Predictability study of the pharmacodynamic properties of drugs in silico by the example of comparing data on the naphazoline clinical use and the results of computer modeling

Full Text

Введение. В настоящее время в отечественной военной медицине считаются перспективными следующие научные направления: всестороннее внедрение информационных систем и телемедицинских технологий, разработка высокоэффективных лекарственных препаратов, высокотехнологичного медицинского оборудования, инновационных методов диагностики, мобильных систем оценки состояния военнослужащего и средств индивидуальной защиты (технических и медицинских) [9].

Одним из высокозатратных направлений является разработка лекарственных препаратов, в процессе которой проводится комплекс работ, включающий анализ информационных источников, синтез субстанций, проведение фармацевтических, доклинических и клинических исследований, завершающихся при положительном результате регистрационными процедурами [6]. Необходимо отметить, что разработка новых препаратов сопряжена с высокими рисками неудач. Повышение эффективности поиска новых фармакологических веществ на современном этапе развития медицины возможно без проведения многочисленных экспериментальных исследований в связи с совершенствованием методов медицинской биоинформатики [17]. Появление электронных баз данных (PubChem, ChEMBL, DrugBank, ChemProt, SEA), содержащих информацию о структуре и биологической активности химических соединений, создало условия для расширения использования компьютерного прогнозирования биологической активности фармакологических веществ. Кроме того, применение метода in silico («в кремнии», т. е. компьютерное моделирование) позволяет получить дополнительные данные о возможных побочных эффектах лекарственных препаратов, а также уточнить механизмы, лежащие в их основе.

Препараты нафазолина (2-(1-нафтилметил)-2имидазола в виде гидрохлорида или нитрата) – хорошо известные и широко применяемые в ряде стран, к которым относится и Российская Федерация, безрецептурные препараты для непродолжительного симптоматического лечения острого ринита, поллиноза, синусита, гайморита, отека гортани аллергического генеза и на фоне облучения, хронического конъюктивита и других заболеваний. Однако доступность и неконтролируемость применения препаратов нафазолина является одной из причин развития достаточно большого круга побочных осложнений, носящих как местный, так и в достаточно редких случаях системный характер. Кроме того, особого внимания заслуживает проблема острых отравлений нафазолином у детей [1, 7, 10, 11]. Первые сообщения о так называемой «нафазолиновой зависимости» появились в медицинских журналах в начале 40-х годов ХХ в. в Германии и Канаде [20, 22]. Известно, что препараты нафазолина довольно часто применяются не по назначению: наркозависимыми людьми как фармакологическая добавка к героину для изменения картины наркотического опьянения и в качестве средства для скрытия следов употребления психотропных средств, в частности марихуаны, гашиша и конопли [11]; в качестве допинга нафазолин используется спортсменами и по этой причине внесен в список запрещенных препаратов [8]. Большинство публикаций о побочных эффектах, возможно связанных с нафазолином, не содержит подробного анализа вероятных причин развития осложнений, и только в единичных работах последних лет содержатся некоторые систематизированные данные об их патогенезе [25].

Таким образом, лекарственные препараты нафазолина, с одной стороны, длительно применяются в отоларингологической и офтальмологической практике, используются без назначения врача, что довольно часто приводит к возникновению различных побочных эффектов. С другой стороны, в научной литературе недостаточно данных о патогенезе нежелательных фармакологических эффектов, связанных с приемом препаратов нафазолина. Кроме того, результаты исследований разных авторов свидетельствуют о наличии у нафазолина фармакологической активности, обусловленной не только его адреномиметическим действием.

Цель исследования. Провести сравнительный анализ данных информационных источников о фармакологической активности и клиническом применении нафазолина с результатами прогнозирования его биологической активности и токсических свойств методом in silico.

Материалы и методы. Компьютерное моделирование биологической активности и токсических свойств нафазолина проводили, используя разработанный алгоритм запросов, в виртуальной среде баз данных программы PASS и веб-ресурса ADVERPred информационно-вычислительной платформы Way2Drug. Данные о клиническом применении и установленных механизмах действия препаратов нафазолина получены при анализе публикаций, содержащихся в базах PubMed, MEDLINE, Europe PMC, eLibrary.Ru, по ключевым словам «нафазолин», «нафазолина нитрат», «нафазолина гидрохлорид» и «производные имидазолина».

