Гопантеновая кислота известна как ноотропное средство. По химической структуре гопантеновая кислота является гомологом пантотеновой кислоты (отличается на одну СН2-группу), который содержит остаток гамма-аминомаслянной кислоты (ГАМК). Эти особенности структуры приведены на рис. 1.

Известно, что гопантеновая кислота обладает нейрометаболическими, нейропротективными и нейротрофическими свойствами, повышая устойчивость мозга к гипоксии в сочетании с умеренным седативным действием. Гопантеновая кислота также обладает нейролептическим, противосудорожным, ноотропным и анальгетическим действиями [1]. В терапии гопантеновая кислота (в форме гопантената кальция — пантокальцин) используется при цереброваскулярной патологии, гиперкинетических расстройствах, треморе и как вспомогательное средство при лечении эпилепсии. Пантокальцин удлиняет действие барбитуратов, усиливает эффекты противосудорожных лекарственных средств, ноотропов и средств, стимулирующих ЦНС. Действие гопантеновой кислоты усиливается в сочетании с глицином [2].

Несмотря на достаточно широкий спектр нейротропных эффектов, точные механизмы действия гопантеновой кислоты и ее солей до последнего времени не были до конца изучены. Предполагается, что все эффекты гопантеновой кислоты осуществляются исключительно за счет взаимодействия с рецепторами ГАМК. В настоящей работе представлены результаты анализа потенциальных молекулярных механизмов воздействия гопантеновой кислоты, установленных с использованием современной информационной технологии хемоинформационного анализа [3, 4].

Хемоинформатика — область исследований молекулярной фармакологии [5], которая находится на стыке структурной химии и информатики и в которой взаимосвязи типа «химическая структура» — «свойство вещества» исследуются методами современной информатики. В настоящей работе для проведения хемоинформационного анализа гопантеновой кислоты был разработан новый математический метод, основанный на комбинаторной теории разрешимости [6—9].

Комбинаторная теория разрешимости, представляющая собой развитие алгебраического подхода к задачам распознавания, развиваемого научной школой акад. РАН Ю.И. Журавлёва [10—12], является современным инструментом для исследования признаковых описаний объектов. В случае задачи установления молекул, химическая структура которых сходна с заданной, объектами исследования являются хемографы. Хемограф (χ-граф) — особая разновидность графа (т.е. математического объекта, являющегося как совокупности множества вершин и множества ребер — связей между вершинами). Хемографом называется конечный связный неориентированный размеченный граф без петель, с кликовым числом, не превышающим 3.

В рамках комбинаторной теории разрешимости χ-графы рассматриваются как объекты, а их инварианты (или кортежи инвариантов) — как признаковые описания объектов. В применении к хемографам, практически важны теорема о полноте кортежей инвариантов произвольного хемографа и теорема соответствия критерия полноты инварианта критерию разрешимости/регулярности, основной результат которых можно записать в следующей форме:

где Pr — множество прецедентов графов (полученный из заданного набора молекулярных структур), iso(G) — метка, указывающая на принадлежность графа G к некоторому классу изоморфных графов (очевидна из описаний молекулы в базе данных химических структур), χ — множество элементарных χ-инвариантов (фрагментов химической структуры), iχ — кортеж-инвариант (список фрагментов структур, применимый к структуре любой молекулы). Если условие (1) выполнено для заданного множества χ, то χ обеспечивает разрешимость задачи над Pr и позволяет систематически исследовать все фрагменты углеродных скелетов органических молекул. Если множество Pr регулярно, т. е. не содержит двух идентичных хемографов (молекул), то множество χ устанавливается на основе стандартного подхода к вычислению характеристической функции множества информативных значений признаков T (α) [6, 8] для множества χ, так что T (α), α∈χ определяется на основе выбора элемента кортеж-инварианта (т.е. типа фрагмента углеродного скелета) с наибольшим рангом информативности α:

Данная процедура позволяет найти такой кортеж-инвариант, который бы дал возможность отличать каждый хемограф (молекулу) в Pr от всех остальных. Тестирование (1, 2) проводилось на случайных выборках 50 000 попарно различных структур молекул из базы данных PubChem [13] с использованием бинарных кортеж-инвариантов над множеством χ-цепей (цепных фрагментов химической структуры) длины n (n=1…7). В результате вычислений было установлено, что при n=7 аккуратность отличения одной молекулы от другой составила 99,4% и даже при более коротких длинах χ-цепей (n=4,5) достигались довольно высокие показатели аккуратности (93—97%).

