Coumarins as a base for the drug development: yes or no?

Elena V. Litasova; Литасова Елена Викторовна; Viktor V. Iljin; Ильин Виктор Владимирович; Leonid V. Myznikov; Мызников Леонид Витальевич; Maria A. Brusina; Брусина Мария Александровна; Levon B. Piotrovskiy; Пиотровский Левон Борисович

doi:10.17816/MAJ87582

Кумарины как основа для разработки лекарственных веществ: да или нет?

Авторы: Литасова Е.В.¹, Ильин В.В.¹, Мызников Л.В.¹, Брусина М.А.¹, Пиотровский Л.Б.¹
Учреждения:
1. ФГБНУ «Институт экспериментальной медицины»
Выпуск: Том 22, № 3 (2022)
Страницы: 27-36
Раздел: Аналитический обзор
Статья опубликована: 12.12.2022
URL: https://journals.eco-vector.com/MAJ/article/view/87582
DOI: https://doi.org/10.17816/MAJ87582
ID: 87582

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Известно, что кумарины обладают широким спектром биологической активности. Однако применение в клинике нашли лишь отдельные их производные (например, антикоагулянт варфарин и глистогонный препарат галоксон). В настоящей статье на ряде примеров рассматриваются биологическая активность производных кумарина, механизмы действия этих соединений и проблемы, возникающие при разработке новых лекарственных препаратов, а также перспективы использования кумаринов как соединений-лидеров.

Ключевые слова

кумарины, соединения-лидеры, токсичность, противосудорожные препараты, противовоспалительные препараты

Полный текст

В течение многих лет основным направлением в создании новых лекарственных веществ была модификация природных соединений растительного происхождения. Растения представляют собой практически неисчерпаемый источник биологически активных веществ, которые можно использовать в качестве лекарств или же в роли химических соединений-лидеров (lead compound), обладающих желаемой, интересной, но не оптимизированной биологической активностью. С помощью последующей оптимизации структуры соединение-лидер может быть преобразовано в лекарственный препарат [1].

В жизнедеятельности растений важную роль играют так называемые вторичные метаболиты — органические вещества, синтезируемые организмом, прямо не участвующие в основном (первичном) обмене веществ, но выполняющие другие важные функции [2]. К вторичным метаболитам растений относятся алкалоиды, терпеноиды, фенольные соединения и другие классы веществ, в том числе и кумарины. Они участвуют во взаимодействии с окружающей средой, в проявлении защитных реакций и т. п. Растения не способны к движению, поэтому в процессе эволюции они выработали свой способ химической защиты от атак вредителей и патогенов (травоядных насекомых и животных-гербиворов, вирусов, нематод, бактерий и грибов), заключающийся в синтезе веществ, отпугивающих врагов [3, 4]. Поскольку такие угрозы со стороны окружающей среды достаточно разнообразны, то и механизмы действия подобных соединений должны быть различны.

Собственно говоря, именно «вторичные метаболиты растений» и составляют основной массив природных соединений. А отсюда следует, что «многофункциональность» подобных классов соединений определяется самой Природой.

Как уже сказано выше, одним из классов «вторичных метаболитов» является кумарин и его производные. Роль производных кумарина как вторичных метаболитов в жизнедеятельности растений разнообразна: одни из них ингибируют рост растений, другие его стимулируют, третьи выступают как защитные средства. Сам кумарин подавляет аппетит и поэтому представляет собой пусть слабую, но достаточно эффективную защиту от животных, употребляющих в пищу растения, его содержащие. Хотя он имеет приятный сладкий запах, вкус у него горький, и животные, как правило, его избегают [5].

На сегодняшний день спектр биологических эффектов, проявляемых кумаринами и их производными, очень широк [6–8]. Среди этих соединений известны противосудорожные [9], противоопухолевые [10–14], антибактериальные, противовирусные [15, 16], противовоспалительные вещества, антикоагулянты, антиоксиданты [17] и вещества со многими другими видами активности. Такой широкий спектр биологической активности этих соединений и стал основной причиной того, что они привлекают внимание многих исследователей в области медицинской химии. Однако в наши задачи входит не подробное описание всего спектра активности кумаринов, а выделение проблем, возникающих при дизайне на их основе других веществ.

Цель работы — оценка перспективности использования кумаринового бицикла в дизайне лекарственных веществ.