Компьютерная программа прогнозирования спектров активности веществ (Prediction of Activity Spectra for Substances – PASS) разработана сотрудниками Научно-исследовательского института биомедицинской химии им. В.Н. Ореховича и предназначена для прогнозирования спектров биологической активности лекарственно-подобных соединений на основе структурной формулы молекулы модели. Предложенные D. Filimonov et al. [18] оригинальные дескрипторы множественных атомных окрестностей (Multilevel Neighborhoods of Atoms – MNA) обеспечивают хорошую точность прогноза для многих видов биологической активности, включая механизмы фармакологического действия, специфическую токсичность и побочное действие, метаболизм, а также влияние на нежелательные мишени, молекулярный транспорт, экспрессию генов. Перечень прогнозируемых видов биологической активности позволяет использовать PASS для решения различных задач как при поиске и создании новых лекарственных препаратов, так и при выявлении новых эффектов и/или механизмов действия для известных фармакологических веществ [12].

Используемая в исследовании версия компьютерной программы PASS основана на анализе взаимосвязей «структура – активность» обучающей выборки, содержащей свыше одного миллиона соединений с известной активностью, и позволяет прогнозировать свыше 5000 видов биологической активности со средней точностью около 96%. Прогнозируемый спектр биологической активности формируется в виде списка вероятных видов специфической активности, при этом в PASS имеется возможность оценить вклад конкретных биологических структур в вероятность наличия определенной активности, а для каждой активности приводятся оценки двух вероятностей Pa – вероятность наличия активности и Pi – вероятность отсутствия активности. Для дальнейшего анализа использовали только те события, которые прогнозировались с вероятностью более 50%. Необходимо отметить, что PASS прогнозирует возможность проявления биологической активности конкретным соединением, однако не позволяет сделать выводы относительно условий, при которых эта активность может проявиться (доза, путь введения, биологический объект, пол, возраст и т. п.) [5].

Для прогнозирования токсического действия нафазолина на систему кровообращения и гепатобилиарную систему использовали данные веб-сервиса ADVER-Pred, реализованного на основе сопоставления структурной формулы соединения с лекарственными препаратами, имеющими в инструкциях по медицинскому применению сведения о наличии следующих побочных эффектов: инфаркт миокарда, нарушения ритма, сердечная недостаточность, тяжелая гепатотоксичность и нефротоксичность [23]. Веб-сервис ADVER-Pred включен в единую информационно-вычислительную платформу Way2Drug, которая использует в том числе возможность использования специализированных обучающих выборок, повышающих качество и достоверность результатов прогнозирования [6].

Результаты, полученные при прогнозировании in silico и анализе информационных источников, сопоставляли между собой.

Результаты и их обсуждение. На основе разработанного запроса, ориентированного на пространственное сходство молекулы нафазолина со структурами – мишенями, с использованием PASS установлено 25 MNA-дескрипторов и выполнен прогноз спектра биологической активности соединения.

В частности, для структурной молекулы нафазолина при пороге Pa>0,5 выявлено:

• – 17 возможных видов биологической активности;
• – 34 возможных механизма фармакологического действия;
• – 7 возможных токсических и побочных эффектов;
• – 2 возможных взаимодействия с нежелательными мишенями;
• – 2 возможных вида активности, связанных с метаболизмом;
• – 3 возможных механизма регуляции экспрессии генов.

Спектр биологической активности нафазолина, прогнозируемый по данным программы PASS с веро­ятностью более 50%, приведен в таблице 1.

