CC BY
2УДК 547.913: 631.811 https://doi.org/10.29296/25877313-2022-06-03
© Коллектив авторов, 2022
ПРОТИВОВИРУСНАЯ АКТИВНОСТЬ СОЕДИНЕНИЙ, СОДЕРЖАЩИХ СТРУКТУРНЫЙ ФРАГМЕНТ БЕНЗОПИРАН-2-ОНА
Д.С. Золотых
к.фарм.н., доцент кафедры аналитической химии,
Пятигорский медико-фармацевтический институт - филиал ФГБОУ ВО ВолгГМУ (г. Пятигорск, Россия) E-mail: [email protected] Ж.В. Дайронас
д.фарм.н., профессор, кафедра фармакогнозии, ботаники и технологии фитопрепаратов, Пятигорский медико-фармацевтический институт - филиал ФГБОУ ВО ВолгГМУ (г. Пятигорск, Россия) E-mail: [email protected] Д.И. Поздняков
к.фарм.н., доцент кафедры фармакологии с курсом клинической фармакологии, зав. лабораторией живых систем, Пятигорский медико-фармацевтический институт - филиал ФГБОУ ВО ВолгГМУ (г. Пятигорск, Россия) E-mail: [email protected]
Производные бензопиран-2-она характеризуются обширным спектром фармакологической активности, среди которой особенно выделяются противовирусные свойства. Противовирусной активностью обладают не только природные дериваты бензопиран-2-она, но и их полусинтетические аналоги. Особенно актуальным представляется оценка эффективности производных бензопи-ран-2-она в отношение вируса SARS-CoV-2. Ряд работ указывает на то, что бензопиран-2-оны способны подавлять основные факторы вирулентности SARS-CoV-2: рецептор-связывающий домен S-белка, основная и папаино-подобная протеазы. Как SARS-CoV-2 ингибирующие агенты наибольший интерес представляют хебулаговая кислота и пуникалагин, которые сочетают в себе поливалентный механизм противовирусного действия, высокую эффективность и низкую токсичность.
Ключевые слова: противовирусные свойства, производные бензопиран-2-она, SARS-CoV-2.
Для цитирования: Золотых Д.С., Дайронас Ж.В., Поздняков Д.И. Противовирусная активность соединений, содержащих структурный фрагмент бензопиран-2-она. Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии. 2022;25(6):22-27. https://doi.org/10.29296/25877313-2022-06-03
Структурный фрагмент бензопиран-2-она входит в состав ряда синтетических производных с разными видами биологической активности [1, 2], некоторых полифенольных соединений и является основой такого класса вторичных метаболитов растений, как кумарины. Следует отметить, что произ-
водные бензопиран-2-она обладают выраженной противовирусной активностью [3-6].
Например, производные (3'И,4'Я)-3',4'-ди-О-(8) камфаноил-(+)-цис-хеллактона оказывают влияние на репликацию ВИЧ. Одно из наиболее активных соединений (1) представлено на рис. 1 [3, 4].
Рис 1. Структурные формулы соединений, содержащих фрагмент бензопиран-2-она, обладающие противовирусной активностью
Jih Ru Hwu и соавт. было показано, что конъюгаты кумаринов и рибофуранозидов пурина проявляют высокую активность в отношении вируса гепатита С. Одно из наиболее перспективных соединений этой группы (2) ингибировало репликацию вируса со значением EC50 5,5 мкМ [5].
В коре стеблей каллофилума бразильского (Chlophyllum brasiliense Cambess. семейство Clusi-aceae) обнаружен трициклический кумарин (3), который был далее получен синтетическим путем. Помимо установленной противораковой активности данное вещество ингибировало репликацию ВИЧ [7].
Приведенные примеры противовирусной активности соединений, содержащих структурный фрагмент бензопиран-2-она, свидетельствуют о высоком потенциале рассматриваемой группы веществ в целях поиска новых противовирусных агентов, действующих на коронавирус тяжёлого острого респираторного синдрома второго типа (SARS-CoV-2), что актуально в условиях развившейся пандемии.
