КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 22-23-00618

НазваниеРазработка селективных ингибиторов основной протезы SARS-CoV-2 на основе доступных растительных метаболитов

РуководительЯровая Ольга Ивановна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное учреждение науки Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирская обл

Годы выполнения при поддержке РНФ 2022 - 2023 

КонкурсКонкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-103 - Синтез, строение и свойства природных и физиологически активных веществ; медицинская химия и прогнозирование различных видов биоактивности

Ключевые словавирус SARS-CoV-2, основная протеаза 3CLpro, короновирус, усниновая кислота, монотерпены, ингибиторы ферментов

Код ГРНТИ31.23.17


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Представленный Проект посвящен мишень ориентированному поиску ингибиторов вируса SARS-CoV-2, а именно фундаментальным подходам к разработке селективных ингибиторов основной вирусной протеазы (3-химотрипсин-подобная 3CLpro или Mlpro). Растительные метаболиты различных химических классов, которые являются структурной основой для множества фармакологически активных соединений, обладают активностью в отношении нескольких, часто не родственных, вирусных семейств, что может быть связано с существенной изменчивостью структуры белковых вирусных мишеней в процессе жизненного цикла вирусов. Потенциал растительных метаболитов как основы для синтеза агентов, обладающих специфической противовирусной активностью, несмотря на значительное количество примеров их успешного использования, изучен недостаточно. В частности, использование производных природных соединений в качестве ингибиторов основной вирусной протеазы ранее систематически не было изучено, а опубликованные работы содержат в своем большинстве только данные компьютерного скрининга без подтверждения биологическими методами анализа. В представленном Проекте научным коллективом поставлена задача поиска новых эффективных ингибиторов 3Clpro, основанная на современных методах молекулярного моделирования, синтезе новых производных и, что крайне важно, биологическом тестировании новых агентов с использованием разработанной системы анализа специфической ферментативной (протеолитической) активности. Разработка новых эффективных химиотерапевтических препаратов, направленных на ингибирование отдельных ферментов, критически важных для жизненного цикла вирусов, необходима для успешного этиотропоного лечения пациентов с инфекционными заболеваниями, которые в основном большинстве случаев получают только симптоматическую и поддерживающую терапию. Основные ферменты жизненного цикла вирусов обладают зачастую весьма консервативной структурой в пределах целого семейства, что дает дополнительные преимущества в разработке лекарственных препаратов, обладающих широким спектром действия. Научная значимость представленного проекта обусловлена практически полным отсутствием в современной литературе подтверждённых с использованием биологических тестов данных об активности производных природных соединений в качестве ингибиторов основной протеазы вируса SARS-CoV-2. Целью и основной задачей предлагаемого Проекта является поиск новых ингибиторов основной протеазы вируса SARS-CoV-2 на основе производных природных соединений. Научная новизна представленного проекта заключается, прежде всего, во впервые запланированных систематических исследованиях по дизайну новых низкомолекулярных агентов – ингибиторов основной протеазы вируса SARS-CoV-2 на основе природных соединений различных классов и структурных типов. В ходе работы нами будут применяться разнообразные современные синтетические подходы, которые позволят синтезировать значительный набор целевых соединений, установить зависимости «структура - биологическая активность». Мы ожидаем, что широкое применение возможностей молекулярного моделирования позволит идентифицировать наиболее перспективные направления химических трансформаций, а затем проводить направленное улучшение идентифицированных ингибиторов.