 

Таблица 1. Спектр биологической активности нафазолина по данным программы PASS

Показатель	Pa=
Лечение урологических расстройств	0,854
Лечение ринита	0,823
Антидепрессант	0,743
Противовоспалительное средство	0,639
Противопаркинсоническое средство	0,593
Офтальмологическое средство	0,538
Лечение мужской репродуктивной дисфункции	0,522
Радиозащитное средство	0,513
Лечение недержания мочи	0,828
Седативное средство	0,756
Лечение нейродегенеративных заболеваний	0,671
Противодиабетическое средство	0,635
Периферический вазодилататор	0,625
Противоопухолевое средство (миелоидный лейкоз)	0,562
Снотворное средство	0,526
Лечение алопеции	0,552
Фибринолитик	0,541

 

При сопоставлении видов биологической активности, прогнозируемых для нафазолина, с данными, полученными из информационных источников, выявлено сходство по таким точкам соприкосновения, как применение препаратов, содержащих в качестве действующего вещества нафазолин, в практической офтальмологии и оториноларингологии [4]. Прогноз in silico фармакологических эффектов позволяет рассматривать исследуемую молекулу в качестве возможного терапевтического средства при лечении заболеваний нервной, мочеполовой систем, а также в гематологии, дерматологии и других медицинских областях. Однако, учитывая отсутствие данных о практическом применении лекарственных препаратов на основе нафазолина в указанных областях медицинской деятельности, следует обратиться к более подробному анализу прогнозируемых возможных механизмов действия, нежелательных побочных эффектов и токсических свойств соединения. Так, полученные in silico результаты свидетельствуют о 34 возможных механизмах фармакологического действия нафазолина, прогнозируемых с вероятностью Ра>0,5, некоторые из которых представлены в таблице 2.

 

Таблица 2. Спектр прогнозируемого in silico фармакологического действия нафазолина

Фармакологическое действие	Pa=
Стимуляция α-адренорецепторов	0,912
Активация рецепторов имидазолина	0,799
Ингибирование циклофиллина	0,635
Активация супероксиддисмутазы	0,621
Ингибирование хлоридпероксидазы	0,601
Активация фактора некроза опухоли	0,529

 

Часть механизмов фармакологического действия нафазолина ранее уже была установлена различными исследователями. К таким механизмам действия нафазолина относятся, в первую очередь, стимуляция α-адренорецепторов (Р =0,912) и рецепторов имимишенями; – 2 возможных вида активности, связанных с медазолина (Ра=0,799). Нафазолин относится к симпатомиметикам, избирательно стимулирующим α₁ и α₂-адренорецепторы, производным имидазолина [1, генов. Спектр биологической активности нафазолина, прогнозируемый по данным программы PASS с вероятностью более 50%, приведен в таблице 1. При сопоставлении видов биологической активности, прогнозируемых для нафазолина, с данными, 24]. Введение препарата оказывает сосудосуживающее (преимущественно действует на сосуды с наибольшей плотностью α-адренорецепторов – сосуды слизистых оболочек и почек) и противоотечное действие [1, 10, 25, 33]. Установлено, что системное сужение сосудов вследствие стимуляции постсинаптических α -адренергических рецепторов в гладких миоцитах сосудов под действием нафазолина вызывает гипертонию и рефлекторную брадикардию, а также ишемию жизненно важных органов [13]. Стимуляция центральных α-адренергических рецепторов ведет к подавлению активности центральной нервной системы (ЦНС) – от сонливости до комы, а также к гипотонии и снижению интенсивности дыхания, вызывая дыхание Чейн–Стокса и отек легких [36]. При этом периферические α-адренорецепторы оказывают значительное влияние на регуляцию системы кровообращения. Рецепторы данного типа были открыты в почках, и было установлено, что они могут контролировать почечное кровообращение [34], однако имеющиеся данные о функционировании и локализации адренорецепторов [29] позволяют предположить, что они участвуют в регуляции почти всех органов и систем организма. Существует мнение, что рецепторы имидазолина и адренорецепторы действуют сообща в реализации функциональных реакций на влияние таких агонистов адренорецепторов, как производные имидазолина. Рецепторы имидазолина располагаются в мозге, сердце, почках и β-клетках поджелудочной железы. Соответственно, они способны совместно модулировать различные функции организма [26]. Препараты нафазолина были также рекомендованы к применению в качестве радиозащитных средств [2, 27, 30]. В экспериментальном исследовании было показано, что нафазолин эффективно ингибирует генерацию однонитевых разрывов дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и что препарат является мощным радиопротектором, а также ингибитором гидроксильных радикалов [32]. На основе полученных in silico данных можно предположить, что радиозащитный эффект нафазолина дополнительно к установленным может быть обусловлен в том числе и активацией антиоксидантных ферментов, в частности супероксиддисмутазы (Ра=0,621). Эти и другие прогнозируемые in silico механизмы действия нафазолина, в частности иммуномодулирующие (ингибирование циклофиллина (Pa=0,635), активация фактора некроза опухоли (Ра=0,529) и влияние на активность других медиаторов воспаления), могут представлять интерес для дальнейших исследований. Потенциальные токсические и побочные эффекты нафазолина, полученные при компьютерном моделировании, представлены в таблице 3.

