Взаємодія пропоксазепаму з ізоформами цитохрому P450 за результатами молекулярного докінг-аналізу

Методи комп’ютерного моделювання дають можливість оптимізувати процес попередньої оцінки потенціалу взаємодії майбутніх лікарських засобів. Авторами використано моделювання in silico для прогнозування та пояснення можливої взаємодії пропоксазепаму з ізоферментами CYP на молекулярному рівні. Для ро...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2023
Hauptverfasser:	Ларіонов, В.Б., Головенко, М.Я., Кузьмін, В.Є., Валіводзь, І.П., Нефьодов, О.О.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2023
Schriftenreihe:	Доповіді НАН України
Schlagworte:	Біологія
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/195858
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Взаємодія пропоксазепаму з ізоформами цитохрому P450 за результатами молекулярного докінг-аналізу / В.Б. Ларіонов, М.Я. Головенко, В.Є. Кузьмін, І.П. Валіводзь, О.О. Нефьодов // Доповіді Національної академії наук України. — 2023. — № 3. — С. 96-104. — Бібліогр.: 14 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-195858
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1958582023-12-07T16:14:49Z Взаємодія пропоксазепаму з ізоформами цитохрому P450 за результатами молекулярного докінг-аналізу Ларіонов, В.Б. Головенко, М.Я. Кузьмін, В.Є. Валіводзь, І.П. Нефьодов, О.О. Біологія Методи комп’ютерного моделювання дають можливість оптимізувати процес попередньої оцінки потенціалу взаємодії майбутніх лікарських засобів. Авторами використано моделювання in silico для прогнозування та пояснення можливої взаємодії пропоксазепаму з ізоферментами CYP на молекулярному рівні. Для розрахунку вільної енергії взаємодії та визначення амінокислотних залишків процедурою молекулярного докінгу було застосовано програму iGEMDOCK v2.1, досліджувані ензими — комплекси ізоформ CYP із референтними лігандами (1A2 (2hi4), 2B6 (5uda), 2C8 (2nnj), 2C9 (1og5), 2C19 (4gqs), 2D6 (4wnu) та 3A4 (5te8), молекулами-субстратами для кожного ізоензиму вибрано відповідно фенацетин, бупропіон, амодіахін, диклофенак, S-мефенітоїн, буфуралол та мідазолам з тестостероном відповідно. Пропоксазепам має досить високі показники вільної енергії взаємодії з усіма ізоформами CYP (8,15— 9,8 ккал/моль), однак є різниця в кількості спільних амінокислотних залишків, що беруть участь у взаємодії зі специфічними субстратами. За різницею енергії зв’язків можна припустити, що найменший конкурентний (інгібувальний) ефект пропоксазепам може мати відповідно на ізоформи 3A4 (із субстратом тестостероном) та 2D6. Аналіз взаємодій пропоксазепаму з різними ізоформами CYP з урахуванням їх індивідуальних субстратів дає підставу припустити можливість конкурентної взаємодії для 1А2, 2С19 та 2С8 і, меншою мірою, для 2С9, 3А4 та 2B6. Також можна очікувати, що пропоксазепам може бути субстратом для досліджуваних ізоформ цитохрому. Computer modeling methods allow for the optimization of the preliminary evaluation of potential drug interactions. The aim of this study was to utilize in silico modeling to predict and explain the possible interactions of propoxazepam with CYP isoenzymes at the molecular level. The iGEMDOCK v2.1 program was used to calculate the free energy of interaction and determine the amino acid residues through the molecular docking procedure. The enzymes studied were complexes of CYP isoforms with reference ligands: 1A2 (2hi4), 2B6 (5uda), 2C8 (2nnj), 2C9 (1og5), 2C19 (4gqs), 2D6 (4wnu), and 3A4 (5te8). The respective substrate molecules for each isoenzyme were phenacetin, bupropion, amodiaquine, diclofenac, S-mephenytoin, bufuralol, and midazolam with testosterone. Propoxazepam exhibited high values of free energy of interaction with all the studied CYP isoenzymes (8.15- 9.8 kcal/mole), although there were differences in the quantity of common amino acid residues participating in the interaction with individual substrates. Based on the binding energy values, it can be assumed that propoxazepam has the lowest competitive (inhibitory) effect on isoform 3A4 (with testosterone as the substrate) and on 2D6. The results of the analysis of propoxazepam interaction with different CYP isoenzymes suggest the possibility of competitive interactions with 1A2, 2C19, and 2C8, and to a lesser degree, with 2C9, 3A4, and 2B6. Additionally, propoxazepam is expected to be a substrate for these CYP isoforms. 2023 Article Взаємодія пропоксазепаму з ізоформами цитохрому P450 за результатами молекулярного докінг-аналізу / В.Б. Ларіонов, М.Я. Головенко, В.Є. Кузьмін, І.П. Валіводзь, О.О. Нефьодов // Доповіді Національної академії наук України. — 2023. — № 3. — С. 96-104. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. 1025-6415 DOI: doi.org/10.15407/dopovidi2023.03.096 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/195858 577.152.11:615.547 uk Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Біологія Біологія
spellingShingle	Біологія Біологія Ларіонов, В.Б. Головенко, М.Я. Кузьмін, В.Є. Валіводзь, І.П. Нефьодов, О.О. Взаємодія пропоксазепаму з ізоформами цитохрому P450 за результатами молекулярного докінг-аналізу Доповіді НАН України
description	Методи комп’ютерного моделювання дають можливість оптимізувати процес попередньої оцінки потенціалу взаємодії майбутніх лікарських засобів. Авторами використано моделювання in silico для прогнозування та пояснення можливої взаємодії пропоксазепаму з ізоферментами CYP на молекулярному рівні. Для розрахунку вільної енергії взаємодії та визначення амінокислотних залишків процедурою молекулярного докінгу було застосовано програму iGEMDOCK v2.1, досліджувані ензими — комплекси ізоформ CYP із референтними лігандами (1A2 (2hi4), 2B6 (5uda), 2C8 (2nnj), 2C9 (1og5), 2C19 (4gqs), 2D6 (4wnu) та 3A4 (5te8), молекулами-субстратами для кожного ізоензиму вибрано відповідно фенацетин, бупропіон, амодіахін, диклофенак, S-мефенітоїн, буфуралол та мідазолам з тестостероном відповідно. Пропоксазепам має досить високі показники вільної енергії взаємодії з усіма ізоформами CYP (8,15— 9,8 ккал/моль), однак є різниця в кількості спільних амінокислотних залишків, що беруть участь у взаємодії зі специфічними субстратами. За різницею енергії зв’язків можна припустити, що найменший конкурентний (інгібувальний) ефект пропоксазепам може мати відповідно на ізоформи 3A4 (із субстратом тестостероном) та 2D6. Аналіз взаємодій пропоксазепаму з різними ізоформами CYP з урахуванням їх індивідуальних субстратів дає підставу припустити можливість конкурентної взаємодії для 1А2, 2С19 та 2С8 і, меншою мірою, для 2С9, 3А4 та 2B6. Також можна очікувати, що пропоксазепам може бути субстратом для досліджуваних ізоформ цитохрому.
