В комплексной терапии пациентов с цереброваскулярной патологией (в частности, с ишемическим инсультом) широко используются препараты из перечня жизненно необходимых и важнейших лекарственных препаратов (ЖНВЛП). Например, пациентам назначают препараты, влияющие на парасимпатическую нервную систему (код АТХ N07A, холина альфосцерат и др.), мексидол (код АТХ N07X), пирацетам, глицин, cемакс (пептид Met-Glu-His-Phe-Pro-Gly-Pro) и другие лекарственные средства с ноотропной активностью (код АТХ N06B)^​1​᠎.

Молекула этилметилгидроксипиридина сукцината является действующим началом оригинального (референтного) препарата мексидол. Оригинальный препарат мексидол выпускается в виде раствора для внутривенного и внутримышечного введений; таблеток, покрытых пленочной оболочкой. Он оказывает положительное влияние на состояние пациентов с ишемией головного мозга за счет повышения синтеза АТФ, антиоксидантного, антигипоксического, ноотропного, антитромботического, противоэпилептического действия и др. [1].

Для более полного понимания условий, при которых клиническая эффективность мексидола максимальна, следует обладать более полной информацией о механизмах действия данной молекулы. Известно, что основными механизмами действия мексидола являются антиоксидантный эффект и активация синтеза АТФ.

Кроме того, мексидол модулирует активность сигнальных ферментов аденилатциклазы, рецепторов бензодиазепинов, ГАМК, ацетилхолина, улучшает микроциркуляцию и реологические свойства крови, уменьшает агрегацию тромбоцитов [1—3]. Молекулярные механизмы перечисленных выше эффектов мексидола недостаточно исследованы.

Новейшим направлением постгеномной фармакологии является хемореактомное моделирование, которое заключается в анализе структур молекул с целью прогнозирования их свойств на основании химической структуры [4]. Хемореактомный анализ проводится в рамках постгеномного анализа биологических систем (т.е. анализа, основанного на использовании информации о геноме человека [5]).

С использованием разработанных и опубликованных ранее методик хемореактомный анализ позволяет осуществлять прогнозирование взаимодействия молекулы со всеми известными белками, закодированными в геноме человека. В рамках постгеномной науки принимается, что молекула любого лекарственного средства «мимикрирует» под определенные метаболиты (вследствие наличия каких-либо сходств в химической структуре) и, связываясь с теми или иными белками протеома, производит соответствующие данному лекарству эффекты (как позитивные, так и негативные) [5]. Совокупность имеющихся для исследуемой молекулы данных о взаимодействии с белками протеома, рассматриваемых в ходе проведения хемореактомного анализа, позволяет сделать обоснованные выводы о ее потенциальных эффектах.

В настоящей работе проведено моделирование свойств мексидола в сравнении с контрольными молекулами с известным нейропротективным и/или ноотропным действием (холина альфосцерат, пирацетам, глицин, семакс).

Анализ фармакологических возможностей мексидола и молекул сравнения проведен на основе хемоинформационного подхода, т. е. сравнения химической структуры исследуемых молекул со структурами десятков тысяч других молекул, у которых молекулярно-фармакологические свойства известны.

Для проведения хемоинформационного анализа был разработан новый математический метод, основанный на алгебраическом подходе к машинному обучению [6—8]. Разработанная математическая теория позволяет вычислять «химическое расстояние» dχ, отражающее степень сходства между двумя произвольными молекулами. Данный показатель описывает, насколько сходна по структуре (и, следовательно, по фармакологическим свойствам) молекула мексидола с теми или иными молекулами лекарственных средств, эндогенных молекул организма человека, в том числе молекул-агонистов различных рецепторов нейротрансмиттеров и др. Как показано ниже, расстояния dχ принципиально необходимы для вычисления оценок фармакологической активности мексидола.

