заболеваний. С учетом оригинальности структур предлагаемых веществ, найденные в рамках проекта соединения-лидеры могут быть предметом патентования и кандидатами для полномасштабных доклинических исследований. Результаты проекта будут соответствовать современному мировому уровню и будут опубликованы в ведущих высокорейтинговых международных научных журналах.
Для успешного выполнения предложенного проекта у исследовательского коллектива имеется значительный опыт в области направленного многостадийного синтеза физиологически активных соединений, разработки методов анализа связи «структура-активность», молекулярного моделирования структуры биологических мишеней и их взаимодействия с лигандами, построения фармакофорных моделей и моделей QSAR, компьютерного молекулярного дизайна и виртуального скрининга потенциально активных соединений, а также в области широкого спектра исследований биологической активности. У коллектива имеется обширный опыт моделирования пространственной структуры и конструирования активных и селективных лигандов многих фармакологически важных рецепторов на основе сочетания методов моделирования белков по гомологии, суперкомпьютерного моделирования молекулярной динамики, анализа связи «структура-активность» и виртуального скрининга. Коллектив обладает значительным опытом в разработке и оптимизации многостадийных синтетических схем, создании фокусированных библиотек на основе различных скаффолдов, масштабировании синтеза. Ранее нами были уточнены структурные требования для молекулярного дизайна новых перспективных бивалентных положительных аллостерических модуляторов AMPA-рецептора. Рациональное сочетание возможностей дополняющих друг друга методов позволило создать систему виртуального дизайна новых активных и селективных аллостерических модуляторов АМРА-рецептора, обеспечивающую высокую точность и эффективность поиска. Нами были сконструированы и синтезированы десятки соединений различных классов, показавшие исключительно высокую биологическую активность в качестве положительных и отрицательных модуляторов АМРА-рецептора. Таким образом, имеющийся у коллектива успешный опыт совместной работы и задел в области представляемого проекта послужат надежной базой для успешной его реализации и получения прорывных результатов.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 11 мая 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Управление профилем активности модуляторов глутаматергической системы как метод создания нейрофармакологических агентов |
Результаты этапа: В ходе работы по проекту в 2022 году для серии структур вероятных модуляторов AMPA-рецептора проведено моделирование молекулярной динамики и детальный анализ характера и энергии взаимодействия в их комплексах с сайтом связывания положительных аллостерических модуляторов на интерфейсе между субъединицами в димерном лиганд-связывающем домене. Это позволило уточнить факторы, которые потенциально могут определять профиль модуляторной активности родственных соединений, и сформулировать гипотезу, что для проявления высокой положительной модуляторной активности молекула лиганда должна достаточно стабильно связываться в центральном или центральном и боковом карманах сайта связывания, при этом желательна свободная энергия связывания MM-GBSA порядка –40 ккал/моль или лучше. В то же время общей отрицательной модуляторной активности способствуют излишняя экспонированность лиганда в раствор и расхождение субъединиц рецептора, а также менее выгодные значения энергии связывания. С использованием уточненных моделей структуры AMPA-рецептора и сайтов связывания его аллостерических модуляторов выполнен молекулярный дизайн новых модуляторов, обладающих оптимальным связыванием с рецептором и набором прогнозируемых фармакокинетических параметров и физико-химических свойств, причем для рассматриваемых соединений в принципе возможно связывание в сайтах, характерных как для положительных, так и для отрицательных аллостерических модуляторов. На основе молекулярного моделирования и виртуального скрининга сформированы три фокусированных библиотеки соединений – потенциальных положительных и отрицательных аллостерических модуляторов глутаматергической системы, и определен набор структур лигандов, имеющих оптимальное значение энергий связывания с различными сайтами связывания глутаматергической системы. На основе моделирования молекулярной динамики выполнены расчеты значений свободных энергий и констант связывания лигандов с аллостерическими сайтами рецепторов глутаматергической системы для обширного и представительного набора структур модуляторов. В результате проведения молекулярной динамики и детального молекулярного моделирования комплексов лигандов с сайтами связывания рецепторов глутаматергической системы отобран ряд перспективных структур, для которых получены данные прогноза ADMET-параметров. Для большинства соединений набор этих параметров близок к оптимальному или, по крайней мере, является приемлемым для соединений-лидеров на ранних этапах разработки лекарств для коррекции нарушений функций центральной нервной