 

Таблица 3. Спектр потенциальных токсических и побочных эффектов нафазолина по данным программы PASS

Токсичный или побочный эффект	Pa=
Спазм сосудов	0,791
Мидриаз	0,630
Кардиотоксичность	0,579
Анорексия	0,435
Гипогликемия	0,312
Нефротоксичность	0,266
Гипертензия	0,721
Гипотензия	0,638
Диарея	0,499
Удлинение интервала QT	0,384
Гепатотоксичность	0,287
Пневмотоксичность	0,199

 

Полученные in silico данные о возможных токсических и побочных эффектах нафазолина подтверждаются данными ряда авторов [1, 10, 16, 16, 38]. Так, при описании побочных эффектов препаратов на его основе пациенты нередко отмечают, что его применение вызывает ухудшение общего состояния, головную боль, сердцебиение и т. д. Кроме того, длительное, а иногда даже ситуационное применение нафазолина может сопровождаться головной болью, вызванной сегментарным спазмом сосудов головного мозга, и даже приводить к ишемическим и геморрагическим инсультам головного мозга [1, 10]. Действие нафазолина на ЦНС наиболее часто заключается в возникновении хронических головных болей, связанных со злоупотреблением этим препаратом [16]. Отдельного внимания заслуживают сообщения об ишемических и геморрагических инсультах, обусловленных именно назальным введением нафазолина [15, 38]. Предполагается, что причина нейротоксического эффекта нафазолина также заключается в том, что α-адренергические рецепторы связаны с G-белками и их активация приводит к каскаду процессов, которые в свою очередь вызывают синтез арахидоновой кислоты и оксида азота. Высвобождение этих соединений ведет к воспалительному расширению сосудов, что может вызвать приступы мигрени [37]. Кроме того, простагландины и оксид азота способствуют активации болевых рецепторов и передаче болевого импульса с периферических отделов в центральные структуры нервной системы [35]. С использованием веб-ресурса ADVER-Pred информационно-вычислительной платформы Way2Drug дополнительно было проведено моделирование побочного действия нафазолина на систему кровообращения и гепатобилиарную систему (табл. 4).

 

Таблица 4. Спектр потенциального побочного действия нафазолина на систему кровообращения и гепатобилиарную систему по данным веб-ресурса ADVER-Pred информационно-вычислительной платформы Way2Drug

Побочное действие	Pa=	Pi=
Инфаркт миокарда	0,762	0,008
Гепатотоксичность	0,408	0,253
Нарушения ритма	0,400	0,184

 

В обзоре экспертов Американской ассоциации кардиологов [3], посвященном анализу влияния приема различных лекарственных препаратов на сердечную недостаточность, отмечено, что назальные противоотечные средства обычно содержат оксиметазолин или фенилэфрин, а противоотечные средства, применяемые в офтальмологии, – нафазолин; все указанные препараты оказывают сосудосуживающее действие. Согласно данным, представленным в описании серии случаев, можно предполагать, что при местном применении чрезмерное или длительное использование препарата, которое не соответствует инструкции по его применению, может приводить к системному действию, обусловливающему развитие инсульта, артериальной гипертензии и брадикардии [14, 19, 38]. Системные эффекты нафазолина также наблюдались в офтальмологической практике и проявлялись головной болью, артериальной гипертензией, нарушениями сердечного ритма, тревогой, тошнотой, головокружением, слабостью и потливостью [28].