ОСНОВНАЯ(ХИМОТРИПСИНОПОДОБНАЯ) ПРОТЕАЗА SARS-CoV-2/MPRO/3CLPRO/nsp5
Цикл репродукции вируса SARS-CoV-2 включает ряд этапов. Первый этап - связывания вируса SARS-CoV-2 со специфическими рецепторами на поверхности мембраны клетки-хозяина, на следующем этапе РНК вируса попадает в цитоплазму клетки. Цепь РНК включает 14 открытых рамок считывания (OFR — Open reading frame). Две основные ORFla и OFRlb составляют 2/3 генома и используются для сборки двух полипротеинов ppla и pplab. Указанные белки должны быть расщеплены на 16 неструктурных белков (nsp -nonstructural protein) nspl - nsp 16. Расщепление осуществляется двумя цистеиновыми протеазами: папаин-подобной протеазой (PLpro) и химотрип-син-подобной протеазой (3CLPRO) (другое назва-
ние - основная протеаза (Мрш)). Название 3СЬРК° связано со схожестью с ЗС-подобной протеазой пикокороновирусов, тогда как название Мрк° основывается на том, что данный фермент ответственен за протеолитическое расщепление большей части участков полипротеинов [8, 9].
Основная протеаза (3СЬРК°/ МРш/п8р5) представляет собой цистеиновую протеазу. Мономер Мрк° SARS-CoV-2 обычно не обладает активностью. Гомодимеры активны, при этом протомеры расположены друг к другу ортогонально. Каждый из них включает домен I (остатки 8-101), домен II (остатки 102-184) и домен III (остатки 201-303). Домены I и II включают антипараллельные Р-лис-ты. Домен II связан с доменом III с помощью длинной петлевой области (остатки 185-200). Домен III содержит пять а-цепей. Каждый протомер содержит отдельный сайт связывания с субстратом [10].
Основная протеаза содержит каталитическую диаду (цистеин Cys145 и гистидин His41) в каждом активном центре, расположенную в углублении между доменом I и доменом II. Тогда как другие цистеиновые и сериновые протеазы содержат каталитическую триаду, в основной протеазе в каталитическом центре присутствует молекула воды. Протон от 8И-группы цистеинового остатка переходит к имидазольному фрагменту гистинового остатка и образуется тиолат-анион, осуществляющий нуклеофильную атаку амидной связи субстрата. Высвобождается К-концевой пептидный продукт, присоединяя протон от гистидинового остатка, а затем происходит гидролиз тиоэфира с высвобождением С-концевого пептида. В конце при участии молекулы воды каталитическая диада восстанавливается до изначального состояния [10, 11] (рис. 2).
В настоящее время SARS-CoV-2 Мрш является одной из основных мишеней для поиска новых соединений (рис. 3), нарушающих репродукцию вируса в клетке.
Рис. 2. Механизм действия основной протеазы MPRO [10]
Рис. 2. Соединения, содержащие структурный фрагмент бензопиран-2-она, для которых проводились исследования влияния на репликацию вируса БАкБ-СоУ-2
Ruikun Du и соавт. проводили исследования противовирусной активности двух полифеноль-ных соединений (хебулаговой кислоты (4) и пуни-калагина (S)), содержащих фрагмент бензопиран-2-она, в отношении ингибирования репликации SARS-CoV-2.
Хебулаговая кислота содержится преимущественно в плодах терминалии (Terminalia chebula Retz. семейство Combretaceae)
Кожура граната обыкновенного (Punica granatum L. семейство Lythraceae) обычно выбрасывается за ненадобностью, однако химический анализ ее извлечений показал ряд биологически активных полифенолов, в том числе пуникалагина.