Ожидаемые результаты
Будет проведен анализ ингибирующей активности в отношении основной протеазы 3CLpro вируса SARS-CoV-2 разнообразных классов химических соединений (не менее 200 веществ) с использованием разработанной нами биологической тест системы. Будут сформулированы закономерности «структура - активность» для исследуемых структурных хемотипов соединений. Эти закономерности будут использованы на этапе оптимизации первичных соединений-хитов, связанном с рациональным дизайном, синтезом расширенной серии соединений вокруг каждого из перспективных хемотипов, а также их in vitro тестированием. Выявленные соединения-лидеры будут далее тестированы на их способность снижать уровень репродукции коронавируса SARS-CoV-2 в культуре клеток. Будут проведены химические модификации усниновой кислоты и ее дегидратированного аналога, берберина и бициклических монотерпенов . Все синтезированные соединения будут проверены в качестве ингибиторов основной протеазы SARS-CoV-2. Будет проведено молекулярное моделирование возможного взаимодействия производных усниновой кислоты с указанным ферментом. В целом, в результате выполнения проекта будут разработаны новые эффективные ингибиторы коронавируса человека, направленные на вирусный белок, принципиально важный для реализации жизненного цикла коронавируса в клетке. Полученные данные послужат основанием для дальнейшей разработки этих соединений как средств фармакологического контроля коронавирусной инфекции.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В современной вирусологии достигнуты значительные успехи в изучении соотнесения структур и функций вирусных белков, механизма их участия в жизненном цикле вируса и понимании молекулярных основ патогенеза болезней, вызываемых вирусами. Основным направлением способов борьбы с вирусными инфекциями, является применение специфических химиотерапевтических агентов, направленных на подавление репликации вируса в клетке хозяина. Каждый этап жизненного цикла вируса может быть потенциальной мишенью для лекарственной терапии. Перспективные мишени для лекарств против вируса SARS-CoV-2 включают неструктурные белки, например, 3-химотрипсин-подобная протеаза, папаин-подобная протеаза, РНК-зависимая РНК-полимераза или поверхностные белки вируса. Поиск новых противовирусных средств может быть осуществлён с использованием разных подходов. Так, можно проводить тестирование библиотек соединений с использованием инфекционного вируса и потом применять различные методы молекулярной биологии и молекулярного моделирования для выяснения механизма действия соединений, показавших значимую активность. Другой метод предполагает использование так называемых суррогатных моделей, позволяющих проводить поиск ингибиторов ключевых вирусных белков. Первоначально в качестве исходного соединения, была использована (+)-усниновая кислота, которая кислота является вторичным метаболитом лишайников родов Usnea, Cladonia, Alectoria. Для испытаний на противовирусную активность были получены 12 производных (+)-усниновой кислоты, модифицированных по различным положениям дибензофуранового остова: модификацией заместителя в цикле, восстановлением двойных связей и функциональных групп цикла С и дериватизацией функциональных групп цикла С (+)-усниновой кислоты. С целью поиска эффективных ингибиторов вируса SARS-CoV-2, нами было проведено молекулярное моделирование взаимодействия соединений с активным сайтом основной протеазы SARS-CoV-2. Учитывая известную реакционную способность УК, было сделано предположение, что ковалентное связывание SH-группы каталитического аминокислотного остатка Cys145 маловероятно. В связи с этим был выполнен нековалентный докинг в активный сайт основной протеазы. Выполнение оценочной функции докинга показало, что для нескольких новых производных усниновой кислоты минимальная энергия связывания сравнима с таковой для модельного ингибитора ML-188. Учитывая полученные расчетные данные, нами была выполнена экспериментальная оценка ингибирующей активности (+)-усниновой кислоты и её производных в отношении основной протеазы SARS-CoV-2 методом FRET. В результате эксперимента несколько соединений проявили слабую ингибирующую активность в отношении протеазы вируса SARS-CoV-2. Синтезированные в данной работе соединения были проверены с использованием инфекционных вирусов SARS-CoV-2. Тестирование на инфекционном вирусе дает возможность понять облает ли соединение активностью в отношении указанного вируса, но не дает понимания механизма действия данного агента. Проведенные исследования показали, что исходное соединение – (+)-усниновая кислота проявляет выраженную активность в отношении вируса SARS-CoV-2 штаммам Ухань, Дельта и Омикрон. Высокую активность в отношении трех штаммов также показало восстановленное производное усниновой кислоты. С целью выяснения, являются ли производные усниновой кислоты ингибиторами входа вируса, нами дополнительно синтезированные соединения были протестированы в анализе нейтрализации с использованием псевдовирусов, несущих на своей поверхности гликопротеин S вируса SARS-CoV-2. Среди изученных производных обнаружены эффективные ингибиторы входа вируса. На основании данных биологического эксперимента на псевдовирусной системе и тестирования методом ИФА RBD-ACE мы предполагаем, что активные соединения могут связываться в полостях поверхностного белка, кроме RBD. Нами были рассмотрены различные сайты связывания поверхностного белка и на основании анализа результатов молекулярного моделирования мы можем предположить, что производные усниновой кислоты связываются в N-концевом домене в сайте связывания метаболита распада гемоглобина. Функция N-терминального домена поверхностного белка недостаточно хорошо изучена, однако существует четкая взаимосвязь между RBD и NTD. Блокирование NTD может снизить реактивность S-белка SARS-CoV-2 и затруднить контакт RBD с ACE2. Нами был проведен масштабный скрининг разнообразных классов химических соединений в отношении основной протеазы 3CLpro вируса SARS-CoV-2 с использованием разработанной нами биологической тест системы. Было показано, что производные (+)-усниновой кислоты имеют сопоставимый уровень ингибирующей активности по сравнению с их энантиомерами. Производные, модифицированные по кольцу C путем создания гидразоновой, енаминовой связи или конденсированного пиразольного цикла преимущественно проявили слабую активность по отношению к протеазе коронавируса. Наиболее активными соединениями оказались производные усниновой кислоты, содержащие в своем составе тиазольный, селеназольный или тиофеновый цикл, а также тиоэфиры введенные по ацетильной группе фенольного цикла усниновой кислоты. Был проведен виртуальный скрининг антипротеазной активности ряда новых производных тритерпенов. С помощью молекулярного докинга, учитывающего гибкость боковых цепей аминокислот активного сайта основной протеазы вируса SARS-CoV-2, оценивалась энергия взаимодействия новых производных с активным сайтом основной протеазы. Таким образом, нами начато систематическое изучение производных природных соединений в качестве ингибиторов вируса SARS-CoV-2, как имеющих своей мишенью вирусную протеазу, так и действующих по другим механизмам.

 

Публикации

1. - Кислота лишайников поможет в борьбе с тремя штаммами коронавируса Indicator.ru, - (год публикации - ).

2. Филимонов А.С., Яровая О.И., Зайковская А.В., Рудометова Н.Б., Щербаков Д.Н., Чиркова В.Ю., Баев Д.С., Борисевич С.С., Лузина О.А., Пьянков О.В., Максютов Р.А., Салахутдинов Н.Ф. (+)-Usnic Acid and Its Derivatives as Inhibitors of a Wide Spectrum of SARS-CoV-2 Viruses MDPI, номер 14, выпуск 10, стр 2154 (год публикации - 2022).