ИСТИНА

Стратегической целью проекта является выявление структурных особенностей лигандов, обладающих как положительным, так и отрицательным модулирующим действием в отношении глутаматергической системы, и определение принципов управления профилем их активности для создания на их основе лекарственных препаратов нового поколения для эффективной терапии болезней и патологий, связанных с нарушением ее функционирования. Конкретной задачей проекта является разработка комплексной стратегии создания оригинальных мишень-ориентированных физиологически активных соединений, выступающих в качестве положительных или отрицательных модуляторов глутаматергической системы и отличающихся более высокой эффективностью, более низкой токсичностью, улучшенными фармакокинетическими характеристиками по сравнению с известными агентами, а также получение экспериментальных образцов соединений-лидеров для ранних доклинических исследований.

Glutamatergic system plays a critical role in the functioning of the mammalian central nervous system and in the pathogenesis of its disorders. An important place in it belongs to the ionotropic glutamate receptors (glutamate-gated ion channels) that can serve as therapeutic targets in many neurodegenerative and psychoneurological disorders. In particular, the AMPA receptors and closely related kainate receptors have the fastest signal transmission and play a key role in supporting synaptic plasticity that represents one of the mechanisms of learning and memory formation. They can also serve as targets for the development of novel therapeutic agent classes for treatment or substantial correction of serious neurodegenerative and psychoneurological disorders such as epilepsy, Alzheimer’s and Parkinson’s diseases, soft cognitive disorders, age-related cognition and memory impairments, autism, depression, drug addiction, etc. The project aims to solve a fundamental problem of controlling the activity profile of physiologically active compounds that can potentially act on different biological targets and binding sites, in particular, for the glutamatergic system modulators that can provide a basis of a platform for discovery and development of promising neuropharmacological agents. The strategic aim of the project is the identification of structural features of the ligands having positive or negative modulator activity towards the glutamatergic system and the formulation of principles of controlling their activity profiles for the creation of the novel generation pharmaceuticals for effective treatment of diseases and pathologies associated with its disrupted operation. The project implies the development of an integrated strategy for the design of original target-oriented physiologically active compounds that possess positive or negative modulator activity to glutamatergic system and higher efficacy, lower toxicity and better pharmacokinetic properties compared to known agents, as well as the production of experimental samples of lead compounds for early preclinical studies. The fulfillment of these far-reaching goals will be based on an integrated combination of several mutually complementing approaches, including the analysis and modeling of different modulator mechanisms of action; the design of promising molecular structures on the basis of molecular modeling, structure-activity relationship analysis, and virtual screening for the creation of original structural classes of the glutamate receptor ligands; the synthesis of the series of novel compounds as positive and negative allosteric modulators of glutamate receptors based on original scaffolds; the integrated biological studies for the series of novel synthesized compounds potentially having the desired activity; the optimization of the lead compound structures in order to achieve optimal efficacy and required pharmacokinetic and pharmacodynamic properties, as well as the completion of a set of tests for the most promising compounds in order to select the candidates for the early preclinical studies. The scientific novelty of the proposed project lies in deeper understanding of the mechanisms of action of positive and negative glutamatergic system modulators and the principles of controlling their activity profiles, as well as in the development of the new classes of structures efficiently modulating its function, based on the integrated application of the fundamental drug design approaches: (1) the methods of computer-aided molecular modeling for the elucidation of relationships between the bioactivity of target-oriented compounds and the structural features of their molecules, (2) the optimization of the required properties of the molecules, such as geometry, positions of specific functional groups, lipophilicity, polarity, etc., (3) the development and optimization of synthetic schemes, (4) the integrated biological studies, elucidation of the structure-activity relationships and optimization of lead compounds. The strategy of a scientific research based on this approach differs significantly from the previously employed methods involving total screening of small-molecule organic compounds, isolation and study of natural compounds, or synthesis of analogs of known drugs. As a result of the implementation of the proposed research, both the breakthrough fundamental scientific results will be obtained (development of efficient methods for the production of novel series of physiologically active compounds, elucidation of significant structure-activity relationships) and the basis for subsequent extended research aimed at the translation to the development of a new generation of highly efficient neuropharmacological agents will be created (formation of a broad library of target-oriented structures satisfying the requirements of active substance design, generation of comprehensive biological screening data). Taking into account the novel structures of proposed compounds, the lead compounds found in the course of the project can be patented and become the candidates for full-scale preclinical studies.