format	Article
author	Ларіонов, В.Б. Головенко, М.Я. Кузьмін, В.Є. Валіводзь, І.П. Нефьодов, О.О.
author_facet	Ларіонов, В.Б. Головенко, М.Я. Кузьмін, В.Є. Валіводзь, І.П. Нефьодов, О.О.
author_sort	Ларіонов, В.Б.
title	Взаємодія пропоксазепаму з ізоформами цитохрому P450 за результатами молекулярного докінг-аналізу
title_short	Взаємодія пропоксазепаму з ізоформами цитохрому P450 за результатами молекулярного докінг-аналізу
title_full	Взаємодія пропоксазепаму з ізоформами цитохрому P450 за результатами молекулярного докінг-аналізу
title_fullStr	Взаємодія пропоксазепаму з ізоформами цитохрому P450 за результатами молекулярного докінг-аналізу
title_full_unstemmed	Взаємодія пропоксазепаму з ізоформами цитохрому P450 за результатами молекулярного докінг-аналізу
title_sort	взаємодія пропоксазепаму з ізоформами цитохрому p450 за результатами молекулярного докінг-аналізу
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2023
topic_facet	Біологія
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/195858
citation_txt	Взаємодія пропоксазепаму з ізоформами цитохрому P450 за результатами молекулярного докінг-аналізу / В.Б. Ларіонов, М.Я. Головенко, В.Є. Кузьмін, І.П. Валіводзь, О.О. Нефьодов // Доповіді Національної академії наук України. — 2023. — № 3. — С. 96-104. — Бібліогр.: 14 назв. — укр.
series	Доповіді НАН України
work_keys_str_mv	AT laríonovvb vzaêmodíâpropoksazepamuzízoformamicitohromup450zarezulʹtatamimolekulârnogodokínganalízu AT golovenkomâ vzaêmodíâpropoksazepamuzízoformamicitohromup450zarezulʹtatamimolekulârnogodokínganalízu AT kuzʹmínvê vzaêmodíâpropoksazepamuzízoformamicitohromup450zarezulʹtatamimolekulârnogodokínganalízu AT valívodzʹíp vzaêmodíâpropoksazepamuzízoformamicitohromup450zarezulʹtatamimolekulârnogodokínganalízu AT nefʹodovoo vzaêmodíâpropoksazepamuzízoformamicitohromup450zarezulʹtatamimolekulârnogodokínganalízu
first_indexed	2025-07-17T00:07:18Z
last_indexed	2025-07-17T00:07:18Z
_version_	1837850522280787968
fulltext	96 ОПОВІДІ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2023. No 3: 96—104 Ц и т у в а н н я: Ларіонов В.Б., Головенко М.Я., Кузьмін В.Є., Валіводзь І.П., Нефьодов О.О. Взаємодія про- поксазепаму з ізоформами цитохрому P450 за результатами молекулярного докінг-аналізу. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2023. № 3. С. 96—104. https://doi.org/10.15407/dopovidi2023.03.096 © Видавець ВД «Академперіодика» НАН України, 2023. Стаття опублікована за умовами відкритого до- ступу за ліцензією CC BY-NC-ND (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/) БІОЛОГІЯ BIOLOGY https://doi.org/10.15407/dopovidi2023.03.096 УДК 577.152.11:615.547 В.Б. Ларіонов1, https://orcid.org/0000-0003-2678-4264 М.Я. Головенко1, https://orcid.org/0000-0003-1485-128X В.Є. Кузьмін1, https://orcid.org/0000-0002-2753-0453 І.П. Валіводзь1, https://orcid.org/0000-0001-7465-7089 О.О. Нефьодов2, https://orcid.org/0000-0002-5796-1852 1Фізико-хімічний інститут ім. О.В. Богатського НАН України, Одеса 2Одеський національний університет ім. І.І. Мечникова, Одеса E-mail: vitaliy.larionov@gmail.com, n.golovenko@gmail.com Взаємодія пропоксазепаму з ізоформами цитохрому P450 за результатами молекулярного докінг-аналізу Представлено членом-кореспондентом НАН України В.Є. Кузьміним Методи комп’ютерного моделювання дають можливість оптимізувати процес попередньої оцінки потенціалу взаємодії майбутніх лікарських засобів. Авторами використано моделювання in silico для про- гнозування та пояснення можливої взаємодії пропоксазепаму з ізоферментами CYP на молекулярному рівні. Для розрахунку вільної енергії взаємодії та визначення амінокислотних залишків процедурою молекулярно- го докінгу було застосовано програму iGEMDOCK v2.1, досліджувані ензими — комплекси ізоформ CYP із ре- ферентними лігандами (1A2 (2hi4), 2B6 (5uda), 2C8 (2nnj), 2C9 (1og5), 2C19 (4gqs), 2D6 (4wnu) та 3A4 (5te8), молекулами-субстратами для кожного ізоензиму вибрано відповідно фенацетин, бупропіон, амодіахін, диклофенак, S-мефенітоїн, буфуралол та мідазолам з тестостероном відповідно. Пропоксазепам має досить високі показники вільної енергії взаємодії з усіма ізоформами CYP (8,15— 9,8 ккал/моль), однак є різниця в кількості спільних амінокислотних залишків, що беруть участь у взаємодії зі специфічними субстратами. За різницею енергії зв’язків можна припустити, що найменший конкурентний (інгібувальний) ефект пропоксазепам може мати відповідно на ізоформи 3A4 (із субстра- том тестостероном) та 2D6. Аналіз взаємодій пропоксазепаму з різними ізоформами CYP з урахуванням їх індивідуальних субстратів дає підставу припустити можливість конкурентної взаємодії для 1А2, 2С19 та 2С8 і, меншою мірою, для 2С9, 3А4 та 2B6. Також можна очікувати, що пропоксазепам може бути суб- стратом для досліджуваних ізоформ цитохрому. Ключові слова: пропоксазепам, ізоформи CYP, докінг, амінокислотні залишки, взаємодія. 97ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2023. № 3 Взаємодія пропоксазепаму з ізоформами цитохрому P450 за результатами молекулярного докінг-аналізу Успішно проведено першу фазу клінічних випробувань інноваційного анальгетичного за- собу пропоксазепам, який розроблено сумісно Фізико-хімічним інститутом ім. О.В. Богат- ського НАН України та ТДВ «ІнтерХім». Основною мішенню для знеболення сполуки є α2 і α3 субодиниці рецепторів ГАМК [1] та інші біологічні мішені, які відповідають за перебіг больового синдрому: гліцинові рецептори, потенціалзалежні калієві канали, дофамінергіч- на система, NMDA-рецептори, альфа-1 адренорецептори [2, 3]. Сполука має фармакодина- мічний профіль, відмінний від усіх анальгетиків, оскільки одночасно гальмує і гострий, і хронічний біль з компонентами протизапальної та протисудомної дії [3]. За технологічни- ми й терапевтичними показниками пропоксазепам є інноваційним засобом [4, 5]. Новий препарат повинен не лише виявляти відповідну фармакологічну дію і бути до- статньо безпечним, але й мінімізувати ризик взаємодії з іншими лікарськими засобами (ВЛЗ), яка може серйозно вплинути на ефективність препаратів, що одночасно вводяться. Причина більшості ВЛЗ пов’язана з ферментами цитохрому P450 (CYP), які відіграють важ- ливу роль у метаболізмі значної кількості ксенобіотиків, у тому числі й лікарських засобів [6]. На сьогодні у людей ідентифіковано 57 генів CYP, однак переважна більшість відомих препаратів метаболізуються лише декількома ізоформами CYP: 1A2, 2B6, 2C9, 2C19, 2D6 та 3A4 [7]. Основними причинами ВЛЗ, спричиненими лікарськими засобами, які метаболі- зуються CYP, є інгібування (70 %) або індукція CYP (23 %), що може призвести до небажа- них побічних ефектів, пов’язаних з підвищенням або зниженням їх концентрації в плазмі, а отже, і послаблення ефективності лікування. Тому більшість фармацевтичних компаній проводять скринінгові тести для нових препаратів, щоб уникнути або послабити можли- ві ВЛЗ. Для цього застосовують методи in vitro з використанням мікросом або гепатоци- тів печінки людини. Проте вони є громіздкими і мають обмежене застосування у вивченні співвідношення структура—активність (інгібування або індукції CYP). Навпаки, підходи in silico є привабливими з огляду на їх низьку вартість і можливість оцінювати за їх допомогою значну кількість сполук та використовувати на ранніх етапах розроблення препарату. Оцінка потенціалу нового анальгетичного засобу пропоксазепаму щодо пригнічення або активації CYP залишається важливою частиною програми його відкриття та розро- блення [8]. Ця робота є першим звітом про використання моделювання in silico для про- гнозування та пояснення можливої взаємодії пропоксазепаму з ізоензимами CYP на моле- кулярному рівні, що й становило мету дослідження. Матеріали та методи. Для процедури молекулярного докінгу використано програму iGEMDOCK v2.1 [9, 10]. Молекулярні структури CYP отримано з бази даних біологічних макромолекул [http://www.rcsb.org/]. Дослідження проведено з ізоформами CYP, які місти- ли відповідні референтні ліганди, необхідні для утворення сталих комплексів і подальшої ідентифікації активного центру ензиму, а саме: 1A2 (код 2hi4, у комплексі з -нафтолом, тоб- то 2hi4 + -нафтол), 2B6 (5uda + борнан), 2C8 (2nnj + фелодипін), 2C9 (1og5 + S-варфарин), 2C19 (4gqs + 4-гідрокси-3,5-диметилфеніл)(2-метил-1-бензофуран-3-іл)метанон, 0XV), 2D6 (4wnu + хінідин) та 3A4 (5te8 + мідазолам). Ферментативну активність ізоформ CYP визначали за допомогою селективного суб- страту («маркера»), тобто препарату (або речовини), який ідеально метаболізується єди- ним ферментом CYP [11]. Такий маркер зареєстровано як терапевтичний препарат, який оцінюється в біологічних рідинах разом з його основним(и) метаболітом(ами). Нами було вибрано субстрат як зонд для кожного CYP, що рекомендовано Керівництвом для промис- 98 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2023. No 3 В.Б. Ларіонов, М.Я. Головенко, В.Є. Кузьмін, І.П. Валіводзь, О.