РАСТИТЕЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА - ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ОРИГИНАЛЬНЫХ АНТИВИРУСНЫХ СРЕДСТВ Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

Chemical Journal of Kazakhstan

ISSN 1813-1107, е^К 2710-1185 https://doi.org/10.51580/2021-1/2710-1185.41

Volume 3, Number 75 (2021), 83 - 96

УДК 577.1: 547.91: 547.973: 547.94: 615.281

РАСТИТЕЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА - ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ОРИГИНАЛЬНЫХ АНТИВИРУСНЫХ СРЕДСТВ

С.М. Адекенов

АО «Международный научно-производственный холдинг «Фитохимия», Караганда, Казахстан E-mail: [email protected]

Резюме: В настоящей статье обобщены литературные сведения и результаты собственных исследований по поиску антивирусных соединений на основе терпенои-дов, флавоноидов, алкалоидов. Синтезированы новые бимолекулярные и кетоамид-ные производные на основе сесквитерпеновых у-лактонов арглабина, гроссгемина и а-сантонина с количественными выходами до 80%. Методом молекулярного докинга изучена взаимосвязь «структура-активность» природных соединений и их производных в отношении SARS-Cov-2. Результаты, полученные in silico, продемонстрировали, что сесквитерпеновые у-лактоны и их производные ингибируют спайк-белок и протеазы SARS-Cov-2, а также ангиотензин-превращающий фермент 2. Выявленные молекулы могут рассматриваться как кандидаты для разработки на их основе новых лекарственных веществ с антивирусной активностью.

Ключевые слова: сесквитерпеновые у-лактоны, флавоноиды, алкалоиды, синтез, бимолекулярные и кетоамидные соединения, молекулярный докинг, SARS-Cov-2, антивирусная активность.

В связи с нынешним широким и быстрым распространением COVID-19 разработка противовирусных препаратов - основная и глобальная задача, особенно на фоне постоянной и быстро формирующей мутации корона-вируса (китайский, британский более 192 штаммов, южноафриканский около 21 штамма, индийский).

Основными направлениями поиска противовирусных средств является выделение индивидуальных компонентов или суммы веществ из растительного сырья, синтез молекул с антивирусным действием, молекулярный дизайн и анализ взаимосвязи «структура-активность».

Citation: Adekenov S.M. Plant substances as potential source of original anti-virus agents. Chem. J. Kaz., 2021, 3(75), 83-96. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.51580/2021-1/2710-1185.41

Одной из новых терапевтических стратегий является поиск ингибиторов протеаз вируса COVID-19 и рецептора ACE2 среди природных соединений с целью разработки лекарственных веществ с минимальными побочными эффектами, среди которых терпеноиды, алкалоиды, флавоноиды имеют особое значение из-за структурных особенностей их молекул, сравнительно низкой токсичности, а также количественного содержания в растительном сырье. Рассматриваемые растительные метаболиты являются возобновляемыми источниками для синтеза новых антивирусных веществ.

В АО «Международный научно-производственный холдинг «Фитохимия» в течение ряда лет проводится химическое изучение 527 видов растений, их которых выделены более 1000 природных соединений, на их основе синтезированы 2000 новых производных. Определена противоопухолевая, антиоксиолитическая, нейротропная, гепатопротекторная, противопаразитарная активность выделенных и синтезированных соединений [1].

Результаты наших исследований свидетельствуют, что терпеноиды, алкалоиды и флавоноиды являются возобновляемыми материалами для синтеза новых соединений с заданными свойствами, в том числе противовирусного действия. При изучении взаимосвязи строения молекул фла-воноидных и терпеноидных соединений с их антивирусными свойствами определено, что введение в структуру их молекул атома хлора, ароматического заместителя, гидроксильной группы приводит к повышению противовирусной активности изучаемых соединений.

Скрининг образцов растительных веществ на антивирусную активность показал выраженный ингибирующий эффект сесквитерпеновых у-лактонов в отношении репродукции вирусов ВИЧ, гемморагической лихорадки, полиэдроза ядер, а также вируса гриппа А [1-2]. Выявлена высокая антивирусная активность ряда полифенольных соединений, кумаринов, выделенных из растений флоры Казахстана [3].

При изучении in vitro ингибирующего эффекта 64 природных соединений в отношении коронавируса обнаружено, что мирицетин 1 и скутеллареин 2 эффективно ингибируют белок геликазы SARS-CoV, влияя на активность АТФазы [4].

OH

•OH

HO

.OH

OH

HO'

HO

OH O

OH O

Противовирусная активность флавоноидов в отношении СОУГО-19 напрямую вызвана ингибированием Мрго. Обнаружено, что гербацетин 3, рифолин 4, пектолинарин 5 и байкалин 6 эффективно блокируют ферментативную активность SARS-CoV-2 [5].