По химическому строению кумарины — гетероциклические соединения, производные цис-о-оксикоричной кислоты, в основе структуры которых лежит 9,10-бензо-α-пирон (ненасыщенный ароматический лактон цис-о-оксикоричной кислоты).

Под общим названием «кумарины» скрывается целое семейство соединений, включающее сам кумарин (I), 6,7- и 7,8-фуранокумарины (II), 6,7- и 7,8-пиранокумарины (III), пиронзамещенные кумарины (IV) (рис. 1), а также ряд более сложных соединений.

Рис. 1. Кумарин (I), фуранокумарины (II), пиранокумарины (III) и пиронзамещенные кумарины (IV)

Рассмотрим теперь данные по биологической активности производных кумарина.

Известно, что некоторые из кумаринов проявляют противосудорожные свойства, например императорин (V) и остхол (VI) (рис. 2).

Рис. 2. Структуры императорина (V) и остхола (VI)

Наличие противосудорожного действия у императорина и остхола сомнений не вызывает, но уж очень высоки дозы. У императорина значение полуэффективной дозы (ED₅₀) составляет 167–290 мг/кг, у остхола — 253–639 мг/кг. Однако значения защитных индексов [показатели средней токсической дозы (TD₅₀) к ED₅₀] этих соединений оказались сравнимы с таковыми для вальпроевой кислоты [18, 19]. Отмечалось, что кумарины проявляют противосудорожное действие не только через рецепторы гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) типа А, но и по другим механизмам.

Если внимательно посмотреть на строение императорина (V) и остхола (VI), то первое, что привлекает внимание, — наличие оксибутильного радикала в 8-м положении кумарина. Поэтому интересны результаты работ [20, 21], в которых исследована серия замещенных 4-аминокумаринов, а также их амино- и тиоаналогов (VII) (рис. 3). Оказалось, что соединения с кумариновым гетероциклическим ядром, содержащие остаток ГАМК со свободными карбоксильными группами, более активны в тесте электрошоковых судорог, тогда как соединения с метиловым эфиром ГАМК проявили большую активность в модели коразоловых судорог.

Рис. 3. Производные аминокумаринов (VII, X = O, NH, S), обладающие противосудорожной активностью

Из этих данных очевидно, что в изученной серии соединений противосудорожное действие проявляется по различным механизмам. А из этого однозначно следует, что данная серия неконгенерична, и потому пытаться устанавливать на ее основе какие-либо связи структура – активность нельзя.

В работе [22] помимо производного 4-аминокумарина изучено противосудорожное действие ряда производных 7-гидроксикумаринов (VIII) (рис. 4).

Рис. 4. Производные 7-гидроксикумаринов, обладающие противосудорожной активностью (VIII)

На моделях никотиновых и коразоловых судорог было показано, что все эти производные обладают противосудорожным действием, причем наибольшую активность в дозе 20 мг/кг проявила 4-[(3-нитро-2-оксо-2H-хромен-4-ил)амино]бутановая кислота, тогда как 7-(2-морфолино-2-оксоэтокси)-2H-хромен-2-он предотвращал судороги только в дозе 200 мг/кг. Авторы предполагают, что противосудорожное действие исследуемых веществ осуществляется по различным механизмам.

Еще одно производное кумарина, проявляющее противосудорожную активность, — эскулетин (IX) (6,7-дигидроксикумарин) (рис. 5). Он значительно снижает действие максимального электрошока, но не вызывает при этом седативный и миорелаксационный эффект. Поэтому считается, что его эффекты опосредованы через ГАМКергическую рецепторную систему [23].

Рис. 5. Эскулетин (IX) и умбеллиферон (X)

О наличии существенной противосудорожной активности у кумаринов свидетельствуют также данные первичных исследований некоторых фуранокумаринов из плодов Heracleum crenatifolium [24].

Уже этот краткий обзор показывает, что, хотя многие производные кумарина и обладают противосудорожным действием, оно реализуется по различным механизмам, что существенно снижает ценность приведенных данных, так как никаких однозначных выводов о связи структуры с противосудорожной активностью сделать нельзя, поэтому прогноз противосудорожной активности новых соединений становится невозможен.

Еще одно осложнение при анализе механизмов биологического действия кумаринов: метаболизм производных кумарина зависит от вида животных. Например, пути распада соединений у человека и крыс сильно отличаются: в первом случае происходит гидроксилирование в положениях 3 и 7, а во втором — идет разрушение гетероцикла с образованием о-гидроксифенилуксусной кислоты [25].