Результаты реакции нейтрализации бляшко-образования, используя ремдесивир в качестве вещества сравнения, привели к значениям ЕС50 для хебулаговой кислоты (4) и пуникалагина (S) 9,76 ± 0,42 мкМ и 7,20 ± 1,08 мкМ соответственно. Для установления того, что цитотоксичность исследуемых соединений не является причиной нарушения репликации вируса, были получены значения СС50 более 100 мкМ. Индекс селективности для исследуемых соединений превышал 10 и 13. Приведенные выше результаты исследования свидетельствовали о том, что соединения (4) и (S) проявляют in vitro активность в отношении SARS-CoV-2. Далее авторами было проведено изучение механизма действия рассматриваемых полифенолов. Доказано, что хебулаговая кислота (4) и пу-никалагин (S) ингибируют основную протеазу вируса 3CLPRO со значениями IC50 9,09 ± 0,87 мкМ и 4,62 ± 0,27 мкМ. Исследуемые вещества являются неконкурентными аллостерическими ингибиторами. Данные молекулярного докинга показали, что соединения (4) и (S) связываются с участком между доменами II и III 3CLPRO, который немного отстоит от участка связывания субстрата [12].
Tika R. Malla и соавт. было установлено, что синтетическое производное бензопиран-2-она 6-нитрозо-2H-хромен-2-он (б), ингибирует основную протеазу SARS-CoV-2 на 99,5% при уровне концентрации 20 мМ [13].
Jennifer Loschwitz и соавт. проведено исследование поиска потенциальных ингибиторов основной протеазы SARS-CoV-2. В этой связи из первоначального набора (более чем 168000 веществ) на основании молекулярного докинга и дальнейшей молекулярной динамики были отобраны 35 соединений, среди которых присутствовал N-[2-(7,8-диметил-2-оксо-2H-хромен-4-ил)-1-
бензофуран-3-ил]фуран-2-карбоксамид (7). Степень ингибирования основной протеазы для него составляло 83% [14].
Jennifer C. Milligan и соавт. проводилось скрининговое исследование выборки небольших молекул в качестве потенциальных ингибиторов основной протеазы. Одним из активных соединений оказалось производное фурокумарина 3,9-дигидрокси-2-(3-метил-2-бутенил)-6Р-[1]бензофуро[3,2-с]хромен-6-он (15), для которого степень ингибирования составляла 79% [15].
РЕЦЕПТОР-СВЯЗЫВАЮЩИЙ ДОМЕН (RBD) S-БЕЛКА ДЛЯ АНГИТЕНЗИНПРЕВРАЩАЮЩЕГО ФЕРМЕНТА 2/ACE2
Контакт вируса SARS-CoV-2 с клеткой осуществляется посредством связи спайкового S-бел-ка с ангиотензинпревращающим ферментом 2 на поверхности. Спайковый белок S-гликопротеин вируса SARS-CoV-2 состоит из двух субъединиц -S1 и S2, первая из которых содержит рецептор-связывающий домен (RBD), взаимодействующий с 18 аминокислотными остатками ангитензинпре-вращающего фермента 2 (ACE-2) на поверхности клетки-хозяина [16]. В связи с этим перспективен поиск соединений-ингибиторов взаимодействия вируса с ACE-2.
Relja Surucic и соавт. проводились исследования ингибирования связывания S-гликопротеина и ACE-2 для извлечения из кожуры граната обыкновенного, а также ряда соединений этого экстракта, содержащих структурный фрагмент бензопиран-2-она (пуникалин (8), пуникалагин (5) и эллаговая кислота (9)), в том числе их основной метаболит уролитин А (10). Первоначально проводили in sili-co исследования. В качестве вещества сравнения использовали противовирусный препарат умифе-новир. На начальном этапе исследований осуществлялся молекулярный докинг с использованием S-гликопротеина. Наибольшее значение ско-ринговой функции было получено для пуникали-на. Немного меньший результат соответствовал пуникалагину. Прочие соединения образовывали водородные связи с аминокислотными остатками S-гликопротеина, но с более высокой энергией связывания. На следующем этапе проводили молекулярную динамику выбранных комплексов ли-ганд-белок. Графики распределения значений среднеквадратического отклонения (RMSD) показывают, что эллаговая кислота, пуникалин и уро-литин А характеризовались более стабильными
комплексами, тогда как наименьшее отклонение наблюдалось для пуникалагина и умифеновира. Последним этапом исследований была оценка ин-гибирующей активности in vitro, по результатам которой наиболее эффективным оказался экстракт из кожуры граната обыкновенного (IC50 = 0,06 мг/мл, степень ингибирования 83,25 %), среди соединений наибольшее ингибирование проявил пу-никалин (IC50 = 0,14 мг/мл, степень ингибирования 78 %). Немного меньшая активность получена для пуникалагина, тогда как остальные вещества значительно им уступали [17].