системы, хотя в ряде случаев может потребоваться дополнительная оптимизация некоторых параметров. Разработаны и оптимизированы синтетические подходы и осуществлен многостадийный синтез 7 новых соединений-кандидатов, отобранных на основе молекулярного моделирования для первичных или расширенных биологических исследований в качестве потенциальных модуляторов AMPA-рецептора, включая серии бис(пиримидинов) и трициклического производного биспидина с индановым фрагментом, осуществлена оптимизация синтеза и наработка ряда соединений, а также изучены синтетические подходы к ряду других соединений, представляющих интерес как потенциальные модуляторы AMPA-рецептора. Для семи синтезированных соединений электрофизиологическим методом patch clamp было изучено модулирующее действие на ответы (ионные токи) АМРА-рецепторов в нейронах головного мозга млекопитающих. Все исследованные соединения оказались активными. В широком диапазоне концентраций (10–11 – 10–7 М) они вызывают концентрационно-зависимую потенциацию токов АМРА-рецепторов, т.е. являются их положительными модуляторами. Два наиболее активных соединения обеспечивают наибольшую потенциацию в диапазоне концентраций 10–11 – 10–9 М (максимальная потенциация +53% в концентрации 10–9 М) и 10–10 – 10–7 М (максимальная потенциация +77% в концентрации 10–9 М). Характерной особенностью новых соединений является чрезвычайно широкий диапазон концентраций (5–7 порядков), на протяжении которого модуляция токов АМРА-рецепторов сохраняется почти неизменной, и отсутствие блокирующего эффекта в максимальной исследованной для положительных модуляторов концентрации 10–6 М. Следует подчеркнуть, что такой результат – семь активных веществ из семи исследованных – вряд ли мог быть достигнут без целенаправленного синтеза структур, отобранных по результатам молекулярного моделирования. По результатам исследований опубликовано 2 статьи в изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science) или «Скопус» (Scopus) (в том числе 1 – в журналах Q1). Кроме того, ряд статей готовится к печати. Таким образом, план работ на 2022 год выполнен полностью и все запланированные научные результаты достигнуты. | ||
2 | 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Управление профилем активности модуляторов глутаматергической системы как метод создания нейрофармакологических агентов |
Результаты этапа: В ходе работы по проекту в 2023 году проведен детальный анализ возможностей взаимодействия модуляторов с ключевыми сайтами связывания AMPA-рецепторов и возможных молекулярных механизмов их действия с помощью методов моделирования молекулярной динамики. Показано, что для профиля активности отсутствуют простые корреляции не только со значением оценочной функции докинга, но и с положением лиганда в сайте связывания, смещением молекулы в ходе молекулярно-динамической траектории или оценкой свободной энергии связывания MM/GBSA. В то же время подтверждена применимость к AMPA-рецептору и перспективность подхода, связывающего различия в профиле активности положительных модуляторов с тонкими различиями в динамическом поведении субъединиц рецептора, которые, в свою очередь, могут влиять на его открытие, закрытие и десенситизацию. Кроме того, установлена возможность связывания и потенциальная значимость для действия соединений недавно обнаруженного сайта отрицательных модуляторов в аминоконцевом домене. Эти результаты открывают новые возможности для более углубленного анализа механизма функционирования рецептора, а также позволяют уточнить и объяснить закономерности связи «структура-активность» с учетом вновь полученных биологических данных и сформулировать подходы к направленному поиску и дизайну модуляторов с заданным профилем активности. С применением метода анализа главных компонент (PCA) построена модель связи «структура–активность», устанавливающая соотношение между профилями активности положительных модуляторов AMPA-рецептора и их энергиями связывания MM/GBSA и геометрическими параметрами взаимного расположения субъединиц в их комплексах с рецептором (усредненными по времени значениями углов и расстояний между ключевыми элементами их вторичной структуры). Обнаружено наличие корреляции между профилем активности и положением соединений в пространстве главных компонент: высокоактивные положительные модуляторы (и, в меньшей степени, отрицательные модуляторы) AMPA-рецептора группируются в области высоких положительных значений первой компоненты, тогда как умеренно активные положительные модуляторы и неактивные соединения находятся в области отрицательных значений первой компоненты. После уточнения эта модель позволит прогнозировать профиль активности и на этой основе проводить направленное конструирование и оптимизацию как положительных, так и отрицательных активных и селективных модуляторов. В структуру системы виртуального дизайна новых аллостерических модуляторов глутаматергической системы были включены элементы, обеспечивающие анализ траекторий молекулярной динамики комплексов лигандов с мишенями и расчет по ним различных параметров, что позволит