О. Нефьодов ловості [12]. Специфічними субстратами зазначених ізоформ CYP були: 1A2 (фенацетин), 2B6 (бупропіон), 2C8 (амодіахін), 2C9 (диклофенак), 2C19 (S-мефенітоїн), 2D6 (буфуралол) та 3A4 (мідазолам і тестостерон). Молекулу пропоксазепаму було оптимізовано за величиною внутрішньої енергії у програмі Avogadro (v 1.2.0) відповідно до алгоритму молекулярних силових полів Merck (MMFF94, 10000 ітерацій) і збережено у форматі *.pdb. Параметри докінгу (вільна енергія зв’язку, внесок окремих типів взаємодій) визначали на підставі даних силового поля з використанням 80 генерацій (generations) гнучких кон- формацій ліганду (аналіз 300 станів у кожній генерації, population size). Детекцію центру зв’язування визначали за параметрами локалізації референтного ліганду; радіус центру зв’язування 10 Å. Результати. Методом молекулярного докінгу розраховано вільну енергію зв’язку про- поксазепаму та відповідних субстратів із зазначеними ізофомами CYP (табл. 1). Відносна різниця вільної енергії ((Eprop – Esubstr)/Eprop · 100 %) є показником характеристики енергій зв’язку пропоксазепаму і субстрату з ензимом та їх можливої конкуренції. Аналогічний показник (((Elig – Esubstr)/Esubstr · 100 %)) розраховано для кожного окремого ліганду, що дало можливість оцінити ступінь взаємодії субстрату з ензимом порівняно з відомим лігандом. Від’ємні значення показника свідчать про те, що енергія взаємодії досліджуваної сполуки є більшою за енергію взаємодії зіставної сполуки (пропоксазепам, або ліганд). Аналізом результатів докінгу було визначено спільні амінокислотні залишки кожної з ізоформ CYP, що беруть значну (з тих, що сумарно зумовлюють більш ніж 50 % загальної Таблиця 1. Розрахована енергія зв’язку (ккал/моль) сполук з ізоформами CYP (ліганд — сполука в активному центрі ензиму, субстрат — сполука в дослідженнях in vitro, E — різниця енергій взаємодії) Ізоформа CYP Субстрат / ліганд Пропоксазепам, Eprop, ккал/моль Субстрат, Esubstr, ккал/моль Відносна різниця вільної енергії, E/Eprop · 100 %) Ліганд, Elig, ккал/моль Відносна різниця вільної енергії, E/Esubstr · 100 % 1A2 Фенацетин -нафтол 9,82 7,31 25,56 10,81 32,38 2B6 Бупропіон борнан 8,89 6,19 30,37 4,39 –41,00 2C8 Амодіахін фелодипін 9,37 8,73 6,83 7,99 –9,26 2C9 Диклофенак S-варфарин 8,79 7,62 13,31 8,74 12,81 2C19 S-мефенітоїн 0XV1 8,7 7 19,54 8,57 18,32 2D6 Буфуралол хінідин 8,15 9,38 –15,09 10,24 8,40 3A4 Тестостерон2 Мідазолам2 8,93 8,94 8,32 –0,11 6,83 8,32 8,94 –7,45 6,94 1 4-Гідрокси-3,5-диметилфеніл(2-метил-1-бензофуран-3-іл)метанон. 2 Збігається з лігандом. 99ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2023. № 3 Взаємодія пропоксазепаму з ізоформами цитохрому P450 за результатами молекулярного докінг-аналізу енергії взаємодії) участь в утворенні зв’язків як з пропоксазепамом, так і з певним суб- стратом чи лігандом (табл. 2). Доведено, що лише ізоформи 2C8 та 2C19 мають три або два таких спільних амінокислотних залишки, здатних до певної стеричної взаємодії з субстра- тами, лігандами та пропоксазепамом. Натомість, у інших ізоформ CYP є значно більша кількість амінокислотних залишків, що беруть участь у зазначеному процесі. З урахуванням встановлених спільних амінокислотних залишків, що беруть участь у формуванні зв’язків з ізоформами CYP, було розраховано сумарну енергію зв’язків, що ви- значаються цими амінокислотами, а також їх внесок у загальну енергію зв’язку з кожною зі сполук (табл. 3). Встановлено різний внесок спільних амінокислотних залишків у загальну енергію зв’язку кожної зі сполук. Так, для пропоксазепаму цей показник менший за 10 % у випадку 1A2 та 2C19 (див. табл. 3), тоді як у разі взаємодії з 2B6, 2C9, 2D6 та 3A4 (міда- золам/тестостерон відповідно) він перевищує 50 %. Маркерні субстрати мають загальний відсоток внеску більший за 50 %, лише для ізоформ 2C9, 2D6 та 3A4 (субстрат — мідазо- лам), а для референтних лігандів спостерігається значна різниця загальної величини вне- ску в енергію взаємодії з ензимом. Таблиця 2. Спільні амінокислотні залишки, що беруть участь у взаємодії індивідуальних ізоформ цитохрому CYP з пропоксазепамом, субстратом та лігандом CYP 1A2 2B6 2C8 2C9 2C19 2D6 3A4 А мі но ки сл от ні за ли ш ки THR-124 ARG-98 ALA-297 PHE-100 ILE-362 GLN-244 ARG-105 ASP-313 VAL-113 THR-301 LEU-102 HEM-501 PHE-120 ASP-214 ALA-317 ILE-114 LEU-361 ALA-103 ALA-209 PHE-215 ASP-320 ALA-298 PHE-114 GLY-212 LEU-216 LEU-497 VAL-367 ASN-217 LEU-213 ASP-217 ARG-434 LEU-366 GLU-216 PRO-218 CYS-436 PRO-367 GLN-244 ALA-370 LEU-437 PHE-476 PHE-247 GLU-374 SER-304 GLY-481 PHE-483 LEU-482 Таблиця 3. Внесок енергії зв’язку у взаємодію сполук із спільними амінокислотними залишками ізоформ CYP CYP Пропоксазепам Субстрат Ліганд 1A2 7,8 27,9 23,9 2B6 54,8 44,3 10,9 2C8 20,9 1,8 3,0 2C9 59,0 59,2 48,7 C19 5,7 20,1 3,0 2D6 57,8 63,9 54,6 3A4 (мідазолам) 58,2 62,2 40,4 3A4 (тестостерон) 58,2 40,4 62,2 100 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2023. No 3 В.Б. Ларіонов, М.Я. Головенко, В.Є. Кузьмін, І.П. Валіводзь, О.