OH O

(3)

си

си

(4)

си

си с

(5)

си си

си с

Этанольный экстракт Scutellaria baicalensis Georgi и его компонент байкалеин (7), ингибируют активность Mpro и репликацию вируса SARS-CoV-2 in vitro. Байкалеин 7 в основном активен на пост-вирусной стадии, а этанольный экстракт ингибирует проникновение вируса в клетки Vero [6].

Сочетание в одной молекуле различных фрагментов природных соединений вызывает интерес к изучению их взаимного влияния на биологическую активность. В результате реакции аминометилирования 7-гид-роксиизофлавона с цитизином получен 8-(цитизин-12-ил)метил-7-гидрок-сиизофлавон 8 [7].

(7) (8)

Имеются литературные сведения по антивирусной активности азотсодержащих соединений, обнаруженных при молекулярном докинге [810]. Основная и папаин подобная протеазы коронавирусов SARS-CoV и SARS-CoV-2 ингибируются соединениями, содержащими в своей структуре атомы азота и альфа-кетоамидную функцию [11]. Алкалоиды, содержащие кетоамидную группу, характерны для растений семейств С1ау!ар1ёаееае, Liliales. Например, эрготамин 9, эрготаминин 10, эргокриптин 11, 2-деми-тилколхицин С 12, колхицеин 13, колхицин 14, субафиллин 15.

(9) (10)

с си

'чип

си3 си3

и3сс.

и3сс

(11)

КиЛо

си

ис.

и3сс | /"X,

сси

кило

(12)

ы3сс.

кило

с

сси3

(13)

си=си - сс - ыи - (си2)4 - ыи2

(14)

•сси3

си

(15)

Перспективными источниками сесквитерпеновых у-лактонов считаются растения рода Asteraceae. Из 131 вида растений семейства Astera-сеае флоры Казахстана нами выделены и установлены строения молекул 66 сесквитерпеновых лактонов. Выделенные соединения являются высокофункциональными, оптически активными растительными метаболитами, содержащие такие фармакофорные группы как а-метилен-у-лактонный цикл, а,Р-ненасыщенную еноновую систему, оксирановую функцию.

Наличие нескольких реакционных центров в молекулах сесквитер-пеновых лактонов позволяет проводить регио- и стереоселективные химические модификации, и при этом получить ряд производных, в том числе азотсодержащие и эпоксипроизводные.

Одним из подходов к направленному изменению биологической активности является функционализация молекул природных соединений. В настоящее время, особое внимание уделяется синтезу и изучению симмет-

с

ричных молекул, имеющих в своем остове два или более природных фрагмента.

Путем введения молекул алкалоидов цитизина и анабазина по экзо-метиленовой группе у-лактона доступных сесквитерпеновых лактонов гроссгемина (16) и арглабина 17 нами синтезированы ряд новых комбинированных производных 18-22. При этом, следует отметить хемо-селективность реакции молекул сесквитерпеновых у-лактонов и алкалоидов. При изменении среды, а именно замена метанола на этанол, при взаимодействии гроссгемина 16 с цитизином приводит преимущественно к образованию 13р-цитизинилгроссгемину 20.

юн

Л N^0

Л

МеОН

(18) юзхочВ8%

N О

(20) шзхочбб%

(21) Выход 49%

(17)

(22) Выход 75%

:

:

:

При проведении молекулярного докинга сесквитерпеновых лактонов и их производных на противовирусную активность, нами изучены молекулы с кето-, гидрокси-, эпокси группами, активированной двойной связью, легко связывающиеся с ^нуклеофилами, в том числе природными алкалоидами цитизином, анабазином, которые эффективно ингибируют протеазы 8ЛЯ8-Соу-2, ангиотензин-превращающим ферментом 2, РНК-зависимую РНК-полимеразу, хеликазу, спайк-белок, Е-белок.

(27)

На основе практически доступного сесквитерпенового у-лактона а-сан-тонина (30) синтезированы его моноэтаноламид 31 и метиламид 32 с количественными выходами 81 и 74% соответственно, и которые представляют интерес как ингибиторы основной протеазы 8ЛЯ8-Соу-2.

