Введення
Незважаючи на досягнення сучасної анестезії, тривають пошуки менш небезпечних засобів для наркозу, розробка різних варіантів багатокомпонентного виборчого наркозу, що дозволяє значно зменшити їх токсичність і побічні негативні впливи.
Створення нових лікарських речовин включає 6 стадій:
Створення лікарської речовини за допомогою комп'ютерного моделювання.
Лабораторний синтез.
Біоскринінгу і доклінічні випробування.
Клінічні випробування.
Промислове виробництво.
Продаж.
Останнім часом комп'ютерне моделювання все більш упевнено входить в практику технології створення нових синтетичних лікарських речовин [1]. Попередньо проведений комп'ютерний скринінг економить час, матеріали і сили при аналоговому пошуку лікарських препаратів. Як об'єкт дослідження обрано місцевоанестезуючих препарат дикаїн, який має більш високий рівень токсичності в ряду своїх аналогів, але при цьому не замінимо в очній і оториноларингологічній практиці. Для зниження і збереження або посилення місцевоанестезуючого ефекту розробляються композиційні склади, додатково містять протигістамінні засоби, що містять аміноблокатори, адреналін.
Дикаїн відноситься до класу складних ефірів п-амінобензойної кислоти (β-діметіламіноетіловий ефір п-бутіламінобензойной кислоти гідрохлорид) [2]. Відстань C - N в 2-аміноетанольной групі визначає двоточковим контакт молекули дикаїну з рецептором через диполь-дипольне і іонне взаємодію.
В основу модифікування молекули дикаина для створення нових анестетиків нами покладено принцип введення хімічних угруповань і фрагментів в існуючий анестезіофор, які підсилюють взаємодію речовини з біорецептором, знижують токсичність і дають метаболіти з позитивним фармакодействіем.
Виходячи з цього нами запропоновано такі варіанти нових молекулярних структур:
У бензельное кільце введена "облагороджує" карбоксильная група, діметіламіногруппа заміщена на більш фармакоактівную діетіламіногруппу.
Аліфатичний н-бутільний радикал заміщений на адреналіновий фрагмент.
Ароматична основа п-амінобензойної кислоти заміщена на нікотинову кислоту.
Бензольне кільце заміщено на піперідінового, характерне для ефективного анестетика промедол.
У роботі виконано комп'ютерне моделювання усіх зазначених структур із застосуванням програми HyperChem. На наступних етапах комп'ютерного конструювання досліджена біологічна активність нових анестетиків з застосуванням програми PASS.
1. Огляд літератури
1.1 Лікарські засоби
Незважаючи на величезний арсенал наявних ліків, проблема пошуку нових високоефективних лікарських засобів залишається актуальною. Це зумовлено відсутністю або недостатньою ефективністю ліків для лікування деяких захворювань, наявність побічної дії деяких лікарських препаратів; обмеженнями терміну придатності лікарських препаратів; величезними термінами придатності лікарських препаратів або їх лікарських форм.
Створення кожного нового оригінального лікарської речовини є результатом розвитку фундаментальних знань і досягнень медичних, біологічних, хімічних та інших наук, проведення напружених експериментальних досліджень, вкладення великих матеріальних витрат. Успіхи сучасної фармакотерапії були наслідком глибоких теоретичних досліджень первинних механізмів гомеостазу, молекулярних основ патологічних процесів, відкриття і вивчення фізіологічно активних сполук (гормони, медіатори, простагландини та ін) [3]. Отримання нових хіміотерапевтичних засобів сприяли досягнення у вивченні первинних механізмів інфекційних процесів і біохімії мікроорганізмів.
Лікарський засіб - однокомпонентний або комплексний склад, що володіє профілактичної та лікувальної ефективністю. Лікарська речовина - індивідуальне хімічне з'єднання, що використовується як лікарського засобу [4].
Лікарська форма - фізичний стан лікарського засобу, зручне для застосування [4].
Лікарський препарат - дозоване лікарський засіб в адекватній для індивідуального застосування лікарській формі і оптимальним оформленням з додатком анотації про його властивості та використання [4].
В даний час кожне потенційне лікарську речовину проходить 3 стадії вивчення: фармацевтичну, фармакокінетичні та фармакодинамічні.
На фармацевтичної стадії встановлюють наявність корисної дії лікарської речовини, після чого воно піддається доклінічного вивчення інших показників. Перш за все визначається гостра токсичність, тобто смертельна доза для 50% опитаних тварин. Потім з'ясовується субхроніческая токсичність в умовах тривалого (кілька місяців) введення лікарської речовини в терапевтичних дозах. При цьому спостерігають можливі побічні ефекти і патологічні зміни всіх систем організму: тератогенність, вплив на репродуктивність і імунну систему, ембріотоксичність, мутагенність, канцерогенність, алергенність та інші шкідливі побічні дії. Після цього етапу лікарський засіб може бути допущено до клінічних випробувань.
На другій стадії - фармакокінетичною - вивчають долю лікарської речовини в організмі: шляхи його введення і всмоктування, розподіл в біорідинах, проникнення через захисні бар'єри, доступ до органу-мішені, шляхи і швидкість біотрансформації шляхи виведення з організму (з сечею, калом, потом і диханням).
На третій - фармакодинамічною - стадії вивчаються проблеми розпізнавання лікарської речовини (або його метаболітів) мішенями і їх подальшої взаємодії. Мішенями можуть служити органи, тканини, клітини, клітинні мембрани, ферменти, нуклеїнові кислоти, регуляторні молекули (гормони, вітаміни, нейромедіатори і т.д.), а також біорецептори. Розглядаються питання структурної і стереоспеціфічной комплементарності взаємодіючих структур, функціонального та хімічного відповідності лікарської речовини або метаболіту його рецептора. Взаємодія між лікарською речовиною і рецептором або акцептором, що приводить до активації (стимулювання) або дезактивації (інгібування) біомішені і супроводжується відповіддю організму в цілому, в основному забезпечується за рахунок слабких зв'язків - водневих, електростатичних, ван-дер-ваальсових, гідрофобних [5] .
