Введение к работе
Актуальность темы. С момента идентификации вируса иммунодефицита человека, как основного этиологического фактора развития синдрома приобретенного иммунодефицита, значительные усилия были направлены на создание эффективных средств, способных ингибировать репликацию этого вируса. На сегодняшний день существует несколько классов анти-ВИЧ агентов: ингибиторы ревертазы, протеазы и интегразы ВИЧ, а также - вещества блокирующие адгезию вируса на клетке. Клинический опыт этиотропной терапии ВИЧ-инфекции показал, что применение препарата какого-либо одного из перечисленных классов не является достаточным для эффективного лечения СПИДа. В то же время, сочетание препаратов различных групп в составе, так называемой высокоактивной антиретровирусной терапии, позволяет добиться более значимых результатов. Вместе с тем, вне зависимости от конкретного состава соответствующих «лекарственных коктейлей», их важной составной частью являются ингибиторы обратной транскриптазы (ревертазы) ВИЧ - фермента, ответственного за процесс обратной транскрипции - считывания наследственной информации вируса с ДНК на РНК. В настоящее время известны различные классы химических соединений, способных угнетать активность вирусной обратной транскриптазы. Все они подразделяются на три основных группы: нуклеозидные (НИОТ), нуклеотидные (НкИОТ) и ненуклеозидные ингибиторы (ННИОТ). Особенностью действия первых двух является их конкуренция с естественным субстратом за участок связывания фермента. Ненуклеозидные ингибиторы действуют по иному механизму, связываясь с аллостерическим участком ревертазы. Эти различия в механизме действия, объясняют более низкую токсичность ненуклеозидных препаратов в отношении клеточных структур. Низкие селективные индексы нуклеозидных ингибиторов ревертазы и их выраженная токсичность способствуют незначительному увеличению продолжительности жизни больного СПИДом, существенно снижая её качество. В известном смысле, исключением из этого правила, на сегодняшний день, является отечественный препарат «Фосфазид» («Никавир») - фосфорилированый аналог азидотимидина, обладающий более
выгодным фармакокинетическим профилем. В целом же, такие побочные эффекты нуклеозидных ингибиторов ревертазы как угнетение активности ДНК-полимераз человека, панкреатит, митохондриальная миопатия, нейтропения и угнетение кроветворной функции костного мозга, подвергают сомнению необходимость лечения такими препаратами, в принципе. В то же время, хорошо известен тот факт, что к нуклеозидным ингибиторам очень быстро развиваются резистентные штаммы ВИЧ. На основании изложенного становится очевидным тезис об архаичности данного класса препаратов и необходимости поиска новых, более активных, и отличных по механизму действия лекарственных средств, способных угнетать репликацию ВИЧ.
Кроме этого, в структуре нуклеозидных ингибиторов ревертазы содержится значительное количество хиральных центров, конфигурация которых является решающей для их противовирусного действия. В этой связи, нуклеозидные ингибиторы ревертазы, как правило, труднодоступны в плане химического синтеза.
Как известно, в настоящее время в клинике уже начали применяться ненуклеозидные анти-ВИЧ-агенты, такие как вирамун, ифавиренц, делавердин и некоторые другие. Следует отметить, что наряду с чисто синтетическими производными, разрабатываются для практического использования ННИОТ природного происхождения, например - отечественный препарат
-э
«Бетулавир». Ненуклеозидные ингибиторы ревертазы практически лишены всех перечисленных недостатков, присущих нуклеозидным препаратам. Они обладают выгодным фармакокинетическим профилем действия, однако, к большинству из них достаточно быстро появляются устойчивые штаммы вируса. Этот недостаток присущ практически всем ненуклеозидным ингибиторам ревертазы первого поколения. Также, следует отметить, что в отличие от нуклеозидных препаратов, большинство ненуклеозидных аналогов неактивны в отношении ВИЧ-2. Так или иначе, этот класс анти-ВИЧ агентов остается весьма привлекательным объектом дальнейшей разработки и некоторые новые препараты этого класса, такие как этравирин и каправирин находятся на этапе клинических испытаний. Тем не менее, эти препараты уступают по эффективности ряду производных 6-бензил-4(3Я)-пиримидинона, уже синтезированных и изученных, но ещё не внедренных в клиническую практику. Таким образом, весьма актуально стоит задача разработки новых анти-ВИЧ агентов пиримидиновго ряда, обладающих более выраженной противовирусной активностью, по сравнению с известными представителями. Эти соединения, занимающие видное место среди прочих классов ненуклеозидных ингибиторов ревертазы, представлены такими дериватами пиримидин-4(3Я)-она, как функционализированные пиримидин-2,4(Ш,3Я)- дионы (урацилы), 2-тиоксо-2,3-дигидропиримидин-4(1Я)-оны (2-тиоурацилы) и 2-аминопиримидин-4(3Я)-оны (изоцитозины). Нами было показано, что элементами структуры их молекул, эссенциальными для проявления противовирусного действия являются наличие бензильного (или биоизостерического ему) заместителя в положении 6 пирмидинового цикла и алкильного или гетероалкильного фрагмента при атоме N1, S, O (для урацилов и 2-тиоурацилов) или N2 (для изоцитозинов). В качестве важной опции может рассматриваться наличие низшего алкильного фрагмента (нормального или изостроения) при атоме C пиримидинового цикла. Модераторами противовирусной активности являются также заместители в бензильном радикале.