В ходе выполнения проекта будет осуществлена детальная компьютерная оценка возможности взаимодействия положительных и отрицательных модуляторов глутаматергической системы с различными мишенями и сайтами связывания (включая, в первую очередь, сайты связывания ионотропных глутаматных рецепторов различных типов и подтипов) модуляторов, что позволит глубже понять механизмы их действия и сформулировать принципы управления профилем активности. На этой основе будут сконструированы серии веществ с заданным прогнозируемым профилем активности, осуществлен их синтез, проведены исследования in vitro электрофизиологическим методом patch clamp, исследования связывания с различными мишенями радиолигандным методом, исследования нейропротекторной активности на клеточных культурах. Для наиболее перспективных веществ будут выполнены исследования in vivo – поведенческие тесты, исследования противосудорожной активности и др. с целью выявления соединений-лидеров. Основным итогом выполнения настоящего проекта станет создание нового поколения физиологически активных веществ, обладающих заданным профилем действия для создания нейрофармакологических агентов для лечения или существенной коррекции социально значимых нейродегенеративных и психоневрологических заболеваний. С учетом оригинальности структур предлагаемых веществ, найденные в рамках проекта соединения-лидеры могут быть предметом патентования и кандидатами для полномасштабных доклинических исследований. Результаты проекта будут соответствовать современному мировому уровню и будут опубликованы в ведущих высокорейтинговых международных научных журналах.

Для успешного выполнения предложенного проекта у исследовательского коллектива имеется значительный опыт в области направленного многостадийного синтеза физиологически активных соединений, разработки методов анализа связи «структура-активность», молекулярного моделирования структуры биологических мишеней и их взаимодействия с лигандами, построения фармакофорных моделей и моделей QSAR, компьютерного молекулярного дизайна и виртуального скрининга потенциально активных соединений, а также в области широкого спектра исследований биологической активности. У коллектива имеется обширный опыт моделирования пространственной структуры и конструирования активных и селективных лигандов многих фармакологически важных рецепторов на основе сочетания методов моделирования белков по гомологии, суперкомпьютерного моделирования молекулярной динамики, анализа связи «структура-активность» и виртуального скрининга. Коллектив обладает значительным опытом в разработке и оптимизации многостадийных синтетических схем, создании фокусированных библиотек на основе различных скаффолдов, масштабировании синтеза. Ранее нами были уточнены структурные требования для молекулярного дизайна новых перспективных бивалентных положительных аллостерических модуляторов AMPA-рецептора. Рациональное сочетание возможностей дополняющих друг друга методов позволило создать систему виртуального дизайна новых активных и селективных аллостерических модуляторов АМРА-рецептора, обеспечивающую высокую точность и эффективность поиска. Нами были сконструированы и синтезированы десятки соединений различных классов, показавшие исключительно высокую биологическую активность в качестве положительных и отрицательных модуляторов АМРА-рецептора. Таким образом, имеющийся у коллектива успешный опыт совместной работы и задел в области представляемого проекта послужат надежной базой для успешной его реализации и получения прорывных результатов.

