in silico и in vitro изучение антитирозиназной активности новых оснований Шиффа — азометиновых производных 2-амино-4,5,6,7-тетрагидро-1-бензотиофен-3-карбоксамида
А. С. Чиряпкин
, И. П. Кодониди
, Д. И. Поздняков
Пятигорский медико-фармацевтический институт — филиал ВолгГМУ, Пятигорск, Россия
✉ Чиряпкин Алексей Сергеевич — alexey.chiriapkin@yandex.ru
Аннотация:
Введение. Гиперпигментация кожи является важной проблемой дерматокосметологии. Образующиеся пигментные пятна на кожных покровах человека, особенно на открытых участках тела, влияют на его психоэмоциональное состояние и социальную адаптацию, а в некоторых случаях являются и триггерами формирования заболеваний дерматологического профиля. Целью исследования является поиск новых эффективных и безопасных соединений с антитирозиназной активностью. Материалы и методы. В качестве объектов исследования выступают семь новых ранее синтезированных азометиновых производных 2-амино-4,5,6,7-тетрагидро-1-бензотиофен-3-карбоксамида. Для in silico изучения молекулярных механизмов ингибирования тирозиназы исследуемыми соединениями использован метод молекулярного докинга. Ингибирующую активность тирозиназы определяли согласно методу, описанному Mapunya et al. (2012). Результаты. В ходе вычислительного эксперимента определены аминокислотные остатки активного сайта тирозиназы, с которыми взаимодействуют азометиновые производные 2-амино-4,5,6,7-тетрагидро-1-бензотиофен-3-карбоксамида. in vitro оценка антитирозиназной активности изучаемых соединений свидетельствует о том, что практически все анализируемые вещества уступают референтам по выраженности биологического действия, кроме соединения 1, которое превосходит по активности койевую и молочную кислоты. На основании значения IC50 соединения 1 оно было отнесено к 5-му классу токсичности по GHS-классификации. Заключение. В ходе проведенного исследования было установлено, что структура 1 по выраженности своей фармакологической активности превосходит койевую и молочную кислоты. Считаем целесообразным дальнейшие фармакологические исследования данного вещества.Ключевые слова:
тирозиназа, азометины, 2-амино-4,5,6,7-тетрагидро-1-бензотиофен-3-карбоксамид, молекулярный докинг, антитирозиназная активность.Для цитирования:
Чиряпкин А. С., Кодониди И. П., Поздняков Д. И. in silico и in vitro изучение антитирозиназной активности новых оснований Шиффа — азометиновых производных 2-Амино-4,5,6,7-тетрагидро-1-бензотиофен-3-карбоксамида // Juvenis scientia. 2023. Том 9. № 3. С. 31-41. DOI: 10.32415/jscientia_2023_9_3_31-41. EDN: NFMCAC.Введение
Гиперпигментация кожи является результатом чрезмерного диффузного или очагового отложения пигмента меланина в клетках эпидермиса, которое приводит к формированию на ней окрашенных участков коричневого цвета. Очаговая гиперпигментация может возникнуть, например, в случае проявления поствоспалительного процесса или мелазмы. Диффузная гиперпигментация, как правило, обусловливается метаболическими нарушениями, приемом лекарственных препаратов, онкологическими и аутоиммунными заболеваниями, а также может иметь инфекционную этиологию [1]. Гиперпигментация выступает важной проблемой дерматокосметологии, так как внешний облик человека влияет на его психоэмоциональное состояние и социальную адаптацию. K. França et al. (2017) установили, что 78% респондентов, у которых встречается гиперпигментация кожи лица, не способны наладить должный социальный контакт, 22% отмечают ухудшение качества жизни, а 10% нуждаются в квалифицированной психологической помощи [2]. Помимо психоэмоциональных проблем гиперпигментация кожных покровов может приводить к формированию у человека заболеваний. Аномально активные меланоциты выступают родоначальниками формирования меланомы, которая является злокачественной опухолью кожных покровов. Также патологически активный процесс формирования меланина может быть предрасполагающим фактором возникновения заболеваний дерматологического профиля, например, таких как, шейная пойкилодерма, лентигины и черный акантоз [3]. Меланогенез представляет собой важный биохимический процесс, продукт которого участвует в защите кожных и подкожных элементов тканей человека от пагубного воздействия ультрафиолетового излучения. Синтез меланина осуществляется тирозиназой — ферментным металлопротеидом, который относится к классу оксидоредуктаз. Субстратом для многоступенчатого биохимического каскада является тирозин, который через образование хинонов превращается непосредственно в меланин [4]. Тем самым, подавление