Хемореактомный метод осуществляется следующим образом. На первом этапе хемоинформационного анализа на основании данных о химических структурах молекул вычисляются химические расстояния dχ между исследуемой молекулой (мексидол) и всеми молекулами в базе данных PubChem. Выбираются молекулы с минимальным расстоянием и, таким образом, устанавливается список наиболее сходных с мексидолом молекул. На втором этапе для каждой молекулы из списка сходных с мексидолом молекул из базы данных PubChem извлекаются все имеющиеся данные экспериментального измерения различных фармакологических свойств этой молекулы, затем проводятся усреднение и другие виды математической обработки данных. В результате получаются числовые оценки констант различной фармакологической активности мексидола. На основании этих оценок, полученных для мексидола и для рассматриваемых молекул сравнения, появляется возможность оценить особенности клинического применения исследуемых молекул. Отметим, что предлагаемые методики были валидизированы на больших выборках молекул (десятки тысяч молекул с известными свойствами), что позволяет предполагать высокое качество прогнозирования фармакологических свойств молекул [8].

С использованием метода хемоинформационного анализа проведено сравнение химической структуры мексидола с молекулами в базе данных метаболома человека и с молекулами в базах данных лекарственных средств. В качестве модели метаболома человека использовались более 40 000 соединений, приведенных в базе данных HMDB (Human Metabolome Database, — база данных метаболома человека) [9]. Данные соединения включают большинство соединений, измеряемых в плазме крови человека, и ряд лекарственных средств и их метаболитов.

В табл. 1 представлены наиболее интересные результаты анализа сходства мексидола с фармакологически активными веществами.

Таким образом, почти все сходные с мексидолом молекулы были найдены в растительных экстрактах. Многие из них обладают известным гипогликемическим и антидиабетическим эффектами (в частности, за счет ингибирования альфа-глюкозидаз, что способствует снижению уровня глюкозы в крови). Кроме того, сходные с мексидолом молекулы природного происхождения характеризуются и другими свойствами — вазодилаторными, антибактериальными, взаимодействием с ацетилхолиновыми рецепторами, поддержкой микробиоты и др.

Хемореактомное моделирование показало, что мексидол может являться агонистом ацетилхолиновых рецепторов и ГАМК-рецепторов (табл. 2). Активация M3 мускариновых рецепторов приводит к стимуляции пути выживания нейронов (молекулярный каскад ERK½). Активация каскада ERK½ тормозит апоптоз нейронов, т. е. обусловливает нейропротективный эффект [10].

Активация мексидолом никотиновых рецепторов ацетилхолина типа α4β2 нормализует процессы пресинаптического и постсинаптического возбуждения холинергических синапсов, что также способствует нейропротекции (в частности, улучшает внимание) [11]. Ингибирование М4 мускариновых рецепторов молекулой мексидола способствует ГАМКергической трансмиссии [12], что усиливает воздействие мексидола на ГАМК-рецепторы.

Хемореактомный анализ показал, что мексидол может являться лучшим агонистом ГАМК-рецепторов, чем молекулы сравнения (см. табл. 2). Например, мексидол повышает субмаксимальный ответ на стимуляцию ГАМК-А-рецепторов типа α2β3γ2 на 68%, а для всех молекул сравнения — не более чем на 30%. Активация ГАМК-рецепторов проявляет нейропротективный эффект в моделях поражения нейронов бета-амилоидом и в моделях спонтанной гипертонии [13]. Повышение выживания нейронов при активации ГАМК-рецепторов осуществляется, в частности, за счет активации молекулярных каскадов выживания нейронов Akt (РКА) и ERK½ [14].

Хемореактомный анализ показал, что молекула мексидола вмешивается в модуляцию серотонинергической и дофаминергической активности в меньшей степени, чем молекулы сравнения. Так, значения констант ингибирования (Ki) серотониновых и дофаминовых рецепторов различных типов были выше именно для мексидола, что соответствует меньшему сродству мексидола к этим рецепторам (см. табл. 2). Меньшая по сравнению с контрольными молекулами степень взаимодействия мексидола с серотониновыми и дофаминовыми рецепторами означает, что мексидол не будет способствовать резким колебаниям настроения у пациентов с депрессивными и тревожными расстройствами.

