Введение к работе
Актуальность работы. С момента регистрации первых случаев заболевания в 1981 году (Siegal F.P et al., 1981), к настоящему времени СПИД рассматривается в качестве одной из самых опасных пандемий. В 1986 г. начались клинические испытания первых антиретровирусных препаратов. Результатом проведенных исследований стало применение в клинике HAART - высокоактивной антиретровирусной терапии (Vella S. et al., 2000). Несмотря на принимаемые профилактические меры, число людей, инфицированных ВИЧ, растет ежегодно во всем мире на 2,6 млн. человек (De Cock К. М., et al., 2011). По данным Объединенной программы ООН по СПИД (UNAIDS) (), приведенным в ежегодном «Докладе о развитии эпидемии СПИД», всего к концу 2012 г. 34,3 млн. человек в мире были ВИЧ-инфицированными. В России на конец 2012 г. официально зарегистрировано свыше 650 тысяч больных ВИЧ-1, а согласно существующим оценкам, количество инфицированных может составлять от 860 тысяч до 1,4 миллиона человек.
Используемые в настоящее время лекарственные препараты для терапии ВИЧ/СПИД обладают значительными недостатками: существенные побочные эффекты, высокая стоимость лечения, возникновение резистентности (Thompson М. A. et al., 2012). В связи с этим, актуальной проблемой является поиск и создание новых высокоэффективных лекарственных препаратов, направленных на подавление вирусной активности в организме. Одним из наиболее актуальных направлений считается разработка ингибиторов интегразы ВИЧ-1 (Karmon S.L., 2013).
Интеграза ВИЧ-1 является одним из трех ферментов, необходимых для реализации жизненного цикла вируса. В ходе взаимодействия с клетками человека, интеграза (ИН) ВИЧ-1 катализирует две реакции - З'-процессинг и реакцию переноса цепи. На стадии 3'-процессинга интеграза ВИЧ-1 отщепляет ди- и тринуклеотиды с 3'-концов вирусной ДНК, заменяя их на ОН группы, а на стадии переноса цепи интеграза встраивает вирусную ДНК в хромосомную ДНК (Сага A. et al., 1995/ Отсутствие близких гомологов интегразы ВИЧ-1 в организме человека позволяет рассматривать ингибиторы интегразы ВИЧ-1 в качестве перспективных антиретровирусных веществ. Впервые информация об ингибиторах интегразы ВИЧ-1 была опубликована в 1992 году. Первый ингибитор интегразы ВИЧ-1, Ралтегравир, был разрешен к медицинскому применению только в конце 2007 года, второй, Элвитегравир - в 2009 г. Уже через год применения Ралтегравира и Элвитегравира в клинике были отмечены первые случаи возникновения резистентности к препарату
(Daar E.S., 2008, Zolopa A.R. et al.,2010), что указывает на необходимость поиска новых ингибиторов интегразы ВИЧ-1.
В последние 20 лет в поиске и оптимизации новых физиологически активных веществ широко применяются методы компьютерного конструирования лекарств, основанные на информации о структуре белка-мишени и/или о структуре и активности известных лигандов (Barreca M.L. et al., 2009, Ferro S. et al., 2010). В случае интегразы (ИН) ВИЧ-1 применение методов, основанных на структуре белка-мишени, затруднено, поскольку пространственная структура полноразмерной ИН до сих пор не установлена. Построено несколько теоретических моделей, на основе которых предпринимаются попытки моделирования фермент-лигандного взаимодействия (Barreca M.L. et al., 2009; Sun X. H. et al., 2012, и др.). В ряде работ с использованием компьютерных методов найден ряд соединений, ингибирующих интегразу ВИЧ-1. В частности, на основе данных об известных ингибиторах интегразы были построены модели фармакофоров и с их использованием осуществлен виртуальный скрининг новых ингибиторов ИН среди коммерчески доступных образцов химических соединений (Liao С. and Nicklaus М., 2010, Bak A. et al., 2012). Поскольку для разработки лекарственного препарата, наряду со специфической активностью, необходимо обеспечить наличие адекватных фармакокинетических и фармакодинамических свойств новых соединений, компьютерное прогнозирование этих характеристик является дополнительным критерием для отбора перспективных веществ (Moss D. М. et al., 2013).