активности тирозиназы напрямую снижает содержание кожного пигмента. Выделяют два основных подхода для терапии гиперпигментации: химический пилинг молочной кислотой и подавление активности тирозиназы [5]. Предварительные данные свидетельствуют об безопасности пилинга, в том числе при беременности и кормлении грудью [6]. В экспериментах in vitro обнаружено, что пилинг ингибирует ферменты, которые отвечают за разрушение коллагена и эластина, а не только выработку пигмента меланина. К тому же обнаружено, что трихлоруксусная кислота может синергически усиливать ингибирующее действие молочной кислоты [7]. Для снижения аномального меланогенеза осуществляется поиск и разработка ингибиторов тирозиназы. С доказанной эффективностью подавляют активность фермента такие соединения, например, как койевая, молочная, аскорбиновая и транексамовая кислоты [8]. Койевая кислота обладает высокой биосовместимостью и образуется как метаболит жизнедеятельности плесневых грибов, относящихся к родам Aspergillus и Penicillium [9]. Высокой ингибирующей способностью фермента также обладает гидрохинон, но он относится к наиболее токсичным ингибиторам тирозиназы. Для снижения нежелательных эффектов от его использования рекомендуют в гель с ним добавлять изотретиноин [10]. Важно отметить, что применение ингибиторов тирозиназы не приводит к наступлению быстрого фармакологического эффекта, их действие в виде снижения уровня пигментации кожных покровов проявляется постепенно [8]. Таким образом, целенаправленный синтез новых высокоэффективных и безопасных соединений с антитирозиназной активностью является актуальной фармацевтической задачей.Материалы и методы
Объектами научного исследования выступают семь новых синтезированных азометиновых производных 2-амино-4,5,6,7-тетрагидро-1-бензотиофен-3-карбоксамида (рис. 1), которые получены нами на кафедре органической химии Пятигорского медико-фармацевтического института — филиала ВолгГМУ. Согласно данным фармакологического скрининга in vitro, они обладают антихолинэстеразной и антиамилоидной активностью, что обуславливает их гипотетическое применение для лечения болезни Альцгеймера. Структуры синтезированных соединений были подтверждены данными ИК-спектроскопии, 1H и 13C ЯМР [11–13].Рисунок 1. Структурные формулы азометиновых производных 2-амино-4,5,6,7-тетрагидро-1-бензотиофен-3-карбоксамида.
Результаты и их обсуждение
В результате проведенного вычислительного эксперимента были выбраны для анализа энергетически выгодные расположения азометиновых производных 2-амино-4,5,6,7-тетрагидро-1-бензотиофен-3-карбоксамида в каталитическом сайте фермента, при которых их азометиновый заместитель расположен в сторону атомов меди в сужающемся кармане фермента. Такая локализация гидроксифенильного фрагмента моделируемых соединений позволяет им вступать во взаимодействие с атомами меди в активном сайте тирозиназы, как, например, гидрохинону, койевой и молочной кислотам. Согласно данным молекулярного докинга, анализируемые азометиновые производные 2-амино-4,5,6,7-тетрагидро-1-бензотиофен-3-карбоксамида формируют связи со следующими аминокислотными остатками активного сайта фермента: His 259, Asn 260, His 263, Phe 264, Arg 268, Met 280, Gly 281, Ser 282, Val 283, Pro 284. В таблице 1 показаны минимальные энергии формирования лиганд-ферментного комплекса. Согласно этим данным, наиболее энергетически выгодные молекулярные комплексы образуют соединения 2 и 7. Структуры 2, 4 и 5 образовывают водородную связь между своими атомами кислорода карбонильной группы и Val 283. Атом водорода амидной группы структур 3 и 6 формирует водородную связь с Gly 281. Азот амидной связи веществ 6 и 7 может образовывать водородную связь с аминокислотным остатком Ser 282 и Val 283, соответственно. Атомы водорода гидроксильных групп гидрохинона формируют водородную связь с аминокислотным остатком Met 280, а койевой кислоты — с Asn 260.Соединение | Энергия, ккал/моль |
Остаток аминокислоты |
Группа лиганда | Длина связи (Å) |
---|---|---|---|---|
1 | −5,80 | - | - | - |
2 | −9,32 | Val 283 | C=O | 1,963 |
3 | −7,33 | Gly 281 | NH2 | 1,873 |
4 | −6,93 | Val 283 | C=O | 2,201 |
5 | −7,07 | Val 283 | C=O | 2,180 |
6 | −6,77 | Gly 281 | NH2 | 1,909 |
Ser 282 | -N= | 2,050 | ||
7 | −13,11 | Val 283 | -N= | 2,214 |
Гидрохинон | −3,70 | Met 280 | OH | 2,134 |
Койевая кислота | −4,46 | Asn 260 | OH | 2,117 |
Молочная кислота | −7,22 | - | - | - |
Рисунок 1. Структурные формулы азометиновых производных 2-амино-4,5,6,7-тетрагидро-1-бензотиофен-3-карбоксамида.