учитывать при скрининге как прогнозируемые энергии связывания, так и параметры структуры мишеней. После уточнения моделей это позволит проводить направленное конструирование и оптимизацию как положительных, так и отрицательных активных и селективных модуляторов AMPA-рецептора, обладающих хорошим прогнозируемым связыванием с рецептором и приемлемыми ADMET-свойствами. Кроме того, выполнена углубленная оптимизация структур потенциальных модуляторов AMPA-рецептора в ряду бис(пиримидинов) с гидрохиноновым линкером. Для синтеза были рекомендованы три структуры, обладающие хорошим прогнозируемым связыванием с сайтом положительных модуляторов рецептора по данным молекулярного докинга, моделирования молекулярной динамики и оценки свободной энергии связывания методом MM/GBSA, а также приемлемыми ADMET-свойствами. Разработана фокусированная библиотека потенциальных модуляторов AMPA-рецептора в рядах производных биспидина с индановым фрагментом, а также бис(изоксазолов) и бис(сульфонамидов) с бифенильным линкером, обладающих оптимальным прогнозируемым связыванием с рецептором и приемлемым набором прогнозируемых физико-химических и ADMET-свойств (всего 12 соединений) для дальнейшего синтеза и исследования. Разработаны и оптимизированы синтетические подходы и осуществлен многостадийный синтез 13 новых соединений-кандидатов, отобранных на основе молекулярного моделирования для первичных или расширенных биологических исследований в качестве потенциальных модуляторов AMPA-рецептора, включая серии бис(изоксазолов) с бифенильными и дитиольными линкерами, бис(сульфонамидов) с бифенильными линкерами, бис(пиримидинов) с гидрохиноновым линкером и трициклических производных биспидина с индановым фрагментом, осуществлена оптимизация синтеза и наработка ряда полученных ранее соединений, а также изучены синтетические подходы к ряду других соединений, представляющих интерес как потенциальные модуляторы AMPA-рецептора. Для пяти синтезированных соединений электрофизиологическим методом patch clamp изучено модулирующее действие на ответы (ионные токи) АМРА-рецепторов в нейронах головного мозга млекопитающих. Все исследованные соединения оказались активными. Четыре соединения в широком диапазоне концентраций (10–11 – 10–6 М) вызывают концентрационно-зависимую потенциацию токов АМРА-рецепторов, т.е. являются их положительными модуляторами, причем для наиболее активного соединения достигается потенциация на +77% в концентрации всего 0.1 нМ. Одно соединение в зависимости от действующей концентрации способно увеличивать токи (10–12 – 10–8 М, максимальная потенциация +52% при концентрации 1 нМ) или уменьшать их (10–7 – 10–6 М, максимальное снижение –38% при концентрации 0.1 мкМ). Следует подчеркнуть, что такой результат – пять активных веществ из пяти исследованных – вряд ли мог быть достигнут без целенаправленного синтеза структур, отобранных по результатам молекулярного моделирования. Для двух перспективных синтезированных соединений проведены исследования на острую токсичность с использованием МТТ-теста. Данные соединения были выбраны как обладающие высокой положительной модуляторной активностью в субнаномолярных концентрациях (по данным электрофизиологических экспериментов) и приемлемыми прогнозируемыми значениями фармакокинетических параметров, в том числе способностью проникать через гематоэнцефалический барьер. Одно из соединений показало значительную и устойчивую выживаемость клеток в диапазоне концентраций от 1 мМ до 10 мкМ. Для двух перспективных соединений проведено исследование связывания с потенциальными мишенями методом радиолиганд-рецепторного анализа с использованием в качестве эталонного лиганда меченого тритием высокоэффективного положительного аллостерического модулятора АМРА-рецепторов. Показано, что они с высокой эффективностью связываются с теми же мишенями, что и эталонный положительный аллостерический модулятор, причем полученные данные указывают на возможность синергического кооперативного эффекта при их одновременном действии, обусловленного изменением конформации биомишени. Для одного перспективного соединения проведены исследования нейропротекторной активности на модели вызванного перекисью водорода окислительного стресса в культуре гиппокампальных клеток линии HT-22. Показано, что при внесении вещества как за 24 часа до перекиси водорода, так и непосредственно после добавления перекиси водорода значимый уровень защиты клеток от повреждения обеспечивается в диапазоне концентраций 10–8 – 10–10 М. По результатам исследований опубликовано 3 статьи в журналах Q1, индексируемых на Web of Science и Scopus. Результаты работы по гранту представлены на 5 конференциях (один приглашенный доклад, 3 устных и 1 стендовый). Таким образом, план работ на 2023 год выполнен полностью и все запланированные научные результаты достигнуты. | ||
3 | 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. | Управление профилем активности модуляторов глутаматергической системы как метод создания нейрофармакологических агентов |
Результаты этапа: |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".