Лекция 2. 1. Этапы создания первичного арсенала лекарственных веществ (ЛВ)

1. Этапы создания первичного арсенала лекарственных веществ (ЛВ)

Борьба с болезнями ведется человеком с давних пор. Первые лекарственные средства люди открывали случайно и получали их из «природной аптеки»: растений (листьев, коры, плодов, кореньев, стеблей), животных и минералов. В течение тысячелетий в Индии и Китае применяют с успехом народные лечебные средства, приготовляемые из многих природных источников (ныне это направление лечения называют, в отличие от официальной медицины, этномедициной и этнофармакологией). Уже в древних текстах насчитывают более 3 тысяч лекарственных растений, употребляемых с 2800 года до новой эры. Одно из современных лекарств - эфедрин, введенный в официальную медицину в 1920-х годах для остановки кровотечений и как противокашлевое средство, использовался в Китае в течение почти 5 тыс. лет в виде неочищенного растительного лекарства " ма хуанг". В работах Плиния имеется ссылка на лекарственное растение " эфедрон", которое использовали в древности для тех же лечебных целей. В Индии насчитывают 7500 лекарственных растений, которые применяются в народной медицине, и в частности Rauwolfia serpentina, содержащая антигипертензивный агент - алкалоид резерпин. Еще в старину в России составлялись вертограды - рукописные травники с описанием способов приготовления лекарств из растений «для лечбы занемогших». В этномедицине многих стран лекарства готовили из пчелиного прополиса, горного мумие, бобровой струи, ядов змей и скорпионов, мышиного помета, пантов пятнистого оленя и т.д. Вплоть до настоящего времени значение медикоментозных средств, получаемых в виде настоек, экстрактов и отваров (главным образом из растений) сохраняется на высоком уровне (в России подобные лекарственные средства составляют примерно 30% от общего числа лекарственных препаратов). Начиная с 17-го до начала 20-го века современный арсенал ЛВ пополнялся главным образом случайными открытиями растительных лекарственных средств. Подобные открытия получили в совокупности название «принципа серендипити» (serendipity). Первые индивидуальные природные соединения, обладающие лечебным действием (так называемое " активное начало"), начали выделять из растений лишь в 19 веке. Так, в 1803 году был впервые выделен алкалоид морфин. Затем было установлено, что чай, кофе, какао и орехи кола содержат один и тот же алкалоид кофеин. Синтетические вещества, обладающие фармакологическим действием, стали также появляться в 19 веке - параллельно с зарождением и началом развития органической химии и коксохимии.

1.1. Формирование протоарсенала лекарственных средств растительного происхождения

Рассмотрим несколько примеров широко известных природных структур-лидеров, которые были получены на основе растительных материалов. Их использовали в качестве ЛВ и на их основе затем были созданы кандидаты-аналоги и целые ряды (или группы) лекарственных препаратов.

Алкалоид хинин. Наиболее известным и эффективным средством борьбы против всех видов малярийного плазмодия является хинин (1), алкалоид коры хинного дерева (Cinchona), культивируемого в Азии (Индонезия) и Южной Америке. Его кора (после случайного открытия её лечебных свойств) использовалась при лечении малярии еще в 17 веке. В чистом виде хинин был выделен в начале 19 века, а полный синтез осуществлен в 1945 году. Насчитывается более 20 алкалоидов, хинного дерева, из которых цинхонин (2) применяют для лечения тропической лихорадки. После запрета массового использования инсектицида ДДТ (в связи с его способностью аккумулироваться в тканях животных и приводить к отравлениям) резко возросло число случаев заболеваний малярией (несколько сотен миллионов в год). Эмпирическими методами упрощения лидерной структуры и её химической модификации был а создана группа противомалярийных препаратов (3-6). Первым синтетическим противомалярийным препаратом этой группы ЛВ был плазмохин (памахин, 4), затем примахин (5). В 1940-х годах был синтезирован наиболее важный из всего семейства аминохинолинов - препарат хлорохин (хингамин, делагил, 3). Он нашел применение не только для лечения и профилактики малярии, но и при артритах и красной волчанке.

Широкое применение синтетических лекарственных веществ в борьбе с малярией привело к возникновению резистентных штаммов плазмодия (к природному хинину 1 возбудители малярии пока не имеют выраженной резистентности). В настоящее время стало известным, что в единственном экземпляре малярийного комара может содержаться до 70 генетических штаммов паразита. Этот факт делает понятным быстроту их эволюции в сторону штаммов, более устойчивых