С использованием полученного множества χ и метрики Хэмминга, функция расстояния между хемографами dχ над бинарными χ-инвариантами определяется следующим образом:

Данное выражение, отражающее «химическое расстояние» между двумя произвольными молекулярными структурами, и было использовано для получения списка структурно сходных с гопантеновой кислотой молекул.

Таким образом, на первом этапе хемоинформационного анализа с использованием расстояния dχ устанавливается список наиболее близких к гопантеновой кислоте химических структур. Затем для каждой молекулы из этого списка из баз данных извлекаются все имеющиеся данные экспериментального измерения различных биологических свойств этой молекулы. Для каждого из свойств, где необходимо рассчитать значения соответствующей константы (константа связывания, константа ингибирования и др.) выбираются все сходные молекулы, для которых это свойство было измерено, и строится эмпирическая функция распределения значений константы.

Представленные далее значения констант были получены как математическое ожидание и дисперсия соответствующей эмпирической функции распределения, которая использовалась после соответствующей фильтрации посредством i-спектров с образованием непрерывной повсюду дифференцируемой функции, и анализ модальности (т.е. число пиков).

В ходе анализа проводилось сравнение химической структуры гопантеновой кислоты с тремя базами данных малых молекул: базой данных всех известных малых молекул PUBCHEM [13], метаболома человека HMDB (Human Metabolome Database) [14], белковых структур PDB (Protein Data Bank) [15]. Анализ результатов по этим трем выборкам молекул указал на следующие возможные эффекты гопантеновой кислоты: нейротропная активность; метаболизм простагландинов и регулировка воспаления; регулировка стероидного метаболизма; противоопухолевые свойства.

База данных PUBCHEM содержит структуры около 100 млн молекул наряду с результатами измерений различных биологических свойств этих молекул (сродство к тем или иным рецепторам, тот или иной вид биологической активности и др.). Эта выборка данных использовалась для расчета констант биологической активности.

База данных HMDB содержит структуры более 35 000 молекул метаболома человека и некоторых лекарственных средств. В базе данных PDB представлены комплексы 19 000 малых молекул с различными белковыми структурами. Сравнение химической структуры гопантеновой кислоты с молекулами в базах данных HMDB и PDB предоставляет важную дополнительную информацию о биологических свойствах пантокальцина.

Далее последовательно рассмотрены основные предполагаемые свойства гопантеновой кислоты, полученные в результате хемоинформационного анализа: нейротропная активность, влияние на метаболизм простагландинов, модуляция стероидного метаболизма и противоопухолевые свойства.

Проведенные ранее фундаментальные и клинические исследования показали церебропротективное действие гопантеновой кислоты [16]. Например, в исследовании [17] эффективности использования пантокальцина для послеоперационной когнитивной коррекции дисфункции у школьников, оперированных под общей анестезией, было установлено, что назначение гопантеновой кислоты (40 мг/кг в сутки в течение 1 мес после операции) достоверно снижало тяжесть послеоперационной когнитивной дисфункции [17].

Анализ сходства структуры молекулы гопантеновой кислоты с миллионами молекул из базы данных PUBCHEM показал, что гопантеновая кислота может оказывать нейротропные эффекты, стимулируя секрецию ацетилхолина (на 15% в среднем), связываясь с рецепторами каннабиноидов GPR55 (который активируется эндоканнабиноидами анандамидом, 2-арахидоноилглицерином, ноладином), дофаминовыми рецепторами, опиоидными рецепторами и транспортером глицина (табл. 1).