Исходя из вышесказанного, целью нашей работы явилась разработка и апробация подхода к поиску и оптимизации in silico свойств базовых структур новых соединений, ингибирующих интегразу ВИЧ-1.
Для достижения данной цели было необходимо решить следующие задачи.
1. Формирование репрезентативной обучающей выборки по известным ингибиторам
интегразы ВИЧ-1, протестированным в сопоставимых условиях эксперимента, и
проведение процедуры обучения программы PASS.
2. Прогнозирование активности для коммерчески доступных химических
соединений, отбор веществ-кандидатов (hits) и тестирование их активности in vitro.
3. Компьютерная оценка вкладов структурных элементов ингибиторов интегразы
ВИЧ-1 в проявление активности и экспериментальная валидация выявленных
закономерностей.
4. Сравнительная оценка фармакодинамических и фармакокинетических
характеристик новых активных соединений и известных из литературы ингибиторов
интегразы ВИЧ-1.
Научная новизна. Впервые сформирована репрезентативная обучающая выборка по ингибиторам интегразы ВИЧ-1, протестированных в сопоставимых условиях эксперимента, на основе которой реализована компьютерная программа для отбора in silico новых активных соединений. С использованием разработанного нами компьютерного подхода выявлены оригинальные ингибиторы интегразы из класса бензофуроксанов и бензофуразанов, активность которых была подтверждена в эксперименте. Анализ взаимосвязей «структура-активность» известных из литературы и найденных в нашей работе ингибиторов интегразы ВИЧ-1 позволил установить структурные элементы, ответственные за проявление активности, на основе чего проведен компьютерный дизайн новых более активных соединений.
Научно-практическая значимость. Продемонстрирована эффективность применения разработанного нами метода компьютерного прогнозирования ингибирования интегразы ВИЧ-1 для отбора новых активных соединений. Выявлены новые ингибиторы интегразы ВИЧ-1 из класса бензофуроксанов и бензофуразанов, лучшие из которых проявляют активность на уровне значений ICso~0,5 мкМ. Расчетная оценка фармакодинамических и фармакокинетических характеристик выявленных в работе активных веществ указывает на их преимущества по сравнению с известными в настоящее время ингибиторами интегразы ВИЧ-1, что позволяет рассматривать их в качестве базовых структур новых анти-ВИЧ препаратов.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грантов МНТЦ №3197 и Министерства образования и науки РФ (трехстороннее соглашение № 8274).
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на российских и международных симпозиумах и конференциях: 3rd International Symposium "Computational Methods in Toxicology and Pharmacology Integrating Internet Resources", Shanghai (China), 2005; III Международный симпозиум «Компьютерное обеспечение химических исследований», Ярославль, 2006; IV Московской международный конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития», Москва, 2007; XIV Российский национальный конгресс «Человек и лекарство», Москва, 2007; 4th International Conference "Genomics, Proteomics, Bioinformatics and Nanobiotechnologies for Medicine", Moscow-Nizhny Novgorod-Moscow, 2008; 4rd International Symposium «Computational Methods in Toxicology and Pharmacology Integrating Internet Resources», Moscow (Russia), 2007; XVI Российский национальный конгресс «Человек и лекарство», Москва, 2009.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ в российских и международных научных изданиях, в том числе 4 статьи в рецензируемых
научных журналах, входящих в список ВАК, и 10 публикаций в сборниках научных конференций.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит: введение, обзор литературы, описание материалов и методов исследований, описание результатов и обсуждения, заключение, выводы, список литературы, включающий 186 наименований (7 - отечественных, 179 - зарубежных) и 3 приложения. Диссертационная работа изложена на 119 страницах машинописного текста и содержит 21 рисунок и 8 таблиц.