Результаты хемореактомного моделирования неврологических эффектов мексидола соответствуют обсуждаемым ранее нейропротективным эффектам молекулы, ассоциированным с активацией ацетилхолиновых и ГАМК-рецепторов. В частности, хемореактомное моделирование указало на возможную противосудорожную активность молекулы мексидола (табл. 3). Например, ингибирование фенилхинониндуцированных судорог у мышей может осуществляться на 93% в случае использования мексидола, на 36% — пирацетама и только на 11% — семакса. Кроме того, молекула мексидола может ингибировать образование и агрегацию бета-амилоида, а также избыточную активность сигнального фермента GSK3β, что стимулирует рост нейритов и регенерацию нервной ткани [15] (см. табл. 3).

При ишемических процессах в мозге происходит интенсивный распад фосфолипидов нейрональных мембран и вырабатываются провоспалительные эйкозаноиды (простагландин Е2, тромбоксаны и др.). Эти эйкозаноиды не только стимулируют процессы воспаления, но также усиливают боль и тромбообразование.

Хемореактомное моделирование мексидола показало более выраженное противовоспалительное действие молекулы за счет ингибирования синтеза провоспалительных простагландинов посредством частичного ингибирования ферментов ЦОГ-2 и 5-липоксигеназы (табл. 4). Частичное ингибирование ЦОГ-2 мексидолом в отличие от использования таких специфических и сильных ингибиторов ЦОГ-2, как ацетилсалициловая кислота, может потенциально снижать риск формирования геморрагических осложнений.

Избыточное тромбообразование является одним из главных факторов цереброваскулярной патологии. Хемореактомное моделирование выявило более выраженные антикоагулянтные и антиагрегантные свойства молекулы мексидола по сравнению с контрольными молекулами (табл. 5). Например, расчеты показали, что ингибирование коллагениндуцированной агрегации тромбоцитов мексидолом осуществляется при гораздо более низких концентрациях вещества (IC50=462 нМ), чем в случае семакса (IC50=4295 нМ). Кроме того, мексидол может характеризоваться и более выраженным ингибированием коагуляционного фактора Хa (активатор протромбина).

Не менее интересные результаты получены при сравнении эффектов изучаемых молекул на метаболизм глюкозы и липидный профиль. Общеизвестно, что наличие у пациентов глюкозотолерантности существенно утяжеляет течение цереброваскулярной патологии и ухудшает прогноз состояния пациента. Моделирование указало на антигипергликемическую активность мексидола. Среди изученных молекул мексидол может снижать повышенные уровни глюкозы на 34%, холина альфосцерат — на 8%, а пирацетам — всего на 4%.

При этом мексидол может ускорять процесс переработки глюкозы клетками за счет активации фермента глюкокиназы и рецептора PPAR-гамма. Взаимодействие мексидола с этими белками способствует нормализации уровня глюкозы в крови и также снижению уровней холестерина и триглицеридов (см. табл. 5). Например, снижение уровня триглицеридов в крови составило 29% для мексидола, 15% — для холина альфосцерата и всего 3% для семакса.

Следует отметить, что результаты хемореактомного анализа позволяют предположить, что основой гипогликемического действия мексидола является активация PPAR-рецепторов (см. табл. 5). Белки-рецепторы типа PPAR (активированный рецептор пролифераторов пероксисом) необходимы для переработки избыточного холестерина и снижения уровня глюкозы в крови.

PPAR-рецепторы способствуют увеличению в клетке числа пероксисом — обязательных клеточных органелл, содержащих окислительно-восстановительные ферменты (уратоксидаза, каталаза, ферменты расщепления жирных кислот). Пероксисомы необходимы для осуществления таких процессов, как метаболизм глюкозы, окисление жирных кислот, детоксикация, синтез желчных кислот, построение миелиновой оболочки нервных волокон и др. Наряду с митохондриями, пероксисомы являются главными потребителями кислорода в клетке.