Результаты исследований 17 производных кумарина растительного происхождения [императорин (V), виснагин, уролитин А, уролитин B, скополетин (XI), эскулин, эскулетин (IX), умбеллиферон (X), фраксетин, фраксин, дафнетин, аномалин, веделолактон, глицикумарин, гидранголостин, остроген и изоимператрин] как антиоксидантных и противовоспалительных агентов описаны в работе [26]. То, что эскулетин (IX), умбеллиферон (X) и умбеллиферон-6-карбоновая кислота (UMC) проявляют противовоспалительную и антиоксидантную активность, показано в исследовании [27]. Среди всех производных кумаринов эскулетин (IX) занимает первое место по защите клеток от окислительного повреждения. Он проявляет антиоксидантную активность, снижая уровни холестерина и липидов в плазме крови, снижает уровень реакции адгезии в лейкоцитах и эндотелиальных клетках, тем самым подавляя секрецию растворимых молекул межклеточной адгезии, ответственных за воспаление [28].

Эскулетин (IX) и умбеллипренин — ингибиторы метаболизма липоксигеназы и циклооксигеназы, так как способны блокировать циклооксигеназу [29]. Они обладают спазмолитической активностью, вызывая облегчение боли и расслабление, причем скополетин (XI) — важный компонент калины, применяемый при спазмолизе матки, вызванном блокадой вегетативных нейромедиаторов [30]. Производное кумарина калиптериксин снижает образование оксида азота (NO), фактора некроза опухоли альфа и интерлейкина-1 бета [31].

Следует отметить, схожую картину: один и тот же тип фармакологической активности у разных кумаринов связан с включением различных механизмов действия.

Многие кумарины, например 4-метилэскулетин, замещенные 4-метилкумарины, скополетин (XI) и умбеллиферон (X), обладают и антиоксидантной активностью. Различные метилкумарины способны действовать как ловушки для свободных радикалов, так же как ингибиторы перекисного окисления [32, 33].

В последние два десятилетия появляется все больше данных об использовании кумаринов и их производных при диабете [34]. Для лечения диабета полезными оказались экстракты плодов бенгальской айвы (Aegle marmelos Corr., Rutaceae), применяемые в традиционной индийской медицине: в них преимущественно содержится фурокумарин мармезин (XII) (рис. 6) [35]. Следует подчеркнуть, что действие экстракта из плодов Aegle marmelos было сильнее, нежели действие глибенкламида при дозе обоих 250 мг/кг [36].

Рис. 6. Cкополетин (XI) и мармезин (XII)

Считается, что природные кумарины и их производные проявляют терапевтический эффект при диабете и его осложнениях за счет восстановления повреждений бета-клеток поджелудочной железы, улучшения передачи сигналов инсулина [37, 38] и обеспечения противовоспалительной [39] и антиоксидантной [40] защиты.

Остхол (VI) заметно снижает уровень глюкозы в крови, не снижая уровень инсулина или липидов [41]. Скополетин (XI) реактивирует стимулированное инсулином фосфорилирование протеинкиназы, кодируемой геном Akt, в инсулинорезистентных гепатоцитах и усиливает экспрессию PPARγ2 (peroxisome proliferator-activated receptor γ2) в адипоцитах [42].

Одна из защитных реакций растений на поражение — индуцированное накопление микробных низкомолекулярных вторичных метаболитов, известных как фитоалексины. Молекулы фитоалексинов, обладающие антимикробным действием и часто антиоксидантными свойствами, синтезируются de novo растениями и накапливаются только при действии патогенов в местах заражения [43]. Способностью действовать как фитоалексины обладают и некоторые кумарины [44].

Такое множество типов биологической активности, проявляемой кумаринами, определяется как химической структурой, так и физико-химическими свойствами гетероциклической основы. Цикл 2H-хромен-2-она имеет ароматическую (а следовательно, плоскую) липофильную структуру и способен взаимодействовать с различными липофильными сайтами связывания (за счет или стэкинг-взаимодействий, или образования сильных гидрофобных связей). Более того, лактоновая группа кумарина позволяет ему ацилировать целевые белки, что подтверждается ковалентным механизмом ингибирования некоторых ферментов. Фактически ферменты с эстеразной активностью также могут открывать лактоновое кольцо, и соединения, образующиеся в результате этого гидролиза, могут быть причиной наблюдаемой биологической активности. В этом случае кумарины действуют как пролекарства. Этот механизм действия был предложен для ингибирования карбоангидразы (которая также обладает активностью эстеразы) рядом природных кумаринов [45]. Лактоновое кольцо кумаринов и 3,4-дигидрокумаринов может ацилировать такие сериновые протеазы, как эластаза лейкоцитов человека [46] и калликреин [47]. Таким образом, кумарины проявляют биологические эффекты в результате образования не только надмолекулярных комплексов с мишенями, но и прямых ковалентных связей, приводящих к необратимой модификации мишени.

