Полианионные ингибиторы адсорбции ВИЧ Студент 6 курса

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.