РНК-ЗАВИСИМАЯ РНК-ПОЛИМЕРАЗА/RdRp/nsp^
РНК-зависимая РНК-полимераза является важнейшим ферментом многих РНК-содержащих вирусов, в том числе вируса SARS-CoV-2. RdRp также известна как неструктурный белок nsp 12, который вместе с nsp 7 и nsp8 в качестве кофакторов катализирует синтез вирусной РНК и играет центральную роль в репликации и транскрипции, следовательно, является актуальной молекулярной мишенью [18].
В патенте компании Sytheon Ltd. было показано, что хебулиновая (11) и хебулаговая (4) кислоты ингибируют RdRp со значениями ЕС50 < 0,01 мкМ относительно препарата сравнения ремдеси-вира (ЕС50 0,77 мкМ). Также установлено, что соединения 11 и 12 ингибируют провоспалительные ИЛ-6 и ИЛ-8, что важно для устранения эффектов цитокинового шторма [19].
САЙТ РАСЩЕПЛЕНИЯ ФУРИНОМ S-ГЛИКОПРОТЕИНА
Для активации S-белка, слияния и входа в клетку необходимо, чтобы между субъединицами S1 и S2 белка S-гликопротеина вируса SARS-CoV-2 произошел разрыв. Сайт расщепления содержит последовательность из 4 аминокислот (RRAR), комплементарный активному центру фурина [20]. Таким образом, актуален поиск потенциальных ингибиторов фурина, которые могли бы препятствовать входу вируса в клетку.
Yuka Kiba и соавт. в спиртовом извлечении из плодов жгун-корня Моннье (Cnidii monnieri (L.) Spreng. семейство Apiaceae) идентифицировали два производных кумарина: императорин (12) и остол (13), для которых установлено значимое ин-гибирование схожей с фурином ферментативной
активности. Значение IC50 императорина - 1,45 мМ, остола - 9,45 мкМ [21].
ОЦЕНКА ПРОТИВОВИРУСНОЙ АКТИВНОСТИ НА КЛЕТОЧНОЙ ЛИНИИ КОЛОРЕКТАЛЬНОЙ АДЕНОКАРЦИНОМЫ ЧЕЛОВЕКА (CaCo-2), ЗАРАЖЕННОЙ SARS-CoV-2
В патенте Общества содействия прикладным исследованиям имени Фраунгофера приведена оценка противовирусной активности по жизнеспособности клеточной линии колоректальной адено-карциномы человека (CaCo-2), зараженной вирусом SARS-CoV-2, для производного бензопиран-2-она, 3 -{ 2-(метиламиносульфонил1)амино-3 -фторпи-ридн-4-ил}-4-метил-7-(пиримидин-2-илокси)-2-ок-со-2Н-1-бензопиран (14). Значение IC50 составляло 5,36 мкМ [22].