О. Нефьодов Обговорення результатів. Ферментативна активність ізоформ CYP має вирішальне значення в ефективності та безпечності лікарського засобу, залежного від його метаболіз- му. Більшість ліків піддається дезактивації CYP, але деякі речовини біоактивуються CYP з утворенням фармакологічно активних сполук. Також низка препаратів можуть підви- щувати або знижувати активність різних CYP завдяки здатності зв’язуватися з ними. Тому важливим є визначення взаємодії новаторського препарату з найбільш клінічно значущи- ми ізоферментами CYP. Відомо [13], що зі 110 лікарських засобів, які широко використо- вуються в медичній практиці, більш ніж 60 % метаболізуються одним або декількома CYP: 3A4 (44 %), 2D6 (41 %), 2C19 (26 %), 1A2 (9 %) та 2C9 (4 %). Тому зазначені ізоформи CYP було використано нами у дослідженні. Вільна енергія зв’язку є мірою здатності взаємодії сполуки та ензиму і вона відбиває її специфіку, оскільки у разі збільшення цього показника зростає вірогідність контакту двох молекул із подальшою відповідною реакцією. Методом молекулярного докінгу вста- новлено, що пропоксазепам має досить високі показники вільної енергії взаємодії з усіма ізоформами CYP (див. табл. 1). Також досить високі показники вільної енергії взаємодії мають більшість лігандів (крім борнану, ліганду ізофрми CYP2B6), як наслідок утворення найбільш сталої взаємної конформації молекули ліганду та ферменту. Однак щодо суб- стратів, то їх енергія взаємодії переважно є меншою за аналогічні показники зв’язування референтних лігандів (див. табл. 1), втім, це пояснюється тим, що ці субстрати також під- даються трансформації в активному центрі, тому повинна зберігатися певна рухомість комплексу, яка досягається внаслідок зменшення енергії зв’язку. Для кількісної оцінки цієї рухомості було використано показник відносної різниці між енергіями взаємодії рефе- рентного ліганду та субстрату. Показово, що для п’яти досліджуваних ізоформ це значення є позитивним, тобто зв’язок референтних лігандів міцніший, ніж відповідних молекул суб- стратів. Для ізоформ 2B6 та 2C8 отримані значення від’ємні, що вказує на меншу (для 2B6 істотно) енергію зв’язку ліганду, ніж відповідного субстрату. Поясненням високої енергії зв’язку з лігандами є те, що комплекси ензимів з лігандами використовують для отриман- ня статичної кристалічної структури протеїнової молекули, тоді як взаємодія субстрату з активним центром є процесом динамічним, коли перебіг реакції потребує певної рухомос- ті молекули субстрату. Також зазначене обумовлює необхідність використання у порів- няльному аналізі результатів докінг-аналізу саме показників зв’язування субстратів, а не референтних лігандів, хоча останні дають величини енергії зв’язування, що максимально відповідають використаній структурі ензиму. На підставі цього подальший аналіз взаємо- дії пропоксазепаму з ізоформами CYP було проведено з урахуванням енергії зв’язування саме відповідних субстратів. Відносна різниця енергій зв’язування пропоксазепаму та субстратів лише для двох ізоформ CYP (2D6 та 3A4) має від’ємні значення (див. табл. 1), при цьому для ізофор- ми 3A4 це виявляється лише в разі використання як субстрату тестостерону (реакція 6β-гідроксилювання) [14]. Втім, слід відзначити, що у випадку 3A4/тестостерон це значен- ня наближається майже до 0, що свідчить про порівняно близькі величини енергій взаємо- дії сполук з ензимом. За спаданням величини відносної різниці енергій взаємодій з про- поксазепамом ізоформи CYP можуть бути розташовані таким чином: 2B6 > 1A2 > 2C19 > 2 C9> 2C8 ≈ 3A4 (мідазолам) > 3A4 (тестостерон) > 2D6. Виходячи з припущення, що ефек- тивність конкурентної взаємодії з ензимом обумовлена різницею між енергіями утворення 101ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2023. № 3 Взаємодія пропоксазепаму з ізоформами цитохрому P450 за результатами молекулярного докінг-аналізу зв’язків, можна припустити, що пропоксазепам має найменшу конкурентну (гальмівну) дію на CYP3A4 (із субстратом тестостероном) та CYP2D6. Натомість, ізоформи, для яких відносна різниця енергії взаємодії між пропоксазепамом та субстратом є позитивною, очі- кувано можуть зазнавати інгібіторного впливу пропоксазепаму. Хоча величина енергії взаємодії є інтегральною характеристикою можливості утворен- ня комплексу з ензимом та потенційного інгібування його активності, більш важливими є стеричні можливості взаємодії, зокрема залученість до утворення зв’язків однакових аміно- кислотних залишків і той внесок у загальну енергію взаємодії, який вони зумовлюють. Тому для кожної з ізоформ CYP було визначено ті амінокислотні залишки, що, за результатами молекулярного