CC BY
88
УДК 57.017+661.77+57.016+615.281.9
БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ БЕНЗОФУРОКСАНОВ © 2011 г. Е.А. Чугунова, И.С. Сазыкин, М.А. Сазыкина
Научно-исследовательский институт биологии Scientific Research Institute of Biology
Южного федерального университета, of Southern Federal University,
пр. Стачки, 194/1, г. Ростов н/Д, 344090, Stachki Ave, 194/1, Rostov-on-Don, 344090,
[email protected] [email protected]
Приводится краткая характеристика химических свойств и строения гетероциклических соединений бензофуроксанов. Подробно рассматривается их биологическая активность: антимикробная и противопаразитарная активность, способность выделять NO, свойства модуляции кальциевых каналов, возможность использования в биомедицинских исследованиях. Обсуждаются механизмы действия и токсикологические характеристики этой группы соединений, перспективы их использования в качестве фармакологических средств.
Ключевые слова: бензофуроксаны, фуроксановый цикл, противопаразитарная активность, биологическая активность, антимикробная активность.
The review is devoted to chemical properties and structure of heterocyclic compounds of benzofuroxans. Antiparasitic and antimicrobial activities are considered in detail as well as their ability to produce NO, properties of calcium channels modulation, and the possibility to use them in biomedical researches. . Mechanisms of action and toxicological characteristics of this group of compounds, prospects of their use as medicines are discussed
Keywords: benzofuroxans, furoxans stage, antiparasitic activity, \biological activity, antimicrobial activity.
Бензофуроксаны (БФО) - это гетероциклические соединения, в которых фуроксановое кольцо сконденсировано с ароматическим ядром. БФО выделяются среди других гетероциклов тем, что они являются соединениями с необычными химическими свойствами [1]. БФО легко вступают в реакции электрофиль-ного и нуклеофильного замещения. При проведении реакции нуклеофильного замещения БФО, актиВ-НИИРованного электроотрицательными заместителями, образуются промежуточные соединения типа комплексов Мейзенгеймера. НитроБФО, проявляя электроноакцепторные свойства в реакциях с ароматическими углеводородами, образуют п-комплексы.
Строение БФО. БФО являются бициклическими соединениями, в которых бензольное кольцо сконденсировано с фуроксановым циклом. БФО по номенклатуре IYPAC следует называть бензо[1,2-с][1,2,5]-оксидиазол-1-оксид, однако общепринятое тривиальное название основных гетероциклов - БФО - до сих пор широко используется. Положение фрагмента N оксида указывается как 1-, Ы- или М-оксид. Согласно условным обозначениям, благодаря быстрой таутомерии кольца-цепочки, которую претерпевают БФО при комнатной температуре, когда рассматривается тау-томерная пара БФО, ей приписывается низкое численное значение заместителя (рис. 1).
Рис. 1. Систематическая нумерация БФО
^оксидная функциональная группа является результатом прибавления атома кислорода к неподелен-ной паре электронов атома азота. Официально эта группа нейтральная, однако азот и кислород обладают,
соответственно, положительным и отрицательными формальными зарядами. Наличие N-оксидного кислорода вносит определенное своеобразие в химические свойства фуроксанов. С одной стороны, фуроксаны являются устойчивыми соединениями к термическим и химическим воздействиям, с другой - способны к реакциям изомеризации и раскрытию цикла.
В настоящее время интерес к БФО особенно возрос, благодаря широкому спектру их биологической активности.
Антимикробная активность БФО. Использованию БФО в качестве антибактериальных и противогрибковых агентов в настоящее время уделяется много внимания, так как распространение штаммов, резистентных к лекарственным средствам, привело к необходимости создания новых антимикробных препаратов.
Некоторые БФО заявлены как эффективные агенты против болезнетворных микроорганизмов [2], например, против Staphylococcus aureus. Со времени внедрения нитрофурана ((5-нитро-2-фуранилметилен)гидра-зин карбоксамида) в 40-е гг. были синтезированы и протестированы на антимикробную активность 1200 производных соединений 5-нитрофурана, показавших широкий антимикробный спектр действия, включающий грамотрицательные и грамположительные бактерии, а также некоторые простейшие организмы.