Наличие в пероксисомах большого количества фермента метаболизма жирных кислот (гидроксиметилглутарил лиаза, пероксисомальный многофункциональный фермент HSD17B4, пероксисомальный ацил-coА оксидазы ACOX1, лигаз длинноцепочечных жирных кислот и др.) обусловливает резкое увеличение интенсивности переработки жиров при увеличении числа пероксисом в клетке.

Активация белков PPAR приводит к усилению транскрипции генов, кодирующих белки переработки сахаров и липидов (в частности, пероксисомальной ацил-coА оксидазы ACOX1), что активирует процессы бета-окисления жирных кислот. Поэтому агонисты PPAR-рецепторов (росиглитазон) используются при гипергликемии и гиперлипидемии [16]. Мексидол может быть частичным агонистом рецептора PPARγ и, таким образом, проявлять гипогликемическое и антидиабетическое действие.

Результаты моделирования фармакодинамических свойств молекулы мексидола (прежде всего по степени связывания с различными нежелательными таргетными белками) представлены в табл. 6. Моделирование показало, что мексидол существенно слабее, чем контрольные молекулы, взаимодействует с белками, ассоциированными с развитием нежелательных побочных эффектов.

Например, калиевый канал KCNH2 является важным антитаргетным белком, взаимодействий с которым следует избегать при разработке лекарственных средств [17], так как нарушения активности KCNH2 приводят к формированию смертельно опасного «синдрома длинного QT», повышающего риск внезапной остановки сердца вследствие спонтанно развивающейся аритмии [4, 18]. В результате хемореактомного моделирования было установлено, что по сравнению с контрольными молекулами молекула мексидола характеризовалась самым низким сродством к калиевому каналу KCNH2: значение константы ингибирования для мексидола составило Ki=4443 нМ, для остальных молекул Ki<3058 нМ (т.е. для ингибирования канала KCNH2 мексидолом необходима более высокая концентрация мексидола, чем молекул сравнения).

Таким образом, хемореактомное моделирование молекулы указало на различную фармакологическую активность мексидола: активация мускариновых и никотиновых рецепторов ацетилхолина, активация ГАМК-А рецепторов, ингибирование ЦОГ-2 и 5-липоксигеназы, ингибирование биосинтеза простагландина E2, ингибирование ФНО-α активированного фактора транскрипции NF-kB, активация рецептора PPARα и др.

Каждой активности соответствуют определенные гены из генома человека. В ходе проведенного анализа был получен список из 54 генов, задействованных в реализации фармакологических эффектов мексидола. Анализ этих генов с использованием биологической роли белка по международной номенклатуре Gene Ontology (GO) указал на основные биологические роли мексидола:

— нейробиологические роли (синаптическая передача сигнала, визуальное восприятие, циркадианный ритм, регулирование цикла сон—бодрствование, двигательное поведение);

— формирование структур нейронов (нейрон, аксон, оконечность аксона, синаптический мембранный везикул, дендрит, нейрит);

— вазоактивное действие (активация биосинтеза оксида азота, активация роста клеток гладких мышц);

— эмбриональное и постэмбриональное развитие (постэмбриональное развитие, рост многоклеточного организма, развитие мозга, развитие неба);

— регенерация тканей (активация деления клеток, ранозаживление, рост клеток, торможение апоптоза);

— антиоксидантное действие (ответы клеток на окислительный стресс, на перекись водорода, на гипероксию);

— клеточное дыхание, энергетический метаболизм (ответ на гипоксию, митохондрии, метаболизм глюкозы и липидов, перенос электрона, связывание гема, ответ на инсулин);

— иммунитет, регуляция воспаления (активация противовирусной защиты, воспалительная реакция, ответ на липополисахариды, активация сигналов Iκb/NFκb, ответ на глюкокортикоиды);

— синергизм с другими микронутриентами (связывание ионов железа, кальция, цинка).