докінгу, найбільш задіяні в утворенні зв’язків з референтним лігандом, від- повідним субстратом та пропоксазепамом (див. табл. 2), а також розраховано відносний внесок взаємодії з цими залишками у загальну енергію зв’язування (див. табл. 3). Встановлено, що ізоформи CYP відрізняються за кількістю спільних амінокислотних залишків, що впливають на конформаційний стан ензиму і взаємодіють з досліджуваними сполуками. Так, найменша кількість спільних амінокислотних залишків притаманна ізо- формам 2C8 та 2C19, при цьому в останньому спільним для субстрату, ліганду та пропо- ксазепаму є навіть залишок гему (див. табл. 2). Ізоформи 1A2, 2B6 та 2C9 мають по п’ять спільних амінокислотних залишків, тоді як 2D6 та 3A4 — по 10 залишків, що беруть участь в утворенні зв’язків. Зазначене свідчить про певну специфічність деяких ізоформ до по- тенційних субстратів, тобто чим більша кількість спільних амінокислотних залишків, тим меншою є вимоги до просторової відповідності певної молекули активному центру ензи- му. З цієї позиції можна вважати, що ізоформи 2D6 та 3A4 є найменш специфічними (з урахуванням референтного ліганду) до визначення конкурентних властивостей пропо- ксазепаму у відношенні до індивідуального субстрату, тоді як ізоформи 2C8 та 2C19 — найбільш специфічними (оскільки додаткова взаємодія молекул здійснюється за рахунок амінокислотних залишків, за які немає конкуренції між пропоксазепамом та субстратом). Тож за конкурентною специфічністю ізоформи можуть бути розташовані таким чином за зменшенням специфічності активного центру ензиму до потенційного субстрату: 2C19 > 2C8 > 1A2 > 2B6 = 2C9 > 2D6 = 3A4. Відповідно, слід очікувати, що 2C19 найбільш, а 3А4 найменш вразливі щодо гальмівної дії пропоксазепаму. Залежно від своєї хімічної будови амінокислотні залишки здатні утворювати зв’язки, що різняться за своєю енергією. Тому слід очікувати різної сумарної енергії зв’язку для відповідних спільних амінокислотних залишків і, відповідно, різного їх внеску в загаль- ну енергію взаємодії з досліджуваними ізоформами. Дійсно, відсотковий внесок сумарної енергії зв’язку спільних амінокислотних залишків значно відрізняється залежно від ізо- форми цитохрому та досліджуваної сполуки. Так, для пропоксазепаму для ізоформ 2B6, 2C9, 2D6 та 3A4 це значення перевищує 50 % загальної енергії зв’язку (див. табл. 3). Про- те порівняно з відносним внеском у загальну енергію зв’язку із субстратом істотне пере- вищення спостерігається лише для 2C8 і помірне для 3A4 (з субстратом тестостероном). Відсотковий внесок у загальну енергію взаємодії референтних лігандів також досить різ- ниться, що загалом вказує на те, що спільні амінокислотні залишки, хоч і беруть участь у орієнтації та фіксації цих сполук в активному центрі, але все ж значний внесок визначають й окремі амінокислотні залишки, що є специфічними для кожної з досліджуваних сполук. Тож з урахуванням відносного внеску енергій взаємодії із спільними амінокислотними за- 102 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2023. No 3 В.Б. Ларіонов, М.Я. Головенко, В.Є. Кузьмін, І.П. Валіводзь, О.О. Нефьодов лишками у загальну енергію взаємодії ймовірною є конкуренція між пропоксазепамом і відповідними субстратами у разі ізоформ 2B6, 2C8 та 3A4 (у реакції 6β-гідроксилювання тестостерону). Крім того, слід враховувати, що у формуванні міжмолекулярних зв’язків беруть участь також інші амінокислотні залишки, що є більш унікальними для кожного з ізоферментів та відповідного субстрату. Загалом аналіз взаємодій пропоксазепаму з різними ізоформами CYP з урахуванням їх індивідуальних субстратів дає підставу припустити можливість конкурентної взаємодії для 1А2, 2С19 та 2С8 і, меншою мірою, для 2С9, 3А4 та 2B6. Дослідження виконано в межах фінансування дослідницького проєкту «Визначення без- печності новаторського анальгетичного засобу пропоксазепаму при його хімічній та біоло- гічній взаємодії з іншими препаратами в умовах політерапії» у Фізико-хімічному інститу- ті ім. О.В. Богатського НАН України за бюджетною програмою КПКВК 6541230 (постано- ва НАН України № 414 від 28.12.2022, № держреєстрації 0123U100824). ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. Reder A., Larionov V., Golovenko M. Subunit-dependent interaction of propoxazepam and its metabolite with the γ-aminobuturic acid type A receptor. EUREKA: Health Sci. 2022. № 5. P. 10—18. https://doi. org/10.21303/2504-5679.2022.002649 2. Golovenko N.Ya., Larionov V.B., Reder A.S., Valivodz I.P. An еffector analysis of the interaction of propoxazepam with antagonists of GABA and glycine receptors. Neurochem. J. 2017. 