В поиске новых препаратов с потенциальной антимикробной активностью синтезированы [3] и протестированы с использованием эталонных антибиотико-устойчивых штаммов стафилококка 14 4-замещённых [(NO-(бензофуроксан-5-ил)метилен]бензогидразидов, производных нифуроксазида (1 a-n). Фторсодержащие производные БФО проявили бактериостатическую активность против обычных и мультирезистентных штаммов Staphylococcus aureus и являются кандидатами для создания новых антимикробных препаратов [3].
Отбор групп заместителей основывался на физико-химических свойствах, таких как гидрофобность и
электронный эффект. Результаты исследований биологической активности позволяют предложить производные БФО в качестве потенциальных лидеров при дизайне новых будущих антимикробных лекарственных средств. Наиболее активным компонентом оказалось 4-СБ3 замещённое производное (рис. 2).
-TW
4=7 m
,о н
До
N
aR=H
ЬК=СН3
cR=NH2
dR=OH
eR=F
fR=CN
gR=oai3
hR=a
iR=OOCH3
jR^CHjb
kR=CFs
IRBr
mR=SOjMI3 nR=3
Рис. 2. БФО, обладающие антимикробной активностью в отношении штаммов стафилококка
Противопаразитарная активность БФО. По сравнению с бактериальными болезнями развитие химиотерапии для лечения паразитарных болезней затруднено, поскольку паразитарные простейшие животные организмы являются эукариотами и имеют много общих черт с млекопитающими хозяевами. Ввиду необходимости поиска новых агентов для лечения специфических паразитарных болезней исследована эффективность действия производных БФО против Trypanosoma cruzi (T.cruzi), которые являются причиной американского трипаносомоза, и Plasmodium falciparum (P. falciparum), вызывающих малярию.
Среди фуроксановых производных найдены соединения (9-12), которые могут использоваться для лечения заболеваний, вызванных патогенными для человека и животных простейшими [4] (рис. 3). По активности действия против трипаносом соединения можно расположить в следующем порядке: 4 > 3 > 2= 5. Отсутствие активности бензофурозана 4, приготовленного как аналог, свободный от N-оксида, доказало важность N-оксидного фрагмента в изучаемой активности.
'/ \\ и
^ \ Rj= CH=KNHCONH абупв
BiHiC
"ОД
TY> т
11
Рис. 3. Производные БФО, оцененные в качестве анти-T.cruzi агентов
Цитотоксичность и генотоксичность производных БФО, наиболее активно уничтожающих трипаносом, в отношении фибробластов млекопитающих сравнима с таковой рекомендованного лекарства нифуртимокс. Эти результаты позволили авторам выбрать БФО как лидирующую систему для дальнейших структурных модификаций, позволяющих развить 2, 3 и 4-е поколение БФО (т.е. соединения 6-12), обладающих активным действием против этого представителя простейших [5].
Благодаря скринингу соединений в соответствии с селективным группированием заместителей, проведенным Ханчем и др. [6], появились соединения с наиболее активным действием против возбудителей болезни Шагаса. Используя анти-T.cruzi механизм действия БФО, авторы исследовали влияние окислительных процессов в механизме действия БФ соединений посредством электрохимической характеристики соединений, генерации свободных радикалов (главным образом гидроксильного радикала и оксида азота) внутри клеток паразитов с использованием электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) [7, 8], оценки изменений потребления паразитом кислорода [9]. В данный момент не вызывает сомнения, что некоторые активные БФО (N-оксид-содержащие гете-роциклы) влияют на мембранный потенциал [10] и нарушают электронтранспортную цепь митохондрии, угнетая дыхание паразита после 5 дней инкубации.
В 2000 г. Мак-Кероу с соавторами создали библиотеку соединений, являющихся ингибиторами цистеино-вых протеиназ трипоносомы (таких как круципаин -один из основных факторов вирулентности T.cruzi), являющихся одними из главных биологических мишеней действия эффективных антитрипоносомных лекарств [11]. Авторы отметили БФО-производные тиомочевины 10 как одни из сильных ингибиторов среди множества арилмочевин [12]. Более того, БФО 10 имеет дополнительное преимущество, поскольку он соответствует «правилу 5» Липинского [13], согласно которому соединение, чтобы «быть похожим» на лекарство, должно обладать определенным набором химических характеристик.