Отметим, что хемоинформационный анализ показал достаточно невысокое сродство гопантеновой кислоты к рецепторам ГАМК: оценка EC50 составила около 12 000±5000 нМ для разных типов ГАМК-рецепторов. Напомним, что EC50 (полумаксимальная эффективная концентрация) означает ту концентрацию лиганда, при которой развивается эффект, равный половине от максимально возможного. Поэтому более высокие значения ЕС50 соответствуют более низкому сродству лиганда к рецептору. В то же время оценочные значения ЕС50 для опиоидных и дофаминовых рецепторов были на несколько порядков ниже, чем ЕС50 гопантеновой кислоты для ГАМК-рецепторов (табл. 2).

Полученные данные позволили оценить степень сродства гопантеновой кислоты к различным типам опиоидных рецепторов. Среди установленных эффектов наибольший интерес представляет именно модуляция опиоидных рецепторов, так как оценочные значения соответствующих EC50 и IC50 отличаются в среднем на порядок по сравнению с другими типами рецепторов (см. табл. 1).

Опиоидные (опиатные) рецепторы — G-белок-зависимые рецепторы ЦНС, широко распространенные в головном и спинном мозге, желудочно-кишечном тракте и в других органах [18]. При активации опиоидных рецепторов осуществляется регулирование ионных каналов: закрытие потенциал-зависимых Са-каналов в пресинаптическом нейроне приводит к уменьшению выброса возбуждающих нейромедиаторов (глутамат), а активация К-каналов в постсинаптическом нейроне приводит к гиперполяризации мембраны и уменьшению чувствительности нейрона к возбуждающим нейромедиаторам [19]. Модуляция опиоидных рецепторов является важнейшим направлением фармакологии средств для снижения химической зависимости.

В настоящее время различают четыре основные группы опиоидных рецепторов: μ- (мю), δ- (дельта), κ- (каппа) и ноцицептивные рецепторы [20]. Эффект аналгезии наблюдается при стимуляции μ-, δ- и κ-рецепторов. Агонисты μ-рецепторов, кроме того, вызывают угнетение дыхания и седативный эффект, а агонисты κ-рецепторов — психотомиметические эффекты [21]. Физиологические роли этих разновидностей опиоидных рецепторов суммированы в табл. 3.

Хемоинформационный анализ показал (см. табл. 2), что гопантеновая кислота может взаимодействовать с δ-, κ- и μ-опиоидными рецепторами. При этом, вероятно, гопантеновая кислота является агонистом δ-, κ-рецепторов, стимулируя до 75—100% активности рецепторов. В то же время гопантеновая кислота является скорее всего антагонистом μ-опиоидных рецепторов (оценка как агониста: +39% активности, как антагониста: —65% от активности, см. табл. 2). Анализ свойств селективности подтвердил, что гопантеновая кислота в 100 раз более селективна по отношению к κ- и δ-опиоидным рецепторам по сравнению с µ-рецепторами.

Среди опиоидных нейротрансмиттеров эндорфины и эндоморфины проявляют максимальное сродство к рецепторам типа μ, энкефалины — к δ-рецепторам, динорфины — к κ-рецепторам [22]. Поэтому результаты хемоинформационного анализа позволяют предположить, что гопантеновая кислота может быть более близка по своим эффектам скорее к энкефалинам и динорфинам, чем к эндорфинам. Эндорфины (эндогенные морфины активируют преимущественно μ-рецепторы) — пептидные нейротрансмиттеры, обладающие способностью уменьшать боль и влиять на эмоциональное состояние. Они образуются из бета-липотрофина и контролируют активность эндокринных желез. β-Эндорфин имеет в своей химической структуре элемент сходства с гопантеновой кислотой (рис. 2).

Что касается энкефалинов, то они активируют преимущественно δ-рецепторы и наряду с другими опиоидами участвуют в регуляции поведения и болевых ощущений. Различают лей-энкефалин и мет-энкефалин. Мет-энкефалин является одним из гормонов средней доли гипофиза (вместе с мет-энкефалином синтезируется и секретируется γ-меланоцитстимулирующий гормон).