1.2 Створення та дослідження нових лікарських засобів. Основний напрямок пошуку
Створення нових лікарських речовин виявилося можливим на основі досягнень в галузі органічної і фармацевтичної хімії, використання фізико-хімічних методів, проведення технологічних, біотехнологічних та інших досліджень синтетичних та природних сполук.
Загальноприйнятим фундаментом створення теорії цілеспрямованих пошуків тих чи інших груп лікарських препаратів є встановлення зв'язків між фармакологічною дією і фізичними особливостями [3].
В даний час пошук нових лікарських засобів ведеться за такими основними напрямами.
1. Емпіричне вивчення того чи іншого виду фармакологічної активності різних речовин, отриманих хімічним шляхом. В основі цього вивчення лежить метод «проб і помилок», при якому фармакологи беруть існуючі речовини і визначають за допомогою набору фармакологічних методик їх приналежність до тієї чи іншої фармакологічної групи. Потім серед них відбирають найбільш активні речовини і встановлюють ступінь їх фармакологічної активності і токсичності в порівнянні з існуючими лікарськими засобами, які використовуються в якості стандарту.
2. Другий напрямок полягає у відборі сполук з одним визначеним видом фармакологічної активності. Цей напрямок одержав назву спрямованого вишукування лікарських засобів.
Перевага цієї системи полягає у більш швидкому відборі фармакологічно активних речовин, а недоліком є відсутність виявлення інших, може бути дуже цінних видів фармакологічної активності.
3. Наступний напрямок пошуку - модифікація структур існуючих лікарських засобів. Цей шлях пошуку нових лікарських засобів є тепер дуже поширеним. Хіміки-синтетики замінюють в існуючому з'єднанні один радикал іншим, вводять до складу вихідної молекули інші хімічні елементи або виробляють інші модифікації. Цей шлях дозволяє збільшити активність лікарського препарату, зробити його дію більш виборчим, а також зменшити небажані сторони дії і його токсичність [4].
Цілеспрямований синтез лікарських речовин означає пошук речовин з наперед заданими фармакологічними властивостями. Синтез нових структур з передбачуваною активністю найчастіше проводиться в тому класі хімічних сполук, де вже знайдені речовини, що володіють певною спрямованістю дії на даний орган або тканину.
Для основного скелета шуканого речовини можуть бути обрані також ті класи хімічних сполук, до яких відносяться природні речовини, що беруть участь у здійсненні функцій організму. Цілеспрямований синтез фармакологічних речовин важче вести в нових хімічних сполук класах через відсутність необхідних первинних відомостей про зв'язок фармакологічної активності зі структурою речовини. У цьому випадку необхідні дані про користь речовини або елемента.
Далі до вибраного основного скелету речовини додають різні радикали, які будуть сприяти розчиненню речовини в ліпідах і воді. Синтезируемую структуру доцільно зробити розчинної одночасно і у воді, і в жирах з тією метою, щоб вона могла всмоктатися в кров, перейти з неї через гематотканевие бар'єри в тканини і клітини і потім вступити в зв'язок з клітинними мембранами або проникнути через них всередину клітини і з'єднатися з молекулами ядра і цитозолю [6].
Цілеспрямований синтез лікарських речовин стає вдалим, коли вдається знайти таку структуру, яка за розміром, формою, просторовому положенню, електронно-протонним властивостях і ряду інших фізико-хімічних показників буде відповідати живої структурі, що підлягає регулюванню.
Цілеспрямований синтез речовин переслідує не тільки практичну мету - отримання нових лікарських речовин з потрібними фармакологічними і біологічними властивостями, але і є одним з методів пізнання загальних і приватних закономірностей життєвих процесів. Для побудови теоретичних узагальнень необхідно подальше вивчення всіх фізико-хімічних характеристик молекули і з'ясування вирішальних змін у її структурі, що обумовлюють перехід одного виду активності в іншій.
Складання комбінованих препаратів є одним з найбільш ефективних шляхів пошуку нових лікарських засобів. Принципи, на основі яких підіймали багатокомпонентні лікарські препарати можуть бути різними і змінюються разом з методологією фармакології [7]. Розроблено основні принципи та правила складання комбінованих засобів.
Найчастіше в комбіновані кошти включаються лікарські речовини, які надають дію на етіологію захворювання і основні ланки патогенезу хвороби. У комбінований засіб звичайно включаються лікарські речовини в малих або середніх дозах, якщо між ними існують явища взаємного посилення дії (потенціювання або підсумовування).
Комбіновані засоби, складені з урахуванням зазначених раціональних принципів, відрізняються тим, що вони викликають значний лікувальний ефект при відсутності або мінімумі негативних явищ. Останнє їх властивість обумовлена введенням малих доз окремих інгредієнтів. Істотна перевага малих доз полягає і в тому що вони не порушують природних захисних або компенсаторних механізмів організму.
Комбіновані препарати складаються також і за принципом включення до них таких додаткових інгредієнтів, які усувають негативну дію основного речовини.
Комбіновані препарати складаються з включенням різних коригуючих засобів, що усувають небажані властивості основних лікарських речовин (запах, смак, роздратування) або регулюючих швидкість звільнення лікарської речовини з лікарської форми або швидкість всмоктування його в кров.
Раціональне складання комбінованих засобів дозволяє цілеспрямовано збільшити фармакотерапевтичних ефект і усунути або зменшити можливі негативні сторони дії лікарських засобів на організм.
При комбінуванні лікарських засобів окремі компоненти повинні бути сумісні між собою у фізико-хімічному, фармакодинамічну і фармакокінетичному відносинах [8].
1.3 Роль комп'ютера при створенні нових лікарських засобів
Щорічно хіміки синтезують, виділяють і характеризують від 100 до 200 тисяч нових речовин. Багато з цих речовин проходять попередні випробування на виявлення тієї чи іншої біологічної активності. Цей етап пошуку лікарської речовини називають скринінгом. Скринінг проводять в біологічних лабораторіях на живих клітинах, мікроорганізмах або шматочках живих тканин, на здорових або спеціально затриманих тварин: на мишах, щурах, морських свинках, собаках.