Таким образом, это соединение является наиболее приемлемым исходным началом при создании лекарств. Дальнейшие работы этой исследовательской команды пока-S зали, что мочевинная часть являет-
'¡^—НН Ся фармакофором ингибиторов
~ цистеиновых протеиназ.
Антитрипаносомальную активность проявляют 5-фенилвинил-бензофуроксаны in vitro и in vivo, при этом цитотоксичность, мутагенность и генотоксичность этих соединений ниже или равна применяемым в данный момент антитри-паносомальным препаратам [14].
Не было обнаружено заметной цитотоксичности 5-арилвинилбен-® зофураксанов при их пероральном введении в опытах на мышах. Гистологические исследования подтвердили, что исследованные
12
Н
БФО предотвращают воспалительные инфильтраты и повреждение тканей сердца подопытных животных и являются терапевтической альтернативой применяемым антитрипаносомальным лекарствам [15].
Неспецифическая цитотоксичность 4 производных 5-винилбензофуроксана, которые in vitro показали активность против эпимастигот 3 штаммов Trypa-nosoma cruzi, проверена на макрофагах человека. Активные производные не проявляли цитотоксичность в концентрациях, превосходящих IC50 T. cruzi по крайней мере в 13 раз. Наиболее активными были липо-фильные призводные [5].
Производные БФО, содержащие гидразоны, инги-бируют и другие ферменты, содержащие цистеин в активном центре, например, трипанотион редуктазу [8]. Блокируя этот фермент, подобные соединения лишают празитарную клетку трипанотиона - специфического тиола, участвующего в защите трипаносом и лейшманий от окислительного стресса, провоцируемого БФО, и не встречающегося в клетках млекопитающих. Таким образом, БФО, кроме трипаносо-моцидного, обладают и лейшманиоцидным эффектом.
Кроме того, БФО ингибируют дегидрогеназную активность в клетках паразитов [7, 10].
Способность выделять NO. Способность к выделению NO некоторых БФО представляет наиболее интересное изучаемое свойство в последние годы.
NO - важный переносчик, включенный в регуляцию многочисленных биологических процессов с физиологическими и патологическими эффектами [16], играет решающую роль в сосудистом гомеостазе посредством расширения артериальных кровеносных сосудов, торможения адгезии и агрегации тромбоцитов, ослабления адгезии лейкоцитов.
Антиагрегационная тромбоцитная активность БФО изучается вместе со свойствами NO-выделения этих соединений. В одном из недавних изобретений представлен БФО с двойным спектром действия: ан-тистенокардическим эффектом и как ингибитор агрегации тромбоцитов [17].
В нейтротрансмиссии NO играет свою роль посредством облегчения высвобождения нескольких нейромедиа-торов и гормонов, стимулируя растворимую гуанилат циклазу (SGC); в иммунных реакциях - посредством их цитотоксичного действия на макрофаги и лейкоциты.
Первые упоминания о фуроксанах как сосудорасширяющих агентах за счёт способности выделения NO были сделаны Гош и др. в 1974 г. [18].
Некоторые 1,5,6-триоксид производные 1,2,5-оксидиазо-ло[3,4^] пиридазина, такие как соединение 13 (рис. 4), могут применяться для лечения гипертонических болезней благодаря активации рас-
творимой гуанилат циклазы (РГЦ) и существенному гипотензивному эффекту без развития привыкания. В частности, соединение 13 и его фуразановые аналоги генерируют N0 и реагируют с тиолами и гемом [19]. Сосудорасширяющая активность соединения 13 РГЦ-зависимая, и главную роль при его концентрациях ниже 1 мМ играет N0, в то время как свойства препятствовать агрегированию тромбоцитов частично связаны с активацией РГЦ.
Другие биологические функции NO включают защиту от токсичности, связанной с окислительным воздействием [20].
Недавно было описано приготовление производных фуроксанпиримидинов как потенциальных NO доноров [21].