Активация δ-рецепторов имеет анальгетический эффект; при высоких дозах агониста могут отмечаться судороги [23]. Агонисты δ-рецепторов могут стимулировать функцию дыхания и блокировать подавляющее действие таких агонистов μ-опиоидных рецепторов, как алтенафил, на респираторную функцию [24]. Активация δ-рецепторов также имеет антидепрессантный эффект и повышает уровни нейротрофического фактора мозга (BDNF). Агонисты δ-опиоидных рецепторов проявляют кардиопротективный эффект, снижая повреждения тканей миокарда при транзиторной ишемии [25, 26]. Поскольку гопантеновая кислота может активировать δ-опиоидные рецепторы, то перечисленными выше положительными фармакологическими эффектами в той или иной мере обладает пантокальцин.

Гопантеновая кислота также может активировать и κ-опиоидные рецепторы. Физиологическая активация κ-рецепторов осуществляется преимущественно динорфинами — эндогенными опиоидными пептидами, проявляющими анальгетический эффект. Имеются элементы сходства молекулы гопантеновой кислоты и динорфинов. Считается, что активация κ-рецепторов нивелирует эффекты активации µ-рецепторов [27]. Активация κ-рецепторов характеризуется диуретическим действием (за счет снижения уровней вазопрессина) [28], а при ишемии тканей мозга — нейропротективным эффектом [29].

Анализ сходства молекулы гопантеновой кислоты с известными лигандами белковых структур указал на высокую степень сходности между химическими структурами гопантеновой кислоты и рядом нейротропных веществ (эти данные были приведены в табл. 1). Заметим, что расстояние dχ между гопантеновой кислотой и такими витамерами B5, как пантотенамид, пантеин и пантотеновая кислота, составило dχ=0,40…0,42, в то время как расстояние от молекул, перечисленных в табл. 1, составило dχ=0,19…0,39.

Хемоинформационный анализ указал на такие дополнительные механизмы нейротрофического и ноотропного действия гопантеновой кислоты, как модуляция ретиноидного метаболизма (связывание с рецептором ретиноидов RARβ), поддержка многочисленных положительных эффектов миоинозитола (витамин В8) [30—32], связывание с мелатониновым рецептором MT3, ингибирование глутаматного рецептора-2 (GLUA2), селективное ингибирование фосфодиэстеразы-4 (что улучшает долгосрочную память и оказывает нейропротективный эффект). Кроме того, установлено сходство с теанином (обладает кофеин- подобными психоактивными и ноотропными свойствами), 2-пирролидоном (производными которого являются такие ноотропные фармацевтические препараты, как доксапрам и пирацетам) и пироглутаматом, обладающими многочисленными нейропротективными и нейротрофическими свойствами [5].

Анализ сходства структуры гопантеновой кислоты с молекулами в базе данных PUBCHEM показал, что гопантеновая кислота может оказывать существенное воздействие на метаболизм простагландинов за счет связывания с рецепторами простагландинов ЕР2 и ЕР4 и стимулирования соответствующей биологической активности (табл. 4). Основные элементы сходства химических структур простагландинов группы Е и гопантеновой кислоты представлены на рис. 3.

В соответствии с данными хемоинформационного анализа (см. табл. 4) гопантеновая кислота может ингибировать рецепторы простагландина Е2 (рецепторы ЕР2) и активировать рецепторы эйкозаноидных рецепторов простагландинов Е (рецепторы ЕР4). Такой профиль воздействия на метаболизм простагландинов соответствует противовоспалительному эффекту.

Рецептор EP2 специфически связывает простагландин Е2, и его биологическая активность ассоциирована с аллергическими реакциями и аспирин-индуцированной астмой. Общеизвестно, что простагландин Е2 стимулирует повышение температуры (гипертермия). Кроме того, повышенная активность рецептора ЕР2 ассоциирована с врожденными пороками сердца и предположительно — с симптомом барабанных палочек [33].