При цьому з сотень речовин відбираються декілька найбільш активних препаратів, які потім передаються на поглиблення випробування. Якщо висока активність речовини підтверджується, то його всебічно вивчають для визначення токсичності і побічних ефектів, при відсутності або незначності яких проводять кінетичні випробування на людях.
Вважається необхідним, щоб всі нові синтезовані речовини були піддані первинним випробувань. Очевидно, що можливість випробувати все нові з'єднання на всі нові з'єднання на всі потрібні види активності поки залишається малореальною. В даний час існує можливість визначення потенціалу їх біоактивності шляхом комп'ютерного аналізу [1]. Достатньо лише ввести в комп'ютер інформацію про будову речовини. Після закінчення комп'ютерного аналізу оператор отримує рекомендації про доцільність або недоцільність випробувань даної речовини на той чи інший вид активності. Скринінг економить час, матеріали і сили при аналоговому пошуку лікарських речовин.
В даний час також користуються методом хімічного модифікування структури відомих синтетичних і природних лікарських речовин. Цей метод є інтуїтивним, умоглядним. З його допомогою виходячи з аналогії двох структур біоактивність відомого речовини як би переносять на нове з'єднання.
Метод молекулярного моделювання в поєднанні з рентгеноструктурним аналізом дозволяє встановити стехереохіміческіе особливості молекули лікарської речовини і біорецептора, конфігурацію їх хіральних центрів, виміряти відстань між окремими атомами, групами атомів або між зарядами в разі цвиттер-іонних структур ліки і біорецепторного ділянки його захоплення. Отримані таким чином дані дозволяють більш цілеспрямовано проводити синтези біоактивних молекул із заданими на молекулярному рівні параметрами. Цей метод був успішно використаний в синтезі високоефективних анальгетиків - аналогів морфіну, а також для одержання ряду лікарських речовин, що діють на центральну нервову систему подібно природному нейромедіатора γ - аміномасляної кислоти. Широкий розвиток отримали метод комбінаторної хімії.
Метод комбінаторної хімії виник і почав швидко розвиватися в 1990-х роках, як частина загальної стратегії відкриття нових лікарських речовин.
Стратегія комбінаторної хімії заснована на недавній розробці декількох революційних хімічних і біологічних методів паралельного синтезу і випробування великої кількості сполук. Була створена техніка, що дозволяє синтезувати в розчині або на твердих підкладках від сотень до декількох тисяч нових з'єднань на день і швидко їх тестувати у вигляді сумішей або після виділення індивідуальних речовин. У сукупності з автоматизацією синтез цілих сімейств речовини вимагає значно менше витрат реагентів при величезному зростанні продуктивності [9].
1.4 Молекулярне моделювання за допомогою програми HyperChem
Молекулярне моделювання - складна мережа різних наук, що знаходить застосування в нанотехнології, в молекулярній біології, квантової хімії та біотехнології.
Молекулярне моделювання молода, затребувана і бурхливо розвивається наука.
На сьогоднішній день методи квантової хімії та молекулярної динаміки набули широкого поширення в чисельному моделюванні електронної та атомної структур складних систем молекулярних, кристалічних і перехідних розмірів. Це пов'язано з технологічним розвитком відповідного математичного забезпечення. Зараз у світі функціонує досить багато сучасних обчислювальних комплексів, що реалізують методи квантової хімії та молекулярної динаміки. Використання багатьох з цих методів забезпечується програмою Hyper Chem для молекулярного моделювання.
HyperChem - комплексний програмний продукт, призначений для завдань молекулярного моделювання. Він включає в себе програми, що реалізують методи молекулярної механіки, квантової хімії та молекулярної динаміки. Силові поля, які можуть використовуватися в HyperChem - це ММ + (на базі мм2), Amber, OPLS і BIO + (на базі CHARMM). Реалізовано напівемпіричні методи: розширений метод Хюккеля, CNDO, INDO, MINDO / 3, MNDO, AM1, PM3, ZINDO / 1, ZINDO / S, а також можливості проведення неемпіричних розрахунків і по теорії збурень Меллера-Плессета другого порядку.
HyperChem має розвинені засоби візуалізації, які можуть використовуватися як при підготовці вхідної інформації (структури молекули), так і при аналізі результатів, наприклад, розрахованих характеристик ІЧ-і УФ-спектрів.
Розрахункові методи надають неоціненну допомогу в створенні лікарських засобів. Молекулярне моделювання входить в усі галузі знань і знаходить собі застосування, часом граючи одну з головних ролей. Деякі галузі хімії немислимі без молекулярного моделювання. У розвинених країнах моделювання є сучасним методом вивчення мікроструктур.
В даний час для вивчення реакційної здатності молекул використовуються наближення CNDO / 2, MNDO, AM1, PM3.
Метод CNDO заснований на наближенні нульового диференціального перекривання і тому є одним з найпростіших напівемпіричних методів. З цього факту випливають обмеження застосовності методу, який через збідненої розрахункової схеми недостатньо коректно відтворює багато ефекти. З появою більш досконалих версій напівемпіричних методів МО наближення CNDO все рідше застосовується на практиці. Так, в версії 7 програмного продукту Морас даний метод не представлений. Тим не менш, у багатьох випадках для швидкої оцінки електронних параметрів корисно використовувати схему CNDO, тому що внаслідок різкого зменшення кількості розраховуються інтегралів за допомогою цього методу можна дослідити більш складні об'єкти. В цілому CNDO / 2 дає надійні результати при розрахунку електронних розподілів і властивостей, що залежать від них.
Основним калібрувальним параметром в CNDO є резонансний інтеграл. Він підбирається так, щоб відносний порядок енергетичних рівнів зайнятих МО і коефіцієнти розкладання МО в ЛKAO найкращим чином збіглися з розрахунками ab initio сполук навчальної вибірки.