Соединение | IC50±SEM ммоль/мл |
---|---|
1 | 0,26±0,064 *#Δ |
2 | 0,39±0,019*#Δ |
3 | 0,82±0,059*#Δ |
4 | 0,66±0,078*#Δ |
5 | 0,65±0,05*#Δ |
6 | 0,76±0,009*#Δ |
7 | 0,8±0,03*# |
Гидрохинон | 0,15±0,007 |
Койевая кислота | 0,32±0,005 |
Молочная кислота | 0,46±0,031 |
Заключение
В ходе проведенных исследований проанализировано семь азометиновых производных 2-амино-4,5,6,7-тетрагидро-1-бензотиофен-3-карбоксамида на предмет наличия у них антитирозиназной биологической активности. Среди них соединением-лидером является структура 1, которая по выраженности своей фармакологической активности превосходит койевую и молочную кислоты, а также относится к 5-му классу токсичности по GHS-классификации, что позволяет судить о низкой токсичности соединения. Можно предположить, что ди-трет-бутил-4-гидроксифенильный фрагмент является перспективной химической группировкой для молекулярного конструирования соединений с антитирозиназным действием. Считаем целесообразным дальнейшие более углубленные медико-биологические исследования соединения-лидера.Финансирование: Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-315-90060. Конфликт интересов: Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Вклад авторов: Все авторы подтверждают соответствие своего авторства, согласно международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией). Соответствие принципам этики. Исследование острой токсичности синтезированных веществ на крысах проводилось с соблюдением общепринятых норм экспериментальной этики, который изложены в Директиве 2010/63/EU Европейского парламента и Совета Европейского Союза от 22 сентября 2010 года по охране животных, используемых в научных целях. Дизайн эксперимента был одобрен локальным этическим комитетом (протокол № 11 от 20.12.2019).
Литература:
- Desai SR. Hyperpigmentation therapy: a review. J Clin Aesthet Dermatol. 2014;7(8):13-17.
- França K, Keri J. Psychosocial impact of acne and postinflammatory hyperpigmentation. AnBrasDermatol. 2017;92(4):505-509. DOI: 10.1590/abd1806-4841.20175645.
- Rigopoulos D, Gregoriou S, Katsambas A. Hyperpigmentation and melasma. J Cosmet Dermatol. 2007;6(3):195-202. DOI: 10.1111/j.1473-2165.2007.00321.
- Furue M, Tsuji G. Chloracne and Hyperpigmentation Caused by Exposure to Hazardous Aryl Hydrocarbon Receptor Ligands. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2019;16(23):4864. DOI: 10.3390/ijerph16234864.
- Sarkar R, Bansal S, Garg VK. Chemical peels for melasma in dark-skinned patients. J Cutan Aesthet Surg. 2012;5(4):247-253. DOI: 10.4103/0974-2077.104912.
- Trivedi MK, Kroumpouzos G, Murase JE. A review of the safety of cosmetic procedures during pregnancy and lactation. International Journal of Women’s Dermatology. 2017;3(1):6-10. DOI: 10.1016/j.ijwd.2017.01.005.
- Bhardwaj V, Sharma K, Maksimovic S, et al. Professional-Grade TCA-Lactic Acid Chemical Peel: Elucidating Mode of Action to Treat Photoaging and Hyperpigmentation. Front. Med. 2021;8:617068. DOI: 10.3389/fmed.2021.617068.