Впервые, активность такого рода производных в отношение ВИЧ-1 была показана в 1989 году на примере 1-[(2-гидроксиэтокси)метил]-5-метил-6- (фенилсульфанил)пиримидин-2,4(1Н,3Н)-диона (6-(фенилсульфанил)ацикло- тимидина), полученного японскими исследователями M. Baba, H. Tanaka, T. Miyasaka и изученного при участии группы бельгийских ученых E. DeClerq и J. Balsarini. Таким образом, открытие анти-ВИЧ-1 активность у этого класса веществ, стало случайностью. Исходной посылкой для их исследования послужила легкость замещения фенилсульфанильной группы по механизму «присоединения-отщепления» и стремления изучить влияние этой химической особенности in vivo. Дальнейшие исследования показали, что весомым фактором в проявлении противовирусной активности, в данном случае, является пространственное строение заместителя в положении 6 пиримидинового цикла. Различными группами исследователей был синтезирован целый ряд аналогов обозначенного выше прототипа. Первым из производных пиримидин-4(3Н)-она до клинических испытаний дошел эмивирин - 6-бензил-5-изопропил-1 -(этоксиметил)пиримидин-2,4( 1Н,3Н)- дион (6-бензил-5-изопропил-1-(этоксиметил)урацил), однако, исследования проводившиеся фирмой Triangle Pharmaceuticals, были прерваны. Причиной тому послужила крайне низкая эффективность препарата в случае инфекций, вызванных мутантными штаммами ВИЧ-1.
В то же время, значительно более интересным оказался класс производных 2-алкокси-6-бензилпиримидин-4(3Н)-она (3,4-дигидро-2- алкокси-6-бензил-4-оксопиримидина, ДАБО), открытый в 1993 году итальянскими исследователями M. Artico, S. Massa и A. Mai.
На сегодняшний день, работами ряда групп исследователей из Италии (A. Mai, M. Artico, M. Botta, S. Massa, G. Maga), Испании (J.A. Este, M. Armand-Ugon, I. Clotet-Codina), Дании (E.B. Pedersen, C. Nielsen, K. Danel), Китая (F. Chen, Y.-P. He), Бельгии (E. DeClerq, J. Balsarini), ОАЭ (N. El- Brollosy, D. Imam), США (E. Sudbeck, F. Uckun, R. Vig, R. Buckheit) и России (И.А. Новаков, М.С. Новиков, М.Б. Навроцкий, Б.С. Орлинсон) была показана высокая активность значительного количества производных ряда ДАБО. При этом были получены вещества, одинаково активные в отношении дикого и мутантных штаммов ВИЧ-1. Следует отметить, что некоторые из полученных соединений также проявили активность в отношении ВИЧ-2, наряду со способностью угнетать ревертазы клеточного происхождения. Последнее явление особенно важно, так как открывает путь к направленному конструированию нового поколения средств лечения и профилактики злокачественных заболеваний на основе полученных соединений.
Цель исследования и задачи исследования. Цель работы - Создание системы направленного конструирования высокоактивных анти-ВИЧ агентов с выгодным профилем резистентности на основе новых производных 6- бензилпиримидин-4(3Н)-она и разработка эффективных подходов к их получению.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
-
Дизайн структур новых потенциальных анти-ВИЧ агентов - производных ряда ДАБО.
-
Разработка оригинальных и эффективных подходов к синтезу заявленных структур.
-
Биологические исследования полученных соединений в остром эксперименте с использованием клеточных и энзиматических моделей.