Схожие системные эффекты выявлялись и при пероральном поступлении нафазолина. Еще в 1948 г. был описан случай отравления гидрохлоридом нафазолина при его проглатывании. Клинические симптомы включали учащенный пульс, артериальную гипертензию и частичное нарушение ритма дыхания [21]. В современной литературе имеется описание нескольких случаев перорального поступления препарата, сопровождавшегося схожими симптомами и развитием острого отека легких [19] или дисфункцией печени и почек [31]. В клинической картине отравлений нафазолином наблюдается спутанность сознания, развитие артериальной гипертензии, брадикардии, бледность кожных покровов, повышенное потоотделение и респираторный дистресс-синдром. Все описанные случаи отека легких были подтверждены рентгенологически. В ходе оказания помощи двум пострадавшим проводили искусственную вентиляцию легких. Данные клинические состояния разрешились в течение 24 ч., и пациенты были выписаны без какихлибо осложнений. H. Fukushima et al. [19] предложили следующий механизм развития наблюдаемых эффектов: поскольку нафазолин стимулирует периферические α-адренергические рецепторы, то вызываемая им интенсивная вазоконстрикция может обусловить повышенную нагрузку на сердце с объемной перегрузкой левого предсердия и левого желудочка, что и привело к развитию острого отека легких.

Таким образом, нафазолин является препаратом, системные побочные и токсические эффекты которого обусловлены в основном воздействием на систему кровообращения. Вместе с тем использование компьютерной программы PASS и веб-ресурса ADVERPred информационно-вычислительной платформы Way2Drug прогнозирует в определенной степени (наряду с данными доклинических и клинических исследований) возможный уровень безопасного применения исследуемого препарата, в том числе и по новым (возможным) показаниям.

Выводы

1. Использование компьютерных методов, обеспечивающих оценку многих видов биологической активности на основе структурной формулы лекарственно-подобного соединения, позволяет с высокой степенью достоверности получать прогноз как для новых фармакологических веществ, так и для разрешенных к клиническому применению лекарственных препаратов с целью уточнения их фармакологических характеристик.
2. Компьютерный анализ биологической активности нафазолина свидетельствует о том, что исследуемое химическое соединение обладает весьма широким спектром действия, связанным в первую очередь со стимулированием адренои имидазолиновых рецепторов, расположенных во многих органах и тканях организма. Прогнозируемые in silico механизмы действия позволяют определить потенциальные направления дальнейших исследований клинического применения нафазолина.
3. Среди токсических и побочных эффектов, наряду с такими известными нежелательными явлениями, как воздействие на ЦНС и артериальная гипертензия, при клиническом применении нафазолина особое внимание необходимо уделить прогнозируемым с высокой степенью вероятности кардио-, гепатои нефротоксическим эффектам. Выраженное токсическое действие нафазолина может обусловливать возникновение жизнеугрожающих состояний – острого нарушения мозгового кровообращения, инфаркта миокарда, нарушений ритма сердца, острой левожелудочковой недостаточности.

About the authors

V. S. Ivanov

Military Medical Academy. S. M. Kirov

Author for correspondence.
Email: vmeda-nio@mil.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

A. B. Seleznev

State Research Testing Institute of Military Medicine; North-Western State Medical University named after I.I. Mechnikov

Email: vmeda-nio@mil.ru
Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

E. V. Ivchenko

State Research Testing Institute of Military Medicine

Email: vmeda-nio@mil.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

D. V. Cherkashin

Military Medical Academy. S. M. Kirov

Email: vmeda-nio@mil.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

G. G. Kutelev

Military Medical Academy. S. M. Kirov

Email: vmeda-nio@mil.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

Yu. G. Boyko

Military Medical Academy. S. M. Kirov

Email: vmeda-nio@mil.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

References

Supplementary files