Анализ генов, вовлеченных в осуществление эффектов мексидола, позволяет установить молекулярные механизмы реализации самых разных фармакологических действий. Например, антиоксидантное действие мексидола считается одним из основных этого препарата. Отмечается, что развитие антиоксидантного эффекта прежде всего связано с повышением активности супероксиддисмутаз и ингибированием перекисного окисления липидов.

Заметим, что эффективность мексидола как антиоксиданта вряд ли обусловлена прямым взаимодействием молекулы мексидола с активными формами кислорода (АФК), скорее, с некоторыми специфическими взаимодействиями с определенными белками-рецепторами.

Антиоксидантному действию мексидола соответствуют следующие биологические роли по международной номенклатуре GO: GO:0006979 «Ответ на окислительный стресс», GO:0070301 «Клеточный ответ на перекись водорода» и GO:0055093 «Ответ на гипероксию». Этим биологическим ролям соответствуют 5 генов, которым в свою очередь соответствуют белки, перечисленные ниже: CHRNA4 ацетилхолиновый рецептор альфа-4; CHRNA7 ацетилхолиновый рецептор альфа-7; PTGS2 простагландин синтетаза 2 (циклооксигеназа-2, ЦОГ-2); NFKB1 ядерный фактор транскрипции NF-κ-B; ALOX5 арахидонат 5-липоксигеназа.

Данный список генов позволяет сформулировать более реалистичные механизмы антиоксидантного действия мексидола, чем прямое взаимодействие молекул мексидола с АФК. Так, взаимодействуя с ионотропными (никотиновыми) рецепторами, ацетилхолин тормозит повреждение клеток, вызываемое перекисью водорода [19]. Активация α4 [20] и α7 [21, 22] рецепторов ацетилхолина противодействует окислительным повреждениям ДНК [23]. Активация α7 рецепторов к ацетилхолину способствует снижению активности провоспалительного и прооксидантного транскрипционного фактора NF-κB [24], повышению экспрессии антиоксидантных генов SOD1 (супероксиддисмутазы), GPX1 (глутатион пероксидазы 1) [24] и HMOX1 (гем оксигеназы 1) [25].

При переработке пальмитиновой кислоты активность фермента ЦОГ-2 (ген PTGS2) способствует не только синтезу провоспалительных простагландинов, но и нарастанию окислительного стресса. Более того, пальмитат-анион еще больше повышает экспрессию гена PTGS2 при участии транскрипционного фактора NF-κB [26]. Мексидол в соответствии с результатами хеморектомного анализа будет ингибировать и фермент ЦОГ-2, и активность транскрипционного фактора NF-κB, тем самым осуществляя антиоксидантный эффект. Ингибирование ЦОГ-2 также способствует повышению активности ацетилхолиновых рецепторов [27].

Таким образом, результаты хемореактомного анализа показали, что главными мишенями фармакологического действия молекулы мексидола являются ацетилхолиновые рецепторы, ГАМК-А-рецепторы, ферменты ЦОГ-2, 5-ЛОГ и PPAR-рецептор. Молекула мексидола является агонистом ацетилхолиновых рецепторов в большей степени, чем молекулы сравнения (холина альфосцерат, пирацетам, глицин, семакс). Активация холинергической нейротрансмиссии вносит существенный вклад в нейропротекцию при ишемии и когнитивных расстройствах. Кроме того, активация ионотропных ацетилхолиновых рецепторов типов α4 и α7 способствует реализации антиоксидантного эффекта. Молекула мексидола также является активатором ГАМК рецепторов, что важно как для нейропротекции, так и для реализации противосудорожного действия. Мексидол в большей степени, чем молекулы сравнения, проявляет противовоспалительные свойства за счет частичного ингибирования ферментов ЦОГ-2 и 5-ЛОГ. Активация мексидолом PPAR-рецептора способствует интенсификации переработки жиров и углеводов. И наконец, от молекул сравнения мексидол отличается более высокой безопасностью (меньшая степень взаимодействия с «про-аритмическими» каналами KCNH2, ферментами МАО и CYP1A1, более слабым влиянием на серотониновые и опиоидные рецепторы).