11, № 4. P. 302—308. https://doi. org/10.1134/S1819712417040043 3. Волощук Н. І., Редер А. С., Головенко М. Я., Таран І. В., Пашинська О. С. Фармакологічний аналіз не- йрохімічних антиноцицептивних механізмів дії пропоксазепаму. Фармакологія та лікарська токсико- логія. 2017. № 1. С. 3—11. 4. Застосування 7-бром-5-(о-хлорфеніл)-3-пропокси-1,2-дигідро-3Н-1,4-бенздіазепін-2-ону для гальму- вання больового синдрому при діабетичній полінейропатії без нейротоксичної дії: пат. 119018 Україна. МПК C07D 243/24, A61K 31/5513, A61P 25/04; заявл. 16.02.2018. Опубл. 10.04.2019. 5. Use of 7-bromo-5-(o-chlorophenyl)-3-propoxy-1,2-dihydro-3H-1,4-benzodiazepin-2-one for inhibition of neuropathic pain and seizures of different etiology: pat. 11,304,956 B2 US. IPC A61K 31/5513, A61P 23/00, A61P 25/08, A61P 29/00, A61K 9/00; Publ. 19.04.2022. 6. Wilkinson G.R. Drug metabolism and variability among patients in drug response. N. Engl. J. Med. 2005. 352. P. 2211—2221. https://doi.org/10.1056/NEJMra032424 7. Sim S.C., Ingelman-Sundberg M. The Human Cytochrome P450 (CYP) Allele Nomenclature website: a peer- reviewed database of CYP variants and their associated effects. Hum. Genom. 2010. 4, № 4. P. 278—281. https:// doi.org/10.1186/1479-7364-4-4-278 8. Головенко М. Я. Пропоксазепам — новаторський анальгетичний засіб, що гальмує гострий та хронічний біль і має полімодальний механізм дії. Вісн. НАН України. 2021. № 4. С. 76—90. https://doi.org/10.15407/ visn2021.04.076 9. Yang J.-M., Chen C.-C. GEMDOCK: A generic evolutionary method for molecular docking. Proteins: Structure, Function and Bioinformatics. 2004. 55. P. 288—304. https://doi.org/10.1002/prot.20035 10. Yang J.-M., Chen Y.-F., Shen T.-W., Kristal B. S., Hsu D. F. Consensus scoring criteria for improving enrichment in virtual screening. J. Chem. Inf. Model. 2005. 45, № 4. P. 1134—1146. https://doi.org/10.1021/ci050034w 11. Pelkonen O., Turpeinen M., Hakkola J., Honkakoski P., Hukkanen J., Raunio H. Inhibition and induction of human cytochrome P450 enzymes: current status. Arch. Toxicol. 2008. 82, № 10. P. 667—715. https://doi. org/10.1007/s00204-008-0332-8 12. Guidance for industry: drug interaction studies — study design, data analysis, implications for dosing, and labeling. Recommendations. U.S. Department of Health and Human Services Food and Drug Administration, Center for Drug Evaluation and Research (CDER), 2012. 103ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2023. № 3 Взаємодія пропоксазепаму з ізоформами цитохрому P450 за результатами молекулярного докінг-аналізу 13. Stringer R.A., Strain-Damerell C., Nicklin P., Houston J.B. Evaluation of recombinant cytochrome P450 enzymes as an in vitro system for metabolic clearance predictions. Drug Metab. Dispos. 2009. 37, № 5. P. 1025— 1034. https://doi.org/10.1124/dmd.108.024810 14. Niwa T., Narita K., Okamoto A., Murayama N., Yamazaki H. Comparison of steroid Hormone hydroxylations by and docking to human cytochromes P450 3A4 and 3A5. J. Pharm. Pharm. Sci. 2019. 22, № 1. P. 332—339. https://doi.org/10.18433/jpps30558 Надійшло до редакції 27.02.2023 REFERENCES 1. Reder, A., Larionov, V. & Golovenko, M. (2022). Subunit-dependent interaction of propoxazepam and its metabolite with the γ-aminobuturic acid type A receptor. EUREKA: Health Sci., 5, pp. 10-18. https://doi. org/10.21303/2504-5679.2022.002649 2. Golovenko, N. Ya., Larionov, V. B., Reder, A. S. & Valivodz, I. P. (2017). An еffector analysis of the interaction of propoxazepam with antagonists of GABA and glycine receptors. Neurochem. J., 11, No. 4, pp. 302-308. https://doi.org/10.1134/S1819712417040043 3. Voloshchuk, N. I., Reder, А. S., Golovenko, M. Y., Taran, I. V. & Pashinska, О. S. (2017). Pharmacological analysis of neurochemical antinociceptive mechanisms of propoxazepam action. Pharmacology and Drug Toxicology, No. 1, pp. 3-11 (in Ukrainian). 4. Pat. 119018 UA, IPC C07D 243/24, A61K 31/5513, A61P 25/04, The use of 7-brom-5-(о-chlorophenyl)-3- propoxy-1,2-dihydro-3Н-1,4-benzdiazepine-2-one for inhibition of pain syndrome on diabethicpolyneyropathy without neurotoxic action, Reder, A. S., Andronati, S. А., Golovenko, M. Ya., Larionov, V. B. & Voloshyuk, N. I., Publ. 10.04.2019 (in Ukrainian). 5. Pat. 11,304,956 B2 US, IPC A61K 31/5513, A61P 23/00, A61P 25/08, A61P 29/00, A61K 9/00, Use of 7-bromo- 5-(o-chlorophenyl)-3-propoxy-1,2-dihydro-3H-1,4-benzodiazepin-2-one for inhibition of neuropathic pain and seizures of different etiology, Reder, A. S., Adronati, S. A., Golovenko, M. Ya., Pavlovski, V. I., Kabanova, T. A., Khalimova, O. I., Larionov, V. B. & Voloshchuk, N. I., Publ. 19.04.2022. 