Казалось бы, кумарины — очень выгодные структуры для медицинской химии, так как их строение допускает различные пути химических модификаций, приводящие к огромному числу производных. Разнообразие биологических свойств кумаринов настолько широко, что среди них есть вещества, противовирусная активность которых проявляется в действии на разные стадии цикла репликации вируса ВИЧ: прикрепление вируса к клетке-хозяину, слияние с клеточной мембраной, интеграция, сборка; и это помимо традиционного действия — ингибирования обратной транскриптазы, протеазы и интегразы [48]. Однако такой широкий спектр биологической активности приводит к тому, что во многих случаях трудно сделать какие-либо выводы относительно связи структура – активность в ряду кумаринов, выделить роль основы кумаринового бицикла [49, 50].

А это значит, что при изучении связи структура – активность для каждой конкретной серии соединений необходимо доказывать ее конгенеричность, так как в ином случае невозможно выделить действительные закономерности и планировать рациональный дизайн. На это накладывается еще и достаточно сложная картина метаболизма как самого кумарина, так и его производных: тесты in vivo, выполненные на грызунах, могут давать результаты, которые нельзя переносить на людей [25].

Все это настолько осложняет работу с кумаринами, что закономерен вопрос: а пригодны ли эти соединения вообще для дизайна лекарственных веществ? Тем более что за столько лет активных поисков создано лишь два препарата на основе кумарина — антикоагулянт непрямого действия варфарин и глистогонный препарат галоксон.

При этом варфарин — не самый удобный для применения препарат. Он взаимодействует со многими другими широко используемыми лекарственными препаратами, и его метаболизм может сильно различаться у разных пациентов. Сообщается, что с варфарином взаимодействуют и некоторые пищевые продукты [51]. Препараты, хорошо связывающиеся с белками, могут вытеснять варфарин из сывороточного альбумина и вызывать увеличение международного нормализованного отношения — основного показателя свертываемости крови [52]. Это приводит к сложности подбора правильной дозировки.

Оценивая все имеющиеся данные по биологической и фармакологической активностям кумарина и его производных, следует с сожалением отметить, что более чем столетие исследований этого ряда не показало особых перспектив в их использовании для дизайна лекарственных веществ. В первую очередь это объясняется проблемами установления связей структура – активность как в отдельных сериях производных, так и во всем классе. Небольшие структурные изменения могут приводить к появлению у соединения принципиально других свойств, то есть нарушать конгенеричность исследуемой серии. Это в свою очередь делает невозможными его использование в качестве соединения-лидера и рациональный дизайн на его основе. Сам принцип, используемый Природой для защиты растений, определяет биологическое разнообразие механизмов действия «вторичных метаболитов растений» даже внутри одного класса.

К сожалению, вывод о трудностях выбора соединения-лидера из какого-то химического класса природных соединений относится не только к кумаринам, но и к большинству других классов «вторичных метаболитов растений».

Дополнительная информация

Финансирование. Статья не имеет спонсорской поддержки.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, связанного с подготовкой и публикацией статьи.

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией. Наибольший вклад распределен следующим образом: Е.В. Литасова — анализ литературы и окончательный вариант текста; В.В. Ильин, Л.В. Мызников, М.А. Брусина — подбор литературы, подготовка текста статьи; Л.Б. Пиотровский — идея статьи.

Additional information

Funding sources. The article has no sponsorship.

Competing interests. The authors declare the absence of obvious and potential conflicts of interest related to the publication of this article.

Authors̕ contribution. All authors made a significant contribution to the development of the concept and preparation of the article, read and approved the final version before publication. The largest contribution is distributed as follows: E.V. Litasova — analysis of the literature and the final version of the text; V.V. Iljin, L.V. Myznikov, M.A. Brusina — selection of literature, preparation of draft article; L.B. Piotrovsky — the idea of the article.