Н3С
сн3 13
Рис. 4. БФО, изученный в качестве ингибиторов агрегации тромбоцитов
Свойства модуляции кальциевых каналов. В последнее время особое внимание направлено на производные БФО в качестве модуляторов кальциевых каналов (МКК). Ранее описаны некоторые бензофуроза-ны, действующие в качестве МКК, например, исради-пин и соединение 14 [22] (рис. 5).
Структура и локализация БФО аналогов С-соеди-нения 14, т.е. 15-22, были изучены в качестве рацемических смесей. Индивидуальные энантиомеры получены с помощью хирального высокоэффективного жидкостного хроматографа. Каждый энантиомер проявлял противоположные эффекты на потоки Ca2+ через потенциал-зависимые кальциевые каналы L-вида: антиподы правовращающие являлись мощными входными активаторами кальция, в то время как антиподы левовращающие являлись слабыми входными блокаторами кальция.
Рис. 5. Гибриды БФО, разработанные в качестве модуляторов кальциевых каналов
Соединение (+)-21 определено как наиболее интересный изомер, способный препятствовать потенциал-зависимому пропусканию каналов L-вида. Однако N-оксидные аналоги ((+)-22) проявляли низкую способность к изменению величины константы активации кальциевого канала. Авторы предположили, что эта разница могла быть результатом несвойственного электронного распределения из-за того, что соединения 21 и 22 имеют аналогичную липофильность.
Другие виды биологической активности. Помимо свойств, описанных выше, определены другие виды биологической активности для производных БФО: ингибирование моноаминооксидаз (А, В) [23], герби-цидная активность [24], профилактическое действие против Piricularia oryzae [25], использование в качестве арахнидного и бактерицидного агента в агрохимии [26] и др.
Использование БФО в качестве ловушек свободных радикалов в биомедицинских исследованиях. Производные БФО - гетероарилнитроны - проявляют свойства ловушек свободных радикалов. ЭПР-исследования подтвердили их способность стабилизировать кислород-, углерод- серо- и азотсодержащие свободные радикалы [26]. Авторы обсуждают возможность применения этих ловушек для изучения биологических систем в связи с водорастворимостью, невысокой токсичностью и стабильностью их аддук-тов при физиологических pH.
Литература
1. Хмельницкий Л.И., Новиков С.С., Годовикова Т.И. Химия фуроксанов: Реакции и применение. 2-е изд., пере-раб. и доп. М., 1996. 384 с.
2. Pat. 2 006 035 283. World intellectual property organization IPC A61K31/4245; A61P31/04; C07D413/10; C07D413/12; C07D413/14; A61K31/4245; A61P31/00; C07D413/00. Oxazolidi-none derivates as antimicrobials.
3. Design, synthesis, antimicrobial activity and molecular modeling studiesof novel benzofuroxan derivatives against Staphylococcus aureus / S.D. Jorge [et al.] // Bioorg. Med. Chem. 2009. Vol. 17. P. 3028 - 3036.
4. 1,2,5-Oxadiazole N-Oxide Derivatives and Related Compounds as Potential Antitrypanosomal Drugs: Structure-Activity Relationships / H. Cerecetto [et al.] // J. Med. Chem. 1999. Vol. 42, № 11. P. 1941-1950.
5. Second generation of 5-ethenylbenzofuroxan derivatives as inhibitors of Trypanosoma cruzi growth: Synthesis, biological evaluation, and structure-activity relationships / W. Porcal [et al.] // Bioorg. Med. Chem. 2007. Vol. 15, № 7. P. 2768 - 2781.
6. Hansch C. Unger S.H., Forsythe A.B. Strategy in drug design. Cluster anlysis as an aid in the selection of substituents // J. Med. Chem. 1973. Vol. 16, № 11. P. 1217 - 1222.
7. Anti-trypanosomatid benzofuroxans and deoxygenated analogues: Synthesis using polymer-supported triphenylphos-phine, biological evaluation and mechanism of action studies / D. Castro [et al.] // Eur. J. Med. Chem. 2009. Vol. 44, № 12. P. 5055 - 5065.
8. New trypanocidal hybrid compounds from the association of hydrazone moieties and benzofuroxan heterocycle / W. Porcal [et al.] // Bioorg. Med. Chem. 2008. Vol. 16, № 14. P. 6995 - 7004.