4. Установление закономерностей «химическая структура - анти-ВИЧ активность» в ряду изученных производных и выявление лидеров для дальнейших исследований. Научная новизна
-
На основе знания структурных параметров биологической мишени, анализа и модификации структур известных ненуклеозидных ингибиторов обратной транскриптазы ВИЧ-1 создан комплекс подходов к направленному конструированию производных 6-бензилпиримидин-4(3Н)-она, использующих принципы биоизостерической замены и трехмерного фармакофорного подобия для оптимизации структуры соединений-лидеров.
-
Предложенные пути рационального создания новых производных 6- бензилпиримидин-4(3Н)-она, основанные на изменении баланса между липофильными (асимметричное замещение экзоциклического гетероатома при С пиримидинового гетероцикла) и электростатическими (введение атома азота при и пептидная группа
N3HC4O пиримидинонового цикла и фенильный фрагмент, содержащий электроноакцепторные заместители)
взаимодействиями с аллостерическим участком изоферментов обратной транскриптазы ВИЧ-1, позволили получить истинные мультитаргетные ННИОТ второго поколения.
-
Впервые предложенные, в рамках модели индуцированного соответствия, пути направленного изменения конформационной подвижности молекул с предусмотренной системой контролируемых конформационных подгонок (относительно свободно вращающаяся (С2-С3)- алкил(метил)аминогруппа при С пиримидинового гетероцикла, а,5- диметилирование, ограничивающее подвижность бензильного радикала, относительно пиримидинового цикла, и асимметричное/симметричное 2,6- дизамещение бензольного кольца) обеспечили полученным веществам эффективное лигирование с ревертазами ВИЧ.
-
В ходе биологических исследований в условиях острого эксперимента, с использованием энзиматических и клеточных моделей, впервые показана высокая вирусингибирующая и противоревертазная активность полученных соединений, проявляющаяся в наномолярном и пикомолярном диапазоне концентраций.
-
С использованием фундаментальных методов математической химии, в частности - молекулярного докинга, впервые оценены возможности взаимодействия полученных производных 6-бензилпиримидин-4(3Н)-она с изоферментами обратной транскриптазы ВИЧ-1 и рационализированы наблюдающиеся связи химической структуры и биологической активности в этом ряду веществ.
-
Впервые определены и обоснованы способы региоселективной C - функционализации замещенных пиримидин-4(3Н)-онов в основных средах, составляющие основу направленного конструирования высокоактивных анти- ВИЧ-1 агентов.
Практическая значимость работы. Полученные нами высокоактивные соединения имеют хороший шанс пополнить арсенал инновационных отечественных противовирусных препаратов.
Установлено, что лидерами, с точки зрения вирусингибирующей активности и антиревертазного действия обладают производные 6-[1-(2,6- дифторфенил)этил]-5-метил-2-(метиламино)пиримидин-4(3Н)-она, содержащие при экзоциклическом атоме азота этил, пропил или изопропил, угнетающие репликацию дикого штамма ВИЧ-1 в пикомолярном, а мутантных штаммов - в наномолярном диапазоне концентраций, с низкими значениями фактора резистентности.
Для получения новых функциональных производных 6- бензилпиримидин-4(3Н)-онов предложены оригинальные и простые синтетические схемы, основанные на последовательном превращении 2- арилуксусных кислот и их нитрилов, в соответствующие 3-оксоэфиры с построением и функционализацией производных пиримидин-4(3Н)-она на их основе.
Предложенные схемы синтеза новых производных 6-бензилпиримидин- 4(3Н)-она заключают в себе возможность масштабирования до уровня промышленного производства. Вариабельность сырьевой базы, пригодной для синтеза ряда целевых веществ также повышает их доступность. Личный вклад автора. Все результаты данной диссертации получены при непосредственном участии автора. Автору принадлежит формулировка новых идей направленного конструирования новых ненуклеозидных ингибиторов репликации ВИЧ-1 - производных 6-бензилпиримидин-4(3Н)-она, выбор стратегии работы, постановка задач, обоснование выбранного подхода, планирование и выполнение всех стадий синтеза целевых структур, анализ всех полученных экспериментальных результатов.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному консультанту, академику РАН, профессору Новакову И.А. (ВолгГТУ, г. Волгоград), а также - д.х.н., профессору Орлинсону Б.С. (ВолгГТУ, г. Волгоград), д.х.н., профессору Брель А.К. (ВолГМУ, г. Волгоград), PhD D. Rotili (Universita degli studi di Roma "La Sapienza", Рим, Италия), к.х.н. Жоховой Н.И. (МГУ, г. Москва), д.ф.-м.н., к.х.н. Баскину И.И. (МГУ, г. Москва), д.х.н., профессору Леменовскому Д.А. (МГУ, г. Москва), д.х.н. Балакину К.В. (ИФАВ РАН, г. Черноголовка) и к.х.н. Доценко В.В. (ВНУ, г. Луганск, Украина), за консультативную помощь при подготовке работы. Особая благодарность д.фарм.н., к.х.н. Новикову М.С. (ВолГМУ, г. Волгоград) и профессору Antonello Mai (Universita degli studi di Roma "La Sapienza", Рим, Италия) за многочисленные плодотворные обсуждения всех аспектов работы. Неоценимый вклад в проведение экспериментальных химических исследований, положенных в основу настоящей работы внесли к.х.н. Еремийчук А.С. (ООО «Ферон»), к.х.н. Гордеева Е.А. (ВолгГТУ, г. Волгоград), к.х.н. Брунилина Л.Л. (ВолгГТУ, г. Волгоград), к.х.н. Брунилин Р.В.