Загальним гідністю всіх перерахованих версій є насамперед порівняно малий час розрахунків і менші розміри займаної оперативної пам'яті в порівнянні з більш точними наближеннями. Це дає можливість як для швидкої оцінки досліджуваних об'єктів, так і для вивчення більш складних молекул, що вимагають тривалого часу розрахунку і великих обсягів оперативної пам'яті. В цілому наближення CNDO добре описує електростатичні ефекти і полярність зв'язку. CNDO / 2 може застосовуватися для розрахунку дипольних моментів і зарядів за схемою Маллікен та оцінки рівноважної геометрії.
Недоліки наближення CNDO є наслідком усікання розрахункової схеми, яка не враховує взаємодії між перекривання орбітальних зарядів. У результаті багато ефекти не відтворюються.
Метод MNDO був розроблений на основі більш суворого і складного наближення NDDO. Це дозволило істотно поліпшити результати розрахунків при вирішенні багатьох завдань. Тривалий час метод розглядався в якості основного напівемпіричної методу квантової хімії. Його можливості дозволили з достатнім ступенем надійності розраховувати фізико-хімічні властивості, електронні структури і реакційну здатність безлічі молекулярних систем.
Перевага полягає у швидкодії (порівняно з неемпіричний методами) програм, в яких реалізована схема MNDO. Це дозволяє застосовувати її для дослідження все більш складних об'єктів. Недоліки пов'язані з тим, що точність методу не може перевищувати точність тих експериментальних даних, за якими проводилась параметризація.
У схемі MNDO використовуються 3 види параметрів.
По-перше, варійований параметри, значення яких визначають за допомогою оптимізаційної процедури.
По-друге, одноцентровую двухелектронние інтеграли, оцінюються з спектроскопічних даних.
По-третє, ряд залежних параметрів, необхідних для розрахунку двухцентрових двухелектронних інтегралів, що оцінюються за допомогою емпіричних схем.
В даний час область застосування методу MNDO достатньо вивчена. Знаючи особливості розрахункової схеми MNDO, його переваги та недоліки можна з успіхом застосовувати метод для вирішення багатьох завдань.
Хоча в цілому метод MNDO має суттєві переваги перед СNDO, в деяких випадках метод дає серйозні збої. Це в першу чергу стосується розрахунків молекул з водневими зв'язками, бар'єрів внутрішнього обертання в p-сполучених системах та розрахунків четирехчленние циклів. Тому в рамках методу MNDO були розроблені модифіковані варіанти.
Для розрахунку характеристик систем з водневими зв'язками були розроблені методи MNDO / Н і MNDO / М, які краще відтворюють експериментальні значення енергії водневих зв'язків в комплексах.
Задовільний опис водневих зв'язків дозволило широко використовувати модифіковані варіанти для дослідження біологічних об'єктів.
Таким чином, напівемпіричні квантовохімічні методи можна використовувати з великим практичним виходом для вивчення реакційної здатності різних хімічних сполук.
Переваги методу MNDO | Недоліки методу MNDO |
1.Бистродействующій метод, що дозволяє вивчати будову та властивості складних молекул. 2.Учітивается орієнтація р-орбіталей і правильно описується відштовхування неподілених електронних пар. 3.Значітельное розширення кола доступних для розрахунку з'єднань. 4.Более коректний опис послідовності верхніх молекулярних рівнів. 5.Может використовуватися для інтерпретації фотоелектронних спектрів. 6.Преімущества проявляються в більшій мірі в розрахунках більш полярних молекул. 7.Удовлетворітельно описується будова радикалів, дає розумні результати для катіонів органічних сполук. 8.Более точно розраховуються валентні кути. 9.Более надійний розрахунок частот коливань, протонних ефектів і електронного спорідненості. 10.При вивченні хімічних реакцій правильно описується ППЕ і ПС. | 1.Точность методу не може перевищувати точності експериментальних даних. 2.Електронная кореляція враховується двічі. Правильніше було б внесення кореляційних поправок. 3.Недооценіваются ефекти взаємодії через простір. 4.Ограніченія можливості розрахунку з'єднань третього і більш високих періодів (зокрема з SO і SO2-групами) вследствии зневаги d-орбіталями. 5.Некорректное опис водневих зв'язків. 6.Неверен розрахунок бар'єрів внутрішнього обертання в сполучених молекулах. 7.Недооценівается енергія трехцентрових зв'язків. 8.Неудовлетворітельная оцінка спінових щільності і констант надтонкого розщеплення електронного парамагнітного резонансу. 9.Завишается стабільність радикалів. 10.Потенціали іонізації атомів III періоду з сильно вираженим S-характером завищені внаслідок застосування наближення замороженого остову. 11.Плохо відтворюється спінова густина в радикалів. 12.Ентальпія одноатомних іонів може значно відрізнятися від експериментальних даних. 13.Ограніченная відтворюваність властивостей неорганічних молекул. Помилка розрахунку становить для ентальпії - 10 ккал / моль, потенціалу іонізації - 1 еВ, довжин зв'язків - 0,07 A |
1.5 Визначення спектра біологічної активності за допомогою програми PASS C & T (Prediction of Activity Spectra for Substances: Complex & Training)
Сучасна версія комп'ютерної системи передбачення спектра біологічної активності PASS C & T (P rediction of A ctivity S pectra for S ubstances: C omplex & T raining) реалізована в 1998 році. Вона включає в себе навчальну вибірку, яка містить понад 45000 біологічно активних речовин з відомою біологічною активністю, і охоплює більше 400 фармакологічних ефектів, механізмів дії, а також мутагенність, канцерогенність, тератогенність і ембріотоксичність.