9. Benzo[1,2-c]1,2,5-oxadiazole N-oxide derivatives as potential antitrypanosomal drugs. Part 3: Substituents-clustering methodology in the search for new active compounds / G. Aguirre [et al.] // Bioorg. Med. Chem. 2005. Vol. 13, № 23. P. 6324 - 6335.
10. Mode of action of nifurtimox and N-oxide-containing heterocycles against Trypanosoma cruzi: is oxidative stress involved? / M. Boiani [et al.] // Biochem Pharmacol. 2010. Vol. 79, № 12. P. 1736 - 1745.
11. Cazzulo J.J. Proteinases of Trypanosoma Cruzi: Potential Targets for the Chemotherapy of Chagas Disease // Curr. Top. Med. Chem. 2002. Vol. 2. P. 1261-1271.
12. Aryl ureas represent a new class of anti-trypanosomal agents / X. Du [et al.] // Chem. Biol. 2000. Vol. 7, № 9. P. 733 -742.
13. Experimental and computational approaches to estimate solubility and permeability in drug discovery and development settings / C.A. Lipinski [et al.] // Adv. Drug. Delivery Rev. 1997. Vol. 23. P. 3 - 25.
14. Cytotoxic, mutagenic and genotoxic effects of new anti-T. cruzi 5-phenylethenylbenzofuroxans. Contribution of phase I metabolites on the mutagenicity induction / M. Cabrera [et al.] // Toxicol Lett. 2009. Vol. 190, № 2. P. 140 - 149.
15. In vivo studies of 5-arylethenylbenzofuroxans in acute murine models of Chagas' disease / L. Boiani [et al.] // Eur. J. Med. Chem. 2008. Vol. 43, № 10. P. 2229 - 2237.
16. Schonafmger K. Heterocyclic NO prodrugs // Farmaco. 1999. Vol. 54, № 5. P. 316 - 320.
17. Pat. 2 003 053 439. World Intellectual Property Organisation IPC A61K31/4245; A61P9/10; A61K31/4245; A61P9/00. Use of benzofuroxan derivatives as antiplatelet agents.
18. Ghosh P.B., Everitt B.J. Furazanobenzofuroxan, furaza-nobenzothiadiazole, and their N-oxides. New class of vasodilator drugs // J. Med. Chem. 1974. Vol. 17, № 2. P. 203-206.
19. Vasorelaxant and antiplatelet activity of 4,7-dimethyl-1,2,5-oxadiazolo[3,4-d]pyridazine 1,5,6-trioxide: role of soluble guanylate cyclase, nitric oxide and thiols / A.Y. Kots [et al.] // Br. J. Pharmacol. 2000. Vol. 129, № 6. P. 1163 - 1177.
20. Nitric Oxide Donors: Chemical Activities and Biological Applications / P.G. Wang [et al.] // Chem. Rev. 2002. Vol. 102, № 4. P. 1091 - 1134.
21. Фуроксанопиримидины как экзогенные доноры оксида азота / В.Г. Граник [и др.] // Хим.-фарм. журн. 2002. № 10. С. 7 - 12.
22. Hof R.P., Vogel A. Isrodipine // Drugs Future. 1988. Vol. 10, № 9. P. 746 - 747.
23. Неселективное ингибирование моноаминоксидаз А и Б активаторами растворимой гуанилатциклазы / И.С. Северина [и др.] // Биохимия. 2003. Т. 68, № 9. С. 1280-1287.
24. Synthesis and Herbicidal Activity of N-Oxide Derivatives / H. Cerecetto [et al.] // J. Agric. Food Chem. 2000. Vol. 48, № 7. P. 2995 - 3002.
25. Pat. 52 007 055. Japan IPC B23K1/00; F28D9/00; F28F3/08; B23K1/00; F28D9/00; F28F3/08. Method of producing laminate for heat exchanger.
26. New heteroaryl nitrones with spin trap properties: Identification of a 4-furoxanyl derivative with excellent properties to be used in biological systems / G. Barriga [et al.] // Bioorg. Med. Chem. 2010. Vol. 18, № 2. P. 795 - 802.
Поступила в редакцию_22 июня 2010 г.