(ВолгГТУ, г. Волгоград) и магистр химии и химической технологии Яблоков А.С. (ВолгГТУ, г. Волгоград).
Апробация работы. Основные фрагменты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на отчетной конференции «Химия, химические
технологии и химическое машиностроение» (Москва, 2002), международной
научно-технической конференции «Перспективы развития химии и
практического применения алициклических соединений. ALICYCLE 2004»
(Самара, 2004), VIII молодёжной научной школе - конференции по
органической химии (Казань, 2005), международной научно-технической
конференции «Наукоемкие химические технологии - 2006» (Самара, 2006),
международной научно-практической конференции «Современные проблемы
и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании», (Одесса,
2007), XV Российском национальном конгрессе «Человек и лекарство»
(Москва, 2008), международной научно-технической конференции
«Перспективы развития химии и практического применения алициклических
соединений» (Волгоград, 2008), III Meeting-Workshop «Nuove Prospettive in
Chimica Farmaceutica (NPCF 2009)» (Pisa, 2009), Всероссийской конференции
по органической химии, посвященной 75-летию со дня основания Института
органической химии имени Н.Д.Зелинского (Москва, 2009), 1-st Turkish-
Russian Joint Meeting on Organic and Medicinal Chemistry (Antalya, 2009), Х
международном семинаре по магнитному резонансу (спектроскопия,
томография и экология) (Ростов-на-Дону, 2010), VIII Всероссийской
конференции с международным участием «Химия и медицина» (Уфа, 2010), ),
XIV Молодежной научной школе-конференции по органической химии
(Екатеринбург, 2011), International Symposium "Methods and Applications of
Computational Chemistry" (Львів, 2011), International Congress on Organic
Chemistry (Казань, 2011), XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной
химии (Волгоград, 2011), II Всероссийской конференции с международным
участием «Успехи синтеза и комплексообразования», посвященной 95-летию
со дня рождения профессора Н.С. Простакова (Москва, 2012) и ежегодных
научных сессиях Волгоградского государственного технического университета в 2003-2011 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 26 статей в отечественных и зарубежных научных журналах, входящих в перечень ВАК, тезисы 29 научных докладов, получено 9 патентов РФ на изобретения. Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 4 глав основного текста, выводов, приложения и списка цитированной литературы. Работа изложена на 310 страницах машинописного текста и содержит 26 таблиц (в том числе - 5 в приложении), 12 рисунков, 355 литературных ссылок.
Похожие диссертации на 6-Бензилпиримидин-4(3Н)-оны: химический синтез и анти-ВИЧ активность
![Соли 1,3-диметил-2,4-диоксо-1Н,2Н,3Н,4Н-пирано[4,3-d]пиримидиния. Синтез и реакции с нуклеофилами](/i/i/4302/402003.png "Соли 1,3-диметил-2,4-диоксо-1Н,2Н,3Н,4Н-пирано[4,3-d]пиримидиния. Синтез и реакции с нуклеофилами Коструб Владимир Владимирович")
![1,2,3,4,5,6,7,8-октагидро-1,6-нафтиридины и 2,3,4,5,6,7,8,9-октагидро-1Н-пиридо[4,3-b]азепины. Синтез и реакционная способность](/i/i/4399/311934.png "1,2,3,4,5,6,7,8-октагидро-1,6-нафтиридины и 2,3,4,5,6,7,8,9-октагидро-1Н-пиридо[4,3-b]азепины. Синтез и реакционная способность Есипова Татьяна Владимировна")