О

ЫО-С2Ы4-т2 «-

БЮЫ

ШС2Ы4ОЫ

(31)

(30)

О

(32)

В результате проведенного молекулярного докинга выявлено, что анабазиниларглабин 21, цинаропикрин 25, репин 28 показали наилучшую энергию связывания в диапазоне от -6.134 до -7.544 (ккал/моль) со спайк-белком SARS-CoV-2. Анабазинилгроссгемин 18, цитизинил-гроссгемин 19, янерин 29 показали сравнительно прочное связывание в диапазоне от -5,659

до -6,937 (ккал/моль) с ангиотензинпревращающим ферментом 2 (АСЕ2). Цитизиниларглабин 22, цинаропикрин 25, репин 28, янерин 29 прочно связываются с основной протеазой (Мрго) БЛЯБ-СоУ-2 в диапазоне от -6.088 до -6.466 (ккал/моль). А с папаин-подоб-ной протеазой (РЬрго) показали прочное связывание анабазинилгроссгемин 18, анабазиниларгла-бин 21, артемизинин 24, цинаропикрин 25 в диапазоне от -5.515 до -6.524 (ккал/моль) (рисунок 1, 2).

Рисунок 1 - Взаимодействие анабазинилгроссгемина 18 с а) папаин-подобной протеазой; б) ангиотензин-превращающим ферментом-2.

а

б

Рисунок 2 - Взаимодействие анабазиниларглабина 21 с а) папаин-подобной протеазой; б) ангиотензин-превращающим ферментом-2.

По результатам молекулярного докинга установлено, что наличие в структуре пиридиновых и пиперединовых колец значительно повышает прочность связывания со спайк-белком SARS-CoV-2, с ангиотензинпре-вращающим ферментом 2, тем самым ингибируют протеазы коронавируса, что показано на примере анабазинилгроссгемина 18 и анабазиниларглабина 21.

Среди природных терпеноидов высокую активность в отношении SARS-CoV-2 проявили цинаропикрин 25, репин 28 и янерин 29 по сравнению с арглабином 17, арголидом 26 и эпоксиарголидом 27, что обусловлено наличием в углеродном остове кислотных остатков эпокси-

метакрилата и 4-гидроксиметакрилата, которые ингибируют основную, папаин-подобную протеазы и спайк-белок коронавируса, а также ангиотен-зин-превращающий фермент-2 (рисунок 3).

Рисунок 3 - Взаимодействие цинаропокрина 25 с а) папаин-подобной протеазой; б) ангиотензин-превращающим ферментом-2.

Таким образом, анабазинилгроссгемин 18, цитизинилгроссгемин 19, анабазиниларглабин 21, цитизиниларглабин 22, артемизинин 24, цинаро-пикрин 25, репин 28, янерин 29 проявляют себя в качестве ингибиторов коронавируса, взаимодействуя с рецепторами SARS-CoV-2, АСЕ2, папаин-подобной и основной протеазами, что позволит разработать их основе эффективные противовирусные субстанции.

а

б

Information about author:

Adekenov S.M. - JSC "International Research and Production Holding "Phytochemistry", Karaganda, Kazakhstan; e-mail: [email protected]; ORCID ID: https://orcid.org/0000-0001

Список литературы

1. Невинский Г.А., Ахметова С.Б., Адекенов С.М. К вопросу изучения антивирусной активности сесквитерпенового лактона арглабин Российский биотерапевтический журнал. 2005, 4(2), 45-46. file:///D:/Disk%20C/Downloads/k-voprosu-izucheniya-antivirusnoy-aktivnosti-seskviterpenovogo-laktona-arglabin.pdf

2. Турмагамбетова А.С., Зайцева И.А., Омиртаева Э.С., Соколова Н.С., Богоявленский А.П., Атажанова Г.А., Мукушева Г.К., Адекенов С.М., Березин В.Э. Растительные тер-пеноиды, как основа создания новых противовирусных препаратов. Новости науки Казахстана, 2018, 137, 57-65.

3. Березин В.Э., Богоявленский А.П., Толмачева В.П., Кулыясов А.Т., Кульмагамбе-това Э.А., Прибыткова Л.Н., Адекенов С.М. Антивирусная активность флавоноидов и сесквитерпеновых лактонов. В сб.: Поиск и создание методов получения фитопрепаратов. Алма-ты, 1997, 335-340.