Робота PASS заснована на аналізі залежностей "структура-активність» для речовин з навчальної вибірки, що містить понад 45000 різноманітних біологічно активних речовин (субстанції відомих лікарських препаратів і фармакологічно активні сполуки). Навчальна вибірка постійно поповнюється новою інформацією про біологічно активних речовинах, що відбирається як з публікацій в науково-технічній літературі, так і з численних баз даних. Хімічна структура представлена в PASS у вигляді оригінальних MNA дескрипторів (Mulilevel Neighbourhoods of Atoms). MNA дескриптори мають універсальний характер і з досить гарною точністю описують різноманітні залежності "структура-властивість". Використовуваний в PASS математичний алгоритм був відібраний шляхом цілеспрямованого аналізу та порівняння ефективності для вирішення подібних завдань великого числа різних методів. Показано, що даний алгоритм забезпечує отримання стійких у статистичному сенсі залежностей "структура-активність" і, відповідно, результатів прогнозу. Це дуже важливо, оскільки включені в навчальну вибірку дані завжди мають певну неповнотою як щодо охоплення всіх хімічних класів речовин, що мають конкретний вид активності, так і щодо вивченості кожного окремого речовини на всі можливі види активності. Середня точність прогнозу при ковзному контролі становить понад 85%. Ковзний контроль проводиться наступним чином: з навчальної вибірки по черзі віддаляється одна речовина і для нього робиться прогноз на основі аналізу решти навчальної вибірки, результат порівнюється з відомими експериментальними даними. Процедура повторюється ітераківно для кожного з речовин і розраховується середня точність прогнозу. Точність прогнозу в 85% достатня для практичного застосування системи PASS з метою прогнозу спектру біологічної активності нових речовин, оскільки очікувана ймовірність випадкового вгадування одного з 780 видів активності становить близько 0.1% [10].
Результати прогнозу видаються користувачу у вигляді списку назв ймовірних видів активності з попередніми оцінками ймовірностей наявності (Pa) і відсутності кожного виду активності (Pi), які мають значення від 0 до 1. Ці ймовірності розраховуються незалежно по підвибірки активних і неактивних сполук, і тому їх сума не дорівнює одиниці. Pa і Pi інтерпретуються як оцінки міри належності речовини до класів активних і неактивних сполук відповідно, або як оцінки помилок першого і другого роду. Чим більше для конкретної активності величина Pa і чим менше величина Pi, тим більше шанс виявити дану активність в експерименті. Якщо при аналізі прогнозованого списку активностей для дослідження вибираються ті види активності, для яких Pa> 90%, то ми ризикуємо пропустити близько 90% дійсно активних сполук, але ймовірність хибнопозитивних прогнозів при цьому мізерно мала; для Pa> 80% - пропустимо вже тільки 80 % активних сполук, але і ймовірність хибнопозитивних прогнозів буде вище, нарешті, для Pa> Pi ймовірності помилок першого і другого роду рівні [1, 9, 10].
На практиці, однак, при відборі для дослідження найбільш перспективних речовин керуються й іншими критеріями, наприклад, критерієм новизни. При цьому виходять з того, що чим ближче значення Pa до одиниці, тим більш імовірно, що речовина є близьким аналогом відомого препарату. Тому, якщо метою дослідника є виявлення сполук з досить високим рівнем новизни (New Chemical Entity, NCE), то треба вибирати речовини, для яких величина прогнозованої ймовірності Pa для необхідного виду активності трохи нижче, наприклад, 0,5 <PA <NCE.
Базуючись на даних комп'ютерного прогнозу, дослідник може:
визначити, які тести найбільш адекватні для вивчення біологічної активності конкретного хімічної сполуки.
виявити нові ефекти та механізми дії для раніше вивчених речовин;
відібрати найбільш ймовірні базові структури нових ліків з необхідним біологічною дією серед доступних для скринінгу хімічних сполук.
Система PASS дозволяє отримати прогноз спектру біологічної активності 1000 речовин на звичайному персональному комп'ютері менш ніж за одну хвилину. Оскільки прогноз виконується за структурною формулою речовини, він може бути виконаний вже на стадії планування синтезу [11].
Придатність PASS для вирішення практичних завдань продемонстрована в численних експериментах. Прогнозовані види активності підтверджені для речовин різних хімічних класів, виявляють різноманітні ефекти: протибактеріальний, антиаритмічний, протипухлинний, гепатопротекторний, антиамнестична, протизапальні, антиоксидантний та ін
Із застосуванням PASS за підтримки гранту CRDF (RC1-2064) був виконаний прогноз спектру біологічної активності для 250 000 хімічних сполук.
Крім того, якщо, поряд з основною дією, відомий перелік небажаних побічних ефектів, то при відборі перспективних для досліджень з'єднань можна керуватися комбінованим критерієм:
наявність у прогнозованому спектрі необхідних ефектів / механізмів;
відсутність небажаних ефектів / механізмів.
Природно, що при розгляді всього списку, що включає понад 400 прогнозованих PASS C & T видів активності, можна скласти велику кількість комбінацій із потрібних і небажаних ефектів.
Для їх аналізу співробітник Лабораторії структурно-функціонального конструювання ліків НДІ Біомедхіміі РАМН А. А. Лагуніна розробив спеціальну комп'ютерну систему інтерпретації спектрів біологічної активності речовин IBIAC, засновану на знаннях про відомих взаємозв'язках між фармакологічними ефектами та механізмом дії біологічно активних речовин (більш 2000 термінів, що описують біологічну активність).
З використанням системи IBIAC генерація переліку ефектів, що відповідають певному механізму дії і, навпаки, списку ймовірних механізмів, відповідальних за прояв певного ефекту, здійснюється автоматично [12].
Оскільки прогноз спектру біологічної активності здійснюється на основі структурної формули хімічної сполуки, він може бути виконаний вже на етапі планування синтезу.
У підсумку будуть синтезовані лише деякі з теоретично можливих похідних, найбільшою мірою задовольняють критеріям завдання.
Необхідно зазначити, що прогноз спектру біологічної активності можливий для низькомолекулярних органічних (drug-like) з'єднань, структура яких не відрізняється принципово від речовин навчальної вибірки. Не має сенсу прогноз для синтетичних і біополімерів, для неорганічних речовин і т.п [13, 14, 15, 16].