Симптом барабанных палочек (R68.3 по МКБ-10) — колбовидное утолщение концевых фаланг пальцев кистей и стоп при хронических болезнях сердца, легких, печени с характерной деформацией ногтевых пластинок (рис. 4). Ткань между ногтем и подлежащей костью приобретает губчатый характер, благодаря чему при надавливании на основание ногтя возникает ощущение подвижности ногтевой пластинки. Утолщение дистальных фаланг пальцев кистей и стоп происходит вследствие разрастания соединительной ткани, лежащей между ногтевой пластинкой и костью. «Барабанные пальцы» являются информативным признаком ряда заболеваний и патологических процессов.

По результатам хемоинформационного анализа гопантеновая кислота обладает гораздо более высоким сродством к простагландиновым рецепторам типа ЕР4 по сравнению с другими типами рецепторов. Действительно, вычисленные значения констант связывания ниже в 3…10 раз для ЕР4 по сравнению с ЕР2 (см. табл. 2). Иначе говоря, гопантеновая кислота оказывает воздействие на рецепторы ЕР4 в гораздо более низких концентрациях, чем на рецепторы типов ЕР2 и ЕР3.

Простагландиновый рецептор ЕР4 участвует в передаче сигналов активации Т-клеток, инициации иммунного ответа кожи и регулирует уровень мРНК циклооксигеназы-2. Активация ЕР4 также оказывает положительное влияние при ишемии миокарда, снижая размер зоны ишемии за счет активации сигнальных путей цАМФ и миоинозитол-зависимой киназы PI3K. Кардиопротективное действие активированных рецепторов ЕР4 также связано со снижением воспалительных процессов в зоне ишемии [34]. В соответствии с вышеизложенным гопантеновая кислота может проявлять противовоспалительный эффект за счет ингибирования рецептора ЕР2 и активации рецептора ЕР4.

Анализ малых молекул в базе данных белковых комплексов PDB показал, что гопантеновая кислота может связываться не только с рецепторами простагландинов, но и с другими белками, вовлеченными в простагландиновый метаболизм: фосфолипазой А2, циклооксигеназой-2, простагландин-Н2-синтазой, лейкотриен А4 гидролазой (табл. 5). В частности, можно отметить структурное сходство между гопантеновой кислотой и нестероидным противовоспалительным средством индометацином (рис. 5).

Помимо описанных выше нейротропного и противовоспалительных эффектов, хемоинформационный анализ показал возможность того, что гопантеновая кислота обладает противоопухолевым действием (табл. 6, 7, 8). В частности, потенциальное противоопухолевое действие гопантеновой кислоты может осуществляться за счет модуляции стероидного метаболизма.

Хемоинформационная оценка констант связывания показала, что противоопухолевые эффекты гопантеновой кислоты можно ожидать уже при достаточно умеренных дозировках — 100—5000 нмоль/л, что ориентировочно соответствует 20—1000 мкг/кг. Принимая во внимание достаточно длительный период полувыведения гопантеновой кислоты (10—12 ч) [35], оценочная эффективная доза может составлять 12—300 мг/сут.

Потенциальные эффекты воздействия гопантеновой кислоты на метаболизм стероидов связаны с ингибированием эстрогеновых рецепторов ERα и ERβ человека (преимущественно — ERα), антагонизмом андрогенных рецепторов и в целом торможением стероидного метаболизма (см. табл. 6). В частности, гопантеновая кислота может ингибировать стероид-5α-редуктазу предстательной железы — фермент биосинтеза андрогенов и эстрогенов, ингибиторы которого используются при доброкачественной гиперплазии предстательной железы, мужском облысении и других нарушениях, связанных с избытком тестостерона. Гопантеновая кислота также может частично ингибировать 17β-гидроксистероид дегидрогеназу, которая конвертирует андростендион и тестостерон, эстрон и эстрадиол в присутствии кофактора NAD+ (витамин РР).

Антипролиферативная активность гопантеновой кислоты также может осуществляться за счет активации системы цитохромов, модуляции рецепторов меланоцитстимулирующего гормона (см. табл. 7) и повышения стабильности геномной ДНК (см. табл. 8).