4. Yu M.-S., Lee J., Lee J. M., Kim Y., Chin Y.-W., Jee J.-G., Keum Y.-S., Jeong Y.-J. Identification of myricetin and scutellarein as novel chemical inhibitors of the SARS coronavirus helicase, nsP13. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 2012, 22,(12), 4049-4054. DOI: 10.1016/j.bmcl.2012.04.081

5. Jo S., Kim S., Shin D.H., Kim M.-S. Inhibition of SARS-CoV 3CL protease by flavonoids. Journal of Enzyme Inhibition and Medicinal Chemistry, 2019, 35(1), 145-151. DOI: 10.1080/14756366.2019.1690480

6. Liu H., Ye F., Sun Q., Liang H., Li C., Li S., Lu R., Huang B., Tan W., Lai L. Scutellaria baicalensis extract and baicalein inhibit replication of SARS-CoV-2 and its 3C-like protease in vitro. Journal of Enzyme Inhibition and Medicinal Chemistry, 2021, 36(1), 497-503. DOI: 10.1080/14756366.2021.1873977

7. Bondarenko S.P., Frasinyuk M.S., Vinogradova V.I., Khilya V.P. Synthesis of cytisine derivatives of flavonoids. 2. Aminomethylation of 7-hydroxyisoflavones. Chemistry of Natural Compounds, 2011, 47(4), 604-607. DOI: 10.1007/s10600-011-0006-2

8. Ozkan H., Adem Synthesis, Spectroscopic Characterizations of Novel Norcan-tharimides, Their ADME Properties and Docking Studies Against COVID-19 Mpro. Chemistry Select, 2020, 5(18), 5422-5428. DOI: 10.1002/slct.202001123

9. Alshammari M.B., Ramadan M., Aly A.A., El-Sheref E.M., Bakht M.A., Ibrahim M.A.A., Shawky A.M. Synthesis of potentially new Schiff bases of N-substituted-2-quinolonylacetohydra-zides as anti-Covid-19. Journal of Molecular Structure, 2020, 1230(129649). DOI: 10.1016/j.molstruc.2020.129649

10. Verma V.A., Saundane A.R., Meti R.S., Vennapu D.R. Synthesis of novel indolo[3,2-c] isoquinoline derivatives bearing pyrimidine, piperazine rings and their biological evaluation and docking studies against COVID-19 virus main protease. Journal of Molecular Structure, 2021, 1229(129829). DOI: 10.1016/j.molstruc.2020.129829

11. Zhang L., Lin D., Sun X., Curth U., Drosten C., Sauerhering L., Becker S., Rox K., Hilgenfeld R. Crystal structure of SARS CoV-2 main protease provides a basis for design of improved a-ketoamide inhibitors. Science, 2020, 368(6489), 409-412. DOI: 10.1126/science.abb3405

Тушндеме

ОСШД1К ЗАТТАРЫ - ВИРУСЦА ЦАРСЫ Б1РЕГЕЙ ЦУРАЛДАРДЫЦ ЭЛЕУЕТТ1 К0З1

С.М. Эдекенов

«Фитохимия» халыцаралыц sылыми-вндiрiстiк холдингi» АЦ, Караганды, Казахстан

Ее-шаИ: [email protected]

Осы макалада терпеноидтар, флавоноидтар, алкалоидтар негiзiндегi вируска карсы косылыстарды iздеу жвнiндегi эдеби мэлiметтер мен ез зерттеулерiмiздiн нэтижелерi жалпыланган.

Арглабинiн, гроссгеминнiн жэне a-сантониннiн сесквитерпендi у-лактондары-нын негiзiнде сандык шыгымы 80%-га дейiнгi жана бимолекулалык жэне кетоамид-тiк туындылар синтезделдi. Молекулалык докинг эдiсiмен табиги косылыстар мен олардын туындыларынын БАЯБ-Соу-2 катысты «к¥рылым-белсендшк» езара байланысы зерттелдi. 1п вШсо жагдайында алынган нэтижелер сесквитерпендi у-лактондар мен олардын туындылары 8ЛЯ8-Соу-2 спайк-акуызы мен протеаза-ларын, сондай-ак ангиотензин-тYрлендiретiн фермент 2 тежейтiнiн кврсеттi. Анык-талган молекулалар олардын негiзiнде вируска карсы белсендiлiгi бар жана дэршк заттарды жасау Yшiн кандидаттар ретшде караст^1рылуы мYмкiн.

ТYЙiндi сездер: сесквитерпендi у-лактондар, флавоноидтар, алкалоидтар, бимолекулалык жэне кетоамидлк косылыстар синтезi, молекулалык докинг, 8ЛЯ8-Соу-2, вируска карсы белсендшк.

Abstract

PLANT SUBSTANCES AS POTENTIAL SOURCE OF ORIGINAL ANTI-VIRUS AGENTS

S.M. Adekenov

JSC "International Research and Production Holding "Phytochemistry ", Karaganda,

Kazakhstan

E-mail: [email protected]

This article summarizes the literature data and the results of our own studies on the search for antiviral compounds based on terpenoids, flavonoids, alkaloids.