ВЫВОДЫ
Соединения, содержащие структурный фрагмент бензопиран-2-она обладают широким спектром биологической активности, в том числе могут рассматриваться как эффективные противовирусные агенты. В связи с доступностью сырья кожуры граната обыкновенного следует обратить внимание на высокую ингибирующую активность извлечения из этого сырья в отношении рецептор-связывающего домена (RDB) S-белка для ACE2. Интересно, что полифенольное соединение из этого извлечения со структурным фрагментом бен-зоппирон-2-она пуникалагин действует сразу на две молекулярные мишени: RBD и основную про-теазу (MPRO). Еще одним перспективным соединением является хебулаговая кислота, выделенная из плодов терминалии, также оказывающая влияние на две молекулярные мишени - MPRO и РНК-зависимую РНК-полимеразу (RdRp).
ЛИТЕРАТУРА/REFERENCES
1. Hyaying Fan, Zhenfang Gao, Kai Ji et al. The in vitro and in vivo anti-inflammatory effect of osthole, the major natural coumarin from Cnidium monnieri (L.) Cuss, via the blocking of the activationof the NF-kB and MAPK/p38 pathways. Phy-tomedicine. 2019; 58: 152864
2. Toshihiro Aoki, Ikumi Hyohdoh, Noriyuki Furuichi et al. Optimizing the Physicochemical Properties of Raf/MEK Inhibitors by Nitrogen Scanning. ACS Med. Chem. Lett. 2014; 5(4): 304-309.
3. Lan Xie, Donglei Yu, Carl Wild et al. Anti-AIDS Agents. 52. Synthesis and Anti-HIV Activity of Hydroxy-methyl(3'R,4'R)-3',4'-Di-O-(S)-camphanoyl-(+)-cis-khellac-tone Derivatives. J. Med. Chem. 2004; 47: 756-760.
4. Jian Tang, Keduo Qianb, Bei-Na Zhang, et. al. Anti-AIDS agents 82: Synthesis of seco-(3'R,4'R)-3',4'-di-O-(S)-cam-phanoyl-(+)-cis-khellactone (DCK)derivatives as novel anti-HIV agents. Bioorganic & Medicinal Chemistry. 2010; 18: 4363-4373
5. Xuemei Yu, Sainz Bruno (Jr.), Petukhov P.A., et al. Identification of Hepatitis C Virus Inhibitors Targeting Different Aspects of Infection Using a Cell-Based Assay. Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 2012; 56(12): 6109-6120.
6. Jih Ru Hwu, Shu-Yu Lin, Shwu-Chen Tsay, et al. Coumarin-Purine Ribofuranoside Conjugates as New Agents against Hepatitis C Virus. J. Med. Chem. 2011; 54: 2114-2126.
7. Kudo E., Taura M., Matsuda K., et al. Inhibition of HIV-1 replication by a tricyclic coumarin GUT-70in acutely and chronically infected cells. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 2013; 23: 606-609.
8. V'kovski Ph., Kratzel A., Steiner S., et al. Coronavirus biology and replication: implications for SARS-CoV-2. Nature Reviews Mictrobiology. 2021; 19: 155-170.
9. Arya R., Kumari S., Pandey B., et al. Structural insights into SARS-CoV-2 proteins. Journal of Molecular Biology. 2021; 433: 166725.
10. Banerjee R., Perera L., Tillekeratne L.M.V. Potential SARS-CoV-2 main protease inhibitors. Drug Discov Today. 2021; 26(3): 804-816.
11. Ullrich S., Nitsche C. The SARS-CoV-2 main protease as drug target. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2020; 1 (30(17)): 127377.
12. Du R., Cooper L., Chen Z., et al. Discovery of chebulagic acid and punicalagin as novel allosteric inhibitors of SARS-CoV-2 3CLpro. Antiviral Res. 2021; 190: 105075.
13. Malla Tika R., Tumber A., John T., et al. Mass spectrometry reveals potential of ß-lactamsas SARS-CoV-2 Mpro inhibitors. Chem. Commun. 2021; 57: 1430.
14. Loschwitz J., Jackering A., Keutmann M., et al. Novel inhibitors of the main protease enzyme of SARS-CoV-2 identified viamolecular dynamics simulation-guided in vitro assay. Bioorganic Chemistry. 2021; 11: 104862.