6. Wilkinson, G. R. (2005). Drug metabolism and variability among patients in drug response. N. Engl. J. Med., 352, pp.2211-2221. https://doi.org/10.1056/NEJMra032424 7. Sim, S. C. & Ingelman-Sundberg, M. (2010). The Human Cytochrome P450 (CYP) Allele Nomenclature website: a peer-reviewed database of CYP variants and their associated effects. Hum. Genomics, 4, No. 4, pp. 278-281. https://doi.org/10.1186/1479-7364-4-4-278 8. Golovenko, M. Ya. (2021). Propoxazepam is an innovative analgesic that inhibits acute and chronic pain and has polymodal mechanism of action. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr., No. 4, pp. 76-90 (in Ukrainian). https://doi. org/10.15407/visn2021.04.076 9. Yang, J.-M. & Chen, C.-C. (2004). GEMDOCK: A generic evolutionary method for molecular docking. Proteins: Structure, Function and Bioinformatics, 55, pp. 288-304. https://doi.org/10.1002/prot.20035 10. Yang, J.-M., Chen, Y.-F., Shen, T.-W., Kristal, B. S. & Hsu, D. F. (2005). Consensus scoring criteria for improving enrichment in virtual screening. J. Chem. Inf. Model., 45, No. 4, pp.1134-1146. https://doi.org/10.1021/ ci050034w 11. Pelkonen, O., Turpeinen, M., Hakkola, J., Honkakoski, P., Hukkanen, J. & Raunio, H. (2008). Inhibition and induction of human cytochrome P450 enzymes: current status. Arch. Toxicol., 82, No. 10, pp. 667-715. https:// doi.org/10.1007/s00204-008-0332-8 12. Guidance for industry: drug interaction studies — study design, data analysis, implications for dosing, and labeling. Recommendations. U.S. Department of Health and Human Services Food and Drug Administration, Center for Drug Evaluation and Research (CDER), 2012. 13. Stringer, R. A., Strain-Damerell, C., Nicklin, P. & Houston, J. B. (2009). Evaluation of recombinant cytochrome P450 enzymes as an in vitro system for metabolic clearance predictions. Drug Metab. Dispos., 37, No. 5, pp. 1025-1034. https://doi.org/10.1124/dmd.108.024810 14. Niwa, T., Narita, K., Okamoto, A., Murayama, N. & Yamazaki, H. (2019). Comparison of steroid hormone hydroxylations by and docking to human cytochromes P450 3A4 and 3A5. J. Pharm. Pharm. Sci., 22, No. 1, pp.332-339. https://doi.org/10.18433/jpps30558 Received 27.02.2023 104 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2023. No 3 В.Б. Ларіонов, М.Я. Головенко, В.Є. Кузьмін, І.П. Валіводзь, О.О. Нефьодов V.B. Larionov1, https://orcid.org/0000-0003-2678-4264 M.Ya. Golovenko1, https://orcid.org/0000-0003-1485-128X V.E. Kyz’min1, https://orcid.org/0000-0002-2753-0453 I.P. Valivodz’1, https://orcid.org/0000-0001-7465-7089 O.O. Nefedov2, https://orcid.org/0000-0002-5796-1852 1 A.V. Bogatsky Physical-Chemical Institute of the NAS of Ukraine, Odessa 2 I.I. Mechnikov Odessa National University, Odessa E-mail: vitaliy.larionov@gmail.com, n.golovenko@gmail.com PROPOXAZEPAM INTERACTION WITH CYTOCHROMES P450 ISOFORMS BASED ON MOLECULAR DOCKING ANALYSIS Computer modeling methods allow for the optimization of the preliminary evaluation of potential drug interactions. The aim of this study was to utilize in silico modeling to predict and explain the possible interactions of propoxazepam with CYP isoenzymes at the molecular level. The iGEMDOCK v2.1 program was used to calculate the free energy of interaction and determine the amino acid residues through the molecular docking procedure. The enzymes studied were complexes of CYP isoforms with reference ligands: 1A2 (2hi4), 2B6 (5uda), 2C8 (2nnj), 2C9 (1og5), 2C19 (4gqs), 2D6 (4wnu), and 3A4 (5te8). The respective substrate molecules for each isoenzyme were phenacetin, bupropion, amodiaquine, diclofenac, S-mephenytoin, bufuralol, and midazolam with testosterone. Propoxazepam exhibited high values of free energy of interaction with all the studied CYP isoenzymes (8.15- 9.8 kcal/mole), although there were differences in the quantity of common amino acid residues participating in the interaction with individual substrates. Based on the binding energy values, it can be assumed that propoxazepam has the lowest competitive (inhibitory) effect on isoform 3A4 (with testosterone as the substrate) and on 2D6. The results of the analysis of propoxazepam interaction with different CYP isoenzymes suggest the possibility of competitive interactions with 1A2, 2C19, and 2C8, and to a lesser degree, with 2C9, 3A4, and 2B6. Additionally, propoxazepam is expected to be a substrate for these CYP isoforms. Keywords: propoxazepam, CYP isoforms, docking, amino acid residues, interaction.

Взаємодія пропоксазепаму з ізоформами цитохрому P450 за результатами молекулярного докінг-аналізу

Institution

Ähnliche Einträge