- Zolghadri S, Bahrami A, Hassan Khan MT, et al. A comprehensive review on tyrosinase inhibitors. Journal of Enzyme Inhibition and Medicinal Chemistry. 2019;34(1):279-309. DOI: 10.1080/14756366.2018.1545767.
- Saeedi M, Eslamifar M, Khezri K. Kojic acid applications in cosmetic and pharmaceutical preparations. Biomedicine & Pharmacotherapy. 2019;110:582-593. DOI: 10.1016/j.biopha.2018.12.006.
- Chandra M, Levitt J, Pensabene CA. Hydroquinone therapy for post-inflammatory hyperpigmentation secondary to acne: not just prescribable by dermatologists. Acta Derm Venereol. 2012;92:232-235.
- Чиряпкин А.С., Кодониди И.П., Ларский М.В. Целенаправленный синтез и анализ биологически активных азометиновых производных 2-амино-4,5,6,7-тетрагидро-1-бензотиофен-3-карбоксамида // Разработка и регистрация лекарственных средств. 2021. Т. 10. № 2. С. 25-31. [Chiriapkin AS, Kodonidi IP, Larsky MV. Targeted Synthesis and Analysis of Biologically Active Azomethine Derivatives of 2-amino-4,5,6,7-tetrahydro-1-benzothiophene-3-carboxamide. Drug development & registration. 2021;10(2):25-31. (in Russ.)]. DOI: 10.33380/2305-2066-2021-10-2-25-31.
- Chiriapkin AS, Kodonidi IP, Pozdnyakov DI. et al. Synthesis and QSAR of new azomethine derivatives as agents for the treatment of Alzheimer’s disease. Pharmacologyonline. 2021;3:563-584.
- Чиряпкин А.С., Кодониди И.П., Поздняков Д.И. Изучения антитирозиназной активности азометиновых производных 2-амино-4,5,6,7-тетрагидро-1-бензотиофен-3-карбоксамида // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2022. № 1. С. 110-116. [Chiriapkin AS, Kodonidi IP, Pozdnyakov DI. Studies of antithyrosinase activity of azomethine derivatives of 2-amino-4,5,6,7- tetrahydro-1-benzothiophene-3-carboxamide. Proceedings of Voronezh State University. Series: Chemistry. Biology. Pharmacy. 2022;1:110-116. (in Russ.)].
- Chiriapkin A, Kodonidi I, Pozdnyakov D. Targeted Synthesis and Study of Anti-tyrosinase Activity of 2-Substituted Tetrahydrobenzo[4,5]Thieno[2,3-d]Pyrimidine-4(3H)-One. Iran J Pharm Res. 2022;21(1):e126557. DOI: 10.5812/ijpr-126557.
- Ismaya WT, Rozeboom HJ, Wijn A, et al. Crystal Structure of Agaricus bisporus Mushroom Tyrosinase: Identity of the Tetramer Subunits and Interaction with Tropolone. Biochemistry. 2011;50(24):5477-5486. DOI: 10.1021/bi200395t.
- You Z, Wang Y-Q, He Q-X. Homology Modeling of Human Tyrosinase. J Southwest Univ. 2020;42:42-48.
- Brian JT. Hyerchem, release 2: molecular modeling for the personal computer. J Chem Inf Comput Sci. 1992;32:757-759.
- Morris GM, Huey R, W. Lindstrom W, et al. Autodock4 and AutodockTools4: Automated Docking with Selective Receptor Flexibility. J Comput Chem. 2009;30:2785-2791. DOI: 10.1002/jcc.21256.
- Mapunya MB, Nikolova RV, Lall N. Melanogenesis and antityrosinase activity of selected South african plants. Evid Based Complement Alternat Med. 2012;2012:374017. DOI: 10.1155/2012/374017.
- OECD № 425. Guidelines for the testing of chemicals Acute Oral Toxicity – Up-and-Down-Procedure (UDP).
- Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals (GHS) Part 3 Health Hazards, United Nations, 2017.
- Kim YJ, Uyama H. Tyrosinase inhibitors from natural and synthetic sources: structure, inhibition mechanism and perspective for the future. CMLS, Cell Mol Life Sci. 2005;62: 1707-1723. DOI: 10.1007/s00018-005-5054-y.
- Khan KM, Maharvi GM, Khan MTH, et al. Tetraketones: A new class of tyrosinase inhibitors. Bioorganic & Medicinal Chemistry. 2006;14(2):344-351. DOI: 10.1016/j.bmc.2005.08.029.