15. Milligan J.C., Zeisner T.U., Papageorgiou G., et al. Identifying SARS-CoV-2 antiviral compounds by screening for small molecule inhibitors of Nsp5 main protease. Biochem. J. 2021; 16; 478(13): 2499-2515.
16. Hartenian E., Nandakumar D., Lari A. The molecular virology of coronaviruses. J. Biol. Chem. 2020; 11; 295(37): 12910-12934.
17. Surucic R., Travar M., Petkovic M., et al. Pomegranate peel extract polyphenols attenuate the SARS-CoV-2 S-gly-coprotein binding ability to ACE2 Receptor: In silico and in vitro studies. Bioorg. Chem. 2021; 114: 105145.
18. Mouffouk C., Mouffouk S., Mouffouk S., et al. Flavonols as potential antiviral drugs targeting SARS-CoV-2 proteases (3CLpro and PLpro), spike protein, RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) and angiotensin-converting enzyme II receptor (ACE2). Eur. J. Pharmacol. 2021; 15, 891: 173759.
19. Chaudhuri Ratan K. Methods and composition for mitigating symptoms of acute respiratory distress syndrome. U.S. Patent № US 2021/0236580 A1. 2021.
20. Bestle D., Heindl M.R., Limburg H. TMPRSS2 and furin are both essential for proteolytic activation of SARS-CoV-2 in human airway cells. Life Sci Alliance. 2020; 23 (3(9)): e202000786
21. Kiba Y., Oyama R., Misawa S., et al. Screening for inhibitory effects of crude drugs on furin-like enzymatic activities. J. Nat. Med. 2021; 75(4): 1080-1085.
22. Gribbon P., Zaliani A., Ellinger B., et al. Composition for coro-navirus infection treatment and/or prevention. World Intellectual Property Organization Patent № WO 2021/198440 A1. 2021.
Поступила 18 января 2022 г.
ANTIVIRAL ACTIVITY OF COMPOUNDS CONTAINING A STRUCTURAL FRAGMENT OF BENZOPYRAN-2-ONE
© Authors, 2022 D.S. Zolotyh
Ph.D. (Pharm.) Associate Professor, Analytical Chemistry Department, Pyatigorsk Medical and Pharmaceutical Institute (Pyatigorsk, Russia) E-mail: [email protected] Z.V. Dayronas
Dr.Sc. (Pharm.), Professor, Department of Pharmacognosy, Botany and Technology of Phytopreparations, Pyatigorsk medical and pharmaceutical institute (Pyatigorsk, Russia) E-mail: [email protected] D.I. Pozdnyakov
Ph.D. (Pharm.), Head of Living System Laboratory,
Associate Professor of Department of Pharmacology with Clinical Pharmacology Course, Pyatigorsk Medical and Pharmaceutical Institute (Pyatigorsk, Russia)
Benzopyran-2-oh derivatives are characterized by an extensive spectrum of pharmacological activity, among which antiviral properties are particularly distinguished. It is worth noting that both natural derivatives of benzopyran-2-one and their semi-synthetic analogues have antiviral activity. It is particularly relevant to evaluate the effectiveness of benzopyran-2-one derivatives in relation to the SARS-CoV-2 virus. A number of studies indicate that benzopyran-2-ones are able to suppress the main virulence factors of SARS-CoV-2: the receptor-binding domain of the S-protein, the main and papain-like proteases. As SARS-CoV-2 inhibiting agents, hebulinic acid and punicalagin are of the greatest interest, which combine a polyvalent mechanism of antiviral action, high efficiency and low toxicity. Key words: antiviral properties, benzopyran-2-one derivatives, SARS-CoV-2.
For citation: Zolotyh D.S., Dayronas Zh.V., Pozdnyakov D.I. Antiviral activity of compounds containing a structural fragment of benzopyran-2-one. Problems of biological, medical and pharmaceutical chemistry. 2022;25(6):22-27. https://doi.org/10.29296/25877313-2022-06-03