Гопантеновая кислота может умеренно активировать цитохромы CYP2C9 и CYP1A2 (оценки константы активации AC50 составили ~5 мкМ, соединения с константами менее 10 мкМ обычно считают активными). Как известно, ферменты-цитохромы Р450 обезвреживают многие канцерогенные вещества. Например, цитохром CYP2C9 метаболизирует более 100 лекарственных препаратов, в том числе варфарин, фенитоин, аценокумарол, толбутамид, лозартан, глипизид, некоторые нестероидные противовоспалительные препараты. Цитохром CYP1A2 инактивирует полициклические ароматические углеводороды сигаретного дыма, афлатоксин В1, ацетаминофен.

Хемоинформационный анализ указал на умеренное сродство гопантеновой кислоты к рецепторам МС1, МС4, МС5 меланоцитстимулирующих гормонов (константы ингибирования Ki порядка 4000—6000 нмоль/л). Меланоцитстимулирующие гормоны (МСГ) — меланотропины, меланокортины — секретируются промежуточной долей гипофиза, и их основной функцией является меланогенез в клетках меланоцита кожи и волос, а также пигментного слоя сетчатки глаза. Повышение активности МСГ вызывает потемнение кожи (что происходит, например, при беременности).

Помимо активации меланоцитов, МСГ выполняют и другие функции в организме человека: усиливают ремонт ДНК после повреждения УФО [36], ингибируют активацию провоспалительного фактора NF-κB [37], подавляют оксидативный стресс [38]. Рецептор MC4 участвует в регуляции пищевого поведения и метаболизма, а дефекты гена MC4R ассоциированы с наследственной избыточной массой тела. Делеция гена MC5R в эксперименте приводит к нарушениям в работе желез внешней секреции [39, 40]. Все эти эффекты рецепторов МСГ могут вносить некоторый вклад в антипролиферативную активность гопантеновой кислоты.

Анализ молекул в базе данных белковых структур PDB указал на возможные дополнительные механизмы противоопухолевого воздействия гопантеновой кислоты (табл. 8). Лизин-специфичная деметилаза LSD1-CoREST поддерживает оптимальный уровень фолат-зависимого метилирования ДНК, поли-(АДФ-рибоза)-полимераза поддерживает процессы репарации повреждений ДНК и ремоделирование хроматина, белки Brd4, SIRT6 и ферменты деацетилаза гистонов HDAC8 и лизин-специфичная деметилаза 4A JMJD2A важны для поддержания структуры белков-гистонов, с помощью которых осуществляется компактная упаковка молекул ДНК в клеточном ядре и, следовательно, повышается стабильность геномной ДНК. Повышение стабильности генома соответствует повышению противоопухолевого иммунитета вне зависимости от конкретного типа опухолей.

Приведенные в настоящей статье данные позволяют сделать заключение, что гопантеновая кислота и ее соли (например, гопантенат кальция, являющийся действующим началом пантокальцина) обладают ноотропным действием. Считается, что данный эффект обусловлен, в основном, сходством структуры фрагмента молекулы гопантеновой кислоты с нейротрансмиттером ГАМК. Проведенный в этой работе хемоинформационный анализ позволяет предположить, что нейротропные эффекты молекулы гопантеновой кислоты могут осуществляться за счет связывания и частичной активации с δ- и κ-опиоидных рецепторов, модуляции секреции ацетилхолина и взаимодействия с рецепторами дофамина.

Кроме того, результаты хемоинформационного анализа гопантеновой кислоты указывают на потенциальные противовоспалительные (модуляция метаболизма простагландинов) и противоопухолевые эффекты (модуляция стероидного метаболизма, повышение стабильности геномной ДНК). Заметим, что для достижения противовоспалительного эффекта в неврологии часто назначаются специальные противовоспалительные препараты. Поэтому наличие противовоспалительного эффекта у самого нейропротектора, назначаемого длительными курсами, — безусловное преимущество соответствующего препарата. Результаты хемоинформационного анализа указывают на чрезвычайно перспективные направления дальнейших фундаментальных и клинических исследований препарата пантокальцин.

Работа выполнена при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (РФФИ), гранты 12−07−00485- a , 09−07−00212-a и 12−07−00457-a.