1.6 місцевоанестезуючих кошти
Незважаючи на досягнення сучасної анестезії, тривають пошуки менш небезпечних засобів для наркозу, розробка різних варіантів багатокомпонентного виборчого наркозу, що дозволяє значно знизити дози використовуваних засобів, зменшити їх токсичність і побічні негативні впливи. Відомо, що місцевоанестезуючі засоби знижують чутливість закінчень аферентних нервових волокон, і пригнічують проведення збудження по нервових волокнах. Викликають місцеву втрату чутливості. І в першу чергу вони усувають відчуття болю, у зв'язку з чим їх використовують головним чином для місцевого знеболювання (анестезії) [17].
До анестезуючою засобів висувають певні вимоги. Перш за все вони повинні мати високу вибірковість дії, не надаючи негативного впливу ні на нервові елементи, ні на навколишні тканини. Короткий латентний період, висока ефективність при різних видах місцевої анестезії, певна тривалість дії. Бажано, щоб вони звужували кровоносні судини. Це суттєвий момент, оскільки звуження судин посилює анестезію, знижує кровотеча із тканин, а так само зменшує можливість токсичних ефектів затримуючи всмоктування анестетика. Так само до числа важливих характеристик відносяться низька токсичність і мінімальні побічні ефекти.
В даний час в медичній практиці використовується безліч місцевоанестезуючих речовин з різним ступенем активності і різною тривалістю дії.
За застосування в клінічній практиці місцеві анестетики поділяються на:
1) засоби, що застосовуються тільки для поверхневої анестезії: кокаїн, дикаїн (тетракаїн), бензокаїн (анестезин), бупівакаїн (піромекаін);
2) засоби, що застосовуються для інфільтраційної і провідникової анестезії: новокаїн (прокаїн), тримекаїн, бутівокаін, ізокаін, Ультракаїн.
3) засоби, що застосовуються для всіх видів анестезії: лідокаїн (кскаін).
За хімічною будовою місцевоанестезуючі речовини можна розділити на дві групи:
1) складні ефіри: кокаїн, дикаїн, бензокаїн, прокаїн;
2) заміщені аміди кислот: лідокаїн, тримекаїн, бупівакаїн, булекаін.
Дикаїн застосовується для поверхневої анестезії. Під впливом місцевих анестетиків у закінченні нерва і в самому нерві припиняється електрохімічний процес, який здійснює пересування іонів через мембрану і розповсюдження нервових імпульсів. Область закінчення чутливих нервів знаходиться під регулюючим впливом системи медіаторних рецепторів, сінергентное взаємодія, яких забезпечує більш ефективне розвиненіша гальмування.
Так само відомо, що в присутності протигістамінних засобів (димедрол), м - холіноблокаторів (атропін) і адренаніла посилюється місцевоанестезуючих ефект [18].
Дикаїн являє собою - Діметіламіноетіловй ефір п - бутіламінобензойной кислоти гідрохлорид).
Працюючи над комп'ютерним дизайном місцевоанестезуючого препарату дикаїн, був проведений інформаційний аналіз даного препарату в порівнянні з іншими засобами, такими як бензокаїн (анестезин), бумекаін. У ході аналізу було встановлено, що дикаїн є ефективним засобом місцевоанестезуючу, значно переважаючим за активністю кокаїн (приблизно в 10 разів), він також перевершує кокаїн за токсичністю (в 2-5 разів).
Застосовують дикаїн в очній практиці у вигляді 0,1% розчину при вимірюванні внутрішньоочного тиску, у вигляді 0,25-1% або 2% розчину при видаленні сторонніх тіл. Дикаїн на відміну від кокаїну не впливає на внутрішньоочний тиск, не розширює зіниці. При необхідності тривалої анестезії використовують очні плівки з дикаїном (0,75 см) виготовлені на основі біорастворімого полімеру.
Анестезіофорной групою є діалкіламіноацетанілід. Відстань між і атомами визначає двоточковим контакт молекули дикаїну з рецептором через диполь-дипольне і іонне взаємодію. До структури молекули дикаина входить фрагмент біогенного речовини коламіна, похідні якого надають протигістамінні ефект. Дикаїн активніше анестезину і новокаїну, але токсичніша їх у кілька разів. У проведенні подальшого аналізу було запропоновано варіанти нових структур для комп'ютерного аналізу.
2. Методична частина
2.1 Характеристика об'єкта дослідження
Температура плавлення 147-150 . З'єднання представляє білий кристалічний порошок без запаху. Легко розчинний у воді і спирті. Дикаїн сильне місцевоанестезуючу засіб, що володіє високою токсичністю. Застосовують в очній і оториноларингологічній практиці при деяких оперативних втручаннях, а також для анестезії.
2.1. 1 Характеристика приладів
Методи дослідження проводили за допомогою програми Hyper Chem.
2.1. 2 Методика виконання
Побудувати молекули за допомогою програми HyperChem.
Послідовність дії:
Запуск програми Hyper Chem.
Створення молекули:
- Миша встановлюють на пункт меню "Build", клацанням по лівій кнопці розгортають меню і вибирають "Default atoms";
- Встановлюють покажчик курсору в режимі побудови молекулярних моделей; для цього в верхньому рядку вибирають необхідний вид курсора і клацають лівою кнопкою мишки;
- В розгорнутій на екрані періодичній таблиці вибирають зацікавив атом;
- Зв'язок між атомами позначають, натискаючи ліву кнопку миші в положення одного з атомів, і, утримуючи її, пересувають курсор до іншого атому, потім кнопку відпускають, типи зв'язків задають. Полуторні зв'язку ароматичного кільця позначаються пунктирною лінією. Їх можна намалювати за допомогою подвійного L-клацання поблизу однієї з внутрішніх сторін кільця;
- Побудовану модель автоматично доповнюють атомами водню; для цього миша встановлюють на пункт меню "Build", клацанням по лівій кнопці розгортають меню і вибирають "Add Hydrogens".