Одним из основных принципов и ключевых факторов успешной реализации проекта является его комплексный характер, опирающийся на интеграцию методов компьютерного молекулярного моделирования и дизайна активных структур, направленного органического синтеза и биологических исследований in vitro и in vivo. В соответствии с планом реализации проекта в ходе исследований в 2022-2024 значимые результаты были получены по каждому из этих направлений. 1) В области компьютерного молекулярного моделирования основными задачами исследований были изучение механизмов действия положительных и отрицательных модуляторов глутаматергической системы, выявление факторов, определяющих профиль их активности, а также конструирование новых перспективных структур с желаемым набором характеристик на основе разработанных моделей. Выдвинута гипотеза о том, что результирующий профиль активности может определяться взаимодействием соединения с несколькими мишенями-рецепторами глутаматергической системы и различными сайтами связывания в них. При этом отрицательное модуляторное действия аллостерических лигандов AMPA-рецептора может опосредоваться как известным сайтом связывания отрицательных аллостерических модуляторов на интерфейсе между лиганд-связывающим и трансмембранным доменами, так и сайтом на интерфейсе между субъединицами димерного N-концевого домена. Было также высказано предположение, что различия в профиле активности модуляторов могут быть связаны с более тонкими особенностями динамики субъединиц рецептора, которые, в свою очередь, могут влиять на его открытие, закрытие и десенситизацию. В ходе изучения факторов, влияющих на профиль активности модуляторов глутаматергической системы, при детальном анализе структуры лиганд-связывающего домена были получены данные, указывающие на возможность существования дополнительного, ранее неизвестного сайта или способа связывания лигандов. Для оценки возможности и значимости связывания были проведены исследования поверхностей свободной энергии в системе рецептор–лиганд с применением методов молекулярной динамики и метадинамики. Выявленные различия в локализации сайтов связывания родственных структур модуляторов обнаружены впервые и могут объяснять наблюдаемые для них скачки активности. В ходе дизайна перспективных модуляторов различных классов был проведен детальный анализ их взаимодействия с AMPA-рецептором с применением методов молекулярного докинга и молекулярной динамики. Прогноз ключевых физико-химических свойств и ADMET-параметров, а также интегрированного параметра количественной оценки подобия лекарствам (QED) показал, что для большинства соединений набор этих характеристик близок к оптимальному или, по крайней мере, может считаться приемлемым для соединений-лидеров на ранних этапах разработки лекарств для воздействия на центральную нервную систему. 2) Разработаны и оптимизированы синтетические подходы и осуществлен многостадийный синтез 32 новых соединений-кандидатов, отобранных на основе молекулярного моделирования и прогнозирования ADMET-параметров для первичных или расширенных биологических исследований в качестве потенциальных модуляторов AMPA-рецептора, включая серии бис(изоксазолов) и бис(сульфонамидов) с бифенильными линкерами, бис(изоксазолов) с этилендитиольным линкером, бис(пиримидинов) с гидрохиноновым линкером, а также симметричных, несимметричных и трициклических производных биспидина (3,7-диазабицикло[3.3.1]нонан). Для 2 соединений (положительный и отрицательный модуляторы AMPA-рецептора) осуществлена наработка в мультиграммовых количествах, необходимых для исследований in vivo. 3) Для 19 синтезированных соединений электрофизиологическим методом patch clamp было изучено модулирующее действие на ответы (ионные токи) АМРА-рецепторов в нейронах. Все исследованные соединения оказались активными и способны влиять на каинат-индуцированные ионные токи АМРА-рецепторов в низких субнаномолярных концентрациях. 17 соединений вызывают увеличение амплитуды тока, т.е. являются положительными модуляторами АМРА-рецепторов, а 2 соединения, вызывающие уменьшение амплитуды тока – отрицательные модуляторы. Для двух соединений сильное потенцирующее действие отчетливо проявляется уже в экстремально низких пикомолярных концентрациях. Следует подчеркнуть, что такой результат – 19 активных веществ из 19 исследованных – вряд ли мог быть достигнут без целенаправленного синтеза структур, отобранных по результатам предварительного детального компьютерного молекулярного моделирования их комплексов с рецептором, а также оценки для них целого ряда других параметров, необходимых для потенциальных лекарственных веществ. Для 4 соединений дополнительно выполнены исследования токсичности, радиолигандного связывания и нейропротекторной активности in vitro. 4) Для 2 соединений выполнены исследования биологической активности in vivo. Для положительного аллостерического модулятора на таких поведенческих моделях, как «Открытое поле», «Крестообразный лабиринт» и «Тест Морриса», выявлено статистически достоверное повышение когнитивной функции мышей при введении препарата в дозах 0,1 мг/мышь и 1 мг/мышь. Для отрицательного аллостерического модулятора проведены исследования противоэпилептической активности на модели индуцированной пентилентетразолом (PTZ) эпилепсии у мышей. Показано, что препарат эффективно блокирует припадки после первых двух инъекций PTZ наравне с вальпроевой кислотой, но в значительно (на 1-2 порядка) меньших дозах. 5) В ходе проведенных исследований выявлены новые классы соединений, демонстрирующие, с одной стороны, существенное положительное влияние на когнитивные функции и формирование памяти в трех тестах in vivo (положительный аллостерический модулятор AMPA-рецептора), а с другой – ярко выраженную противосудорожную активность в тесте in vivo для отрицательного модулятора AMPA-рецептора. На основе всего комплекса полученных данных и учитывая найденные ранее для положительного модулятора низкую токсичность и значительный нейропротекторный эффект в тестах in vitro, данное соединение заслуживает дальнейшего детального изучения и может рассматриваться как кандидат для ранних доклинических исследований. Можно с уверенностью утверждать, что проведенная нами ранее оптимизация структуры активного вещества подтвердила правильность и целесообразность используемых подходов в разработке мишень-ориентированных лигандов и привела к получению перспективных соединений. 6) По результатам исследований подготовлено и опубликовано 11 статей в журналах, индексируемых Web of Science и Scopus, в том числе 4 статьи в журналах Q1. Результаты работы по гранту представлены на ряде российских и международных конференций. Таким образом, план работ на 2022-2024 год выполнен полностью и все запланированные научные результаты достигнуты.