New bimolecular and ketoamide derivatives based on sesquiterpene y-lactones arglabin, grossheimin and a-santonin were synthesized in quantitative yields up to 80%. The molecular docking method was used to study the "structure-activity" relationship of natural compounds and their derivatives in relation to SARS-Cov-2. The results obtained in silico demonstrated that sesquiterpene y-lactones and their derivatives inhibit the SARS-Cov-2 spike protein and proteases, as well as the angiotensin-converting enzyme 2. The identified molecules can be considered as candidates for the development of new drugs with antiviral activity on their basis.

Key words: sesquiterpene y-lactones, flavonoids, alkaloids, synthesis of bimolecular and ketoamide compounds, molecular docking, SARS-Cov-2, antiviral activity.

References

1. Nevinsky G.A., Akhmetova S.B., Adekenov S.M. On the question of studying the antiviral activity of sesquiterpene lactone arglabin. Russian Biotherapeutic Journal, 2005, 4(2), 45-46. file:///D:/Disk%20C/Downloads/k-voprosu-izucheniya-antivirusnoy-aktivnosti-seskviterpenovogo-laktona-arglabin.pdf (In Russ.).

2. Turmagambetova A.S., Zaitseva I.A., Omirtaeva E.S., Sokolova N.S., Bogoyavlen-sky A.P., Atazhanova G.A., Mukusheva G.K., Adekenov S.M., Berezin V.E. Vegetable terpenoids as the basis for creating new antiviral drugs. News of science of Kazakhstan, 2018, 137, 57-65. (In Russ.).

3. Berezin V.E., Bogoyavlensky A.P., Tolmacheva V.P., Kulyasov A.T., Kulmagambe-tova E.A., Pribytkova L.N., Adekenov S.M. Antiviral activity of flavonoids and sesquiterpene lactones. In sb.: Search and creation of methods for obtaining phytopreparations. Almaty, 1997, 335-340. (In Russ.).

4. Yu M.-S., Lee J., Lee J. M., Kim Y., Chin Y.-W., Jee J.-G., Keum Y.-S., Jeong Y.-J. Identification of myricetin and scutellarein as novel chemical inhibitors of the SARS coronavirus helicase, nsP13. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 2012, 22(12), 4049-4054. DOI: 10.1016/j.bmcl.2012.04.081

5. Jo S., Kim S., Shin D.H., Kim M.-S. Inhibition of SARS-CoV 3CL protease by flavonoids. Journal of Enzyme Inhibition and Medicinal Chemistry, 2019, 35(1), 145-151. DOI: 10.1080/14756366.2019.1690480

6. Liu H., Ye F., Sun Q., Liang H., Li C., Li S., Lu R., Huang B., Tan W., Lai L. Scutellaria baicalensis extract and baicalein inhibit replication of SARS-CoV-2 and its 3C-like protease in vitro. Journal of Enzyme Inhibition and Medicinal Chemistry, 2021, 36(1), 497-503. DOI: 10.1080/14756366.2021.1873977

7. Bondarenko S.P., Frasinyuk M.S., Vinogradova V.I., Khilya V.P. Synthesis of cytisine derivatives of flavonoids. 2. Aminomethylation of 7-hydroxyisoflavones. Chemistry of Natural Compounds, 2011, 47(4), 604-607. DOI: 10.1007/s10600-011-0006-2

8. Ozkan H., Adem Synthesis, Spectroscopic Characterizations of Novel Norcan-tharimides, Their ADME Properties and Docking Studies Against COVID-19 Mpro. Chemistry Select, 2020, 5(18), 5422-5428. DOI: 10.1002/slct.202001123

9. Alshammari M.B., Ramadan M., Aly A.A., El-Sheref E.M., Bakht M.A., Ibrahim M.A.A., Shawky A.M. Synthesis of potentially new Schiff bases of N-substituted-2-quinolonylacetohydra-zides as anti-Covid-19. Journal of Molecular Structure, 2020, 1230(129649). DOI: 10.1016/j.molstruc.2020.129649

10. Verma V.A., Saundane A.R., Meti R.S., Vennapu D.R. Synthesis of novel indolo[3,2-c] isoquinoline derivatives bearing pyrimidine, piperazine rings and their biological evaluation and docking studies against COVID-19 virus main protease. Journal of Molecular Structure, 2021, 1229(129829). DOI: 10.1016/j.molstruc.2020.129829

11. Zhang L., Lin D., Sun X., Curth U., Drosten C., Sauerhering L., Becker S., Rox K., Hilgenfeld R. Crystal structure of SARS CoV-2 main protease provides a basis for design of improved a-ketoamide inhibitors. Science, 2020, 368(6489), 409-412. DOI: 10.1126/science.abb3405