- Для усунення неточностей виконаного малюнка миша встановлюють на пункт меню "Build", клацанням по лівій кнопці розгортають меню і вибирають "Model build"; дана команда коригує міжатомні відстані та кути.
За допомогою програми Нурег Chem:
- Курсор миші встановлюють на пункт меню "Setup", обирають метод молекулярної механіки), встановлюють "ММ";
- Запускають процес оптимізації геометрії шляхом вибору пункту меню "Compute", далі вибирають "Geometry Optimize";
Визначення геометричних характеристик (довжин зв'язків і валентних кутів):
- Вибирають курсор у вигляді двох концентричних кіл, ставлять цей курсор на один з цікавлять атомів, натискають ліву кнопку миші і, не відпускаючи її, підводять курсор до наступного атому (для вимірювання довжини зв'язку) або до атома, що знаходиться через один від вихідного (для вимірювання величини валентного кута); потім кнопку відпускають.
У нижній частині екрана з'явиться значення довжини зв'язку (Е) або валентного кута (град.).
- У пункті меню "File, вибирають" Start Log "(створення файлу звіту); файлу дають назву і встановлюють" Quantum print level "= 9;
- У пункті меню "Setup", обирають "Semiempirical methods"; в розкрився віконечку встановлюють "MNDO";
- Встановлюють відповідний заряд і мультиплетной у відповідних полях;
- Запускають процес розрахунку з оптимізацією геометрії шляхом вибору пункту меню "Compute", обирають "Geometry Optimize";
- Розрахунок закінчується, коли в нижньому рядку вікна з'являється напис Conv = YES "- закривають файл звіту (. Log file) шляхом вибору пункту меню" File ", обирають" Stop Log ".
Графічне зображення ВЗМО і НВМО.
- Для отримання графічного зображення молекулярної орбіталі вибирають пункт меню "Compute", обирають "Orbitals";
- Вибирають номер потрібної молекулярної орбіталі, і встановлюють "3D";
- Отриману картинку можна скопіювати, використовуючи пункт меню "Edit" і далі "Copy image".
- Вибирають пункт меню "Compute", потім "Plot molecular properties";
- Вибирають "electrostatic potencial" і встановлюють "3D". Позитивний знак електростатичного потенціалу стає зеленим. В області неподілених пар на атомах азоту, кисню та ін електростатичний потенціал негативний, що відображається червоним кольором.
- Виділити в намальованою молекулі зв'язок;
- В меню Comput і вибрати пункт Potencial;
- Задати початкову (Initial Bond Angle), кінцеву (Final Bond Angl) довжини зв'язку і крок (Step) з яким будуть автоматично проводитися розрахунки.
-Після розрахунків машина побудує на екрані графік зміни потенційної енергії вибраної зв'язку від величини розтягування.
2.2 Визначення біологічної активності молекул за допомогою програми PASS
2.2. 1 Методика виконання
Побудувати молекули за допомогою програми Isis Draw.
Послідовність дії:
Запуск програми Isis Draw.
Створення молекули:
- Миша встановлюють на клавішу "Single Bound" для того, щоб зобразити фрагмент зв'язку;
- Встановлюють покажчик курсору на клавішу "Atom" для того, щоб вибирати зацікавив атом;
- Побудовану модель зберігають, встановлюючи курсор на пункт меню "File", потім "Export", встановлюють на "Molfile" і зберігають в директорію Isis Draw.
Послідовність дії:
Запуск програми PASS.
2. Дослідження біологічної активності:
- Миша встановлюють на пункт меню "File", потім "Open Base" вибираємо "passdemo.SAR" і натискаємо «Відкрити»;
- Встановлюють покажчик курсору на клавішу "Predict and Save Prediction as Text files", тип файлів вибираємо "mol", натискаємо "Відкрити", потім зберігаємо як "txt", відкриваємо збережений файл і вивчаємо біологічну активність.
3. Результати експерименту та їх обговорення
3.1 Розробка нових молекулярних структур на основі дикаина
Незважаючи на досягнення сучасної анестезії, тривають пошуки менш небезпечних засобів для наркозу, розробка різних варіантів багатокомпонентного виборчого наркозу, що дозволяє значно знизити дози використовуваних засобів, зменшити їх токсичність і побічні негативні впливи [19]. Останнім часом методи комп'ютерного моделювання все більше входять у практику технології створення нових синтетичних лікарських речовин [9]. Цей підхід дозволяє встановити стехіометричні особливості молекули лікарського з'єднання, виміряти відстань між окремими атомами, визначити потенціал біоактивності, компліментарність взаємодії з біорецепторним ділянкою. Отримані таким чином дані дозволяють більш цілеспрямовано проводити синтези біоактивних молекул із заданими на молекулярному рівні параметрами, що значно економить час, матеріали і сили при аналоговому пошуку лікарських речовин.
Дикаїн застосовується для поверхневої анестезії. Під впливом місцевих анестетиків у закінченні нерва і в самому нерві припиняється електрохімічний процес, який здійснює пересування іонів через мембрану і розповсюдження нервових імпульсів. Область закінчення чутливих нервів знаходиться під регулюючим впливом системи медіаторних рецепторів, сінергентное взаємодія, яких забезпечує більш ефективний розвиток гальмування. Відомо, що в присутності протигістамінних засобів (димедрол), м-холіноблокаторів (атропін) та адреналіну посилюється місцевоанестезуючих ефект [20].
Дикаїн відноситься до класу складних ефірів п-амінобензойної кислоти (β-діметіламіноетіловий ефір п-бутіламінобеізойной кислоти гідрохлорид) [8].
Анестезіофорной групою є діалкіламіноацетанілід. Відстань між і атомами визначає двоточковим контакт молекули дикаїну з рецептором через диполь-дипольне і іонне взаємодію. До структури молекули дикаина входить фрагмент біогенного речовини коламіна (2-аміноетанола), похідні якого надають протигістамінні ефект. Дикаїн активніше своїх аналогів (анестезину і новокаїну), а й токсичніша їх у кілька разів. Його використовують головним чином в очній і оториноларингологічній практиці.
Нами запропоновані варіанти нових структур для комп'ютерного дизайну молекули дикаїну з метою зниження його токсичності із збереженням або навіть посиленням анестезуючих властивостей.
Введення в бензольне кільце «облагораживающей» карбоксильної групи і заміна діметіламіногруппи на більш фармакоактівную діетіланіногруппу дозволить знизити токсичність сполуки, полегшити гідроліз складноефірний зв'язку з вивільненням антигістамінного фрагмента - діетіламіноетанола.
Аліфатичний радикал н-бутил в структурі дикаина посилює фармакологічний ефект. При заміні його на адреналіновий фрагмент очікується отримати більш яскраве анестезуючу дію.
До теперішнього часу відомо, що біологічні системи не роблять різниці між плоскими кільцями, тому при заміні ароматичної основи н-амінобензойної кислоти на нікотинову (або ізонікотинової) кислоту змінюється полярність молекули, полегшується завдання введення різних замісників у ароматичне кільце. До того ж, амінопроізводние нікотинової кислоти (кордіамін) є стимуляторами центральної нервової системи.
Один з найбільш ефективних анестетиків, промедол, містить в структурі замість ароматичного піридинового кільця піперідінового, що є передумовою для модифікації молекули дикаина.
3.2 Результати досліджень за допомогою програми HyperChem
Таблиця 1
Довжина зв'язку або валентний кут | Дані ММ розрахунку | Дані MNDO розрахунку | Довідкові величини |
С1-С2 С2-С3 С3-С4 С4-N 5 N 5 - C 6 C 6 - C 7 C 7 - C 9 C 9 - C 11 C 10 - C 11 C 8 - C 10 C6-C8 C11-C12 C12-O13 C12-O14 O14-C15 C15-C16 C16-N17 N17-C19 N17-C18 C1-C2-C3 С2-С3-С4 C 3 - C 4 - N 5 N 5 - C 6 - C 8 N 5 - C 6 - C 7 C 6 - C 7 - C 9 C 7 - C 9 - C 11 C 9 - C 11 - C 10 C 11 - C 10 - C 8 C 10 - C 8 - C 6 C 8 - C 6 - C 7 C 9 - C 11 - C 12 C 10 - C 11 - C 12 C12-O14-C15 O14-C15-C16 C15-C16-N17 C16-N17-C18 C16-N17-C19 C18-N17-C19 | 1,53442 1,53705 1,53626 1,44712 1,35045 1,34373 1,34335 1,34525 1,3446 1,34261 1,34354 1,36294 1,21202 1,35065 1,40995 1.53635 1,45672 1,45174 1, 45291 111,792 113,518 109,67 118,219 123,605 120,397 120,124 119,658 119,913 120,666 119,242 119,948 122,115 118,556 107,759 113,916 111,47 113,282 111,148 | 1,53158 1,54128 1,54862 1,46777 1,41076 1,41935 1,40351 1,41482 1,41571 1,40009 1,42528 1,49637 1,22988 1,36302 1,41167 1,56222 1,47112 1,46359 1,46386 114,547 113,518 111,073 118,219 123,605 120,589 121,461 117,898 121,164 120,879 117,974 119,948 122,115 124,819 107,759 109,436 116,806 117,015 116,056 | 1,534 1,536 1,539 1,456 1,411 1,393 1,355 1,381 1,392 1,356 1,352 1,383 1,218 1,386 1,382 1,559 1,493 1,432 1,451 113,125 113,529 110,053 118,953 123,983 120,159 120,956 118,241 120,971 120,264 118,325 119,948 122,233 121,179 107,563 110,563 115,963 115,912 116,023 |
Порівнюючи отримані результати, обидва методи мають невеликі відхилення в порівнянні зі стандартними даними.
Розташування молекули трохи змінюється в залежності від застосовуваного методу.
Позитивний знак електростатичного потенціалу стає зеленим. В області неподілених пар на атомах азоту, кисню електричний потенціал негативний, що відображається червоним кольором.
Зміна потенційної енергії зв'язку C 16 - N 17.
Досліджувана зв'язок між атомами C 16 - N 17. Задаємо початкові величини початкова довжина зв'язку 0,971; кінцева довжина зв'язку 2,971; крок 0,1. Провівши розрахунки, зобразимо графік зміни потенційної енергії зв'язку C 16 - N 17 від величини розтягування.
Зміна потенційної енергії кутового напруги C 3 - C 4 - C 5.
Досліджуємо кут між атомами C 3 - C 4 - C 5. Задаємо початкові величини початковий кут 80; кінцевий 140; крок 10. Провівши розрахунки, зобразимо графік зміни енергії кутового напруги при зміні величини кута.
Таблиця 2
Довжина зв'язку або валентний кут | Дані ММ розрахунку | Дані MNDO розрахунку | Довідкові величини |
C1-C2 C2-C3 C3-C4 C4-N5 N5-C6 C6-C7 C7-C9 C9-C10 |
C10-C11
C11-C8
C6-C8
C7-C12
C12-O13
C12-O14
C10-C15
C15-O16
C15-O17
O17-C18
C18-C19
C19-N20
N20-C23
C23-C24
N20-C21
C21-C22
C1-C2-C3
C2-C3-C4
C3-C4-N5
C4-N5-C6
N5-C6-C7
N5-C6-C8
C6-C7-C12
C7-C12-O13
C7-C12-O14
C6-C7-C9
C7-C9-C10
C9-C10-C11
C10-C11-C8
C6-C8-C11
C8-C6-C7
C11-C10-C15
C9-C10-C15
C10-C15-O16
C10-C15-O17
O16-C15-O17
C15-O17-C18
O17-C18-C19
C18-C19-N20
C19-N20-C21
C19-N20-C23
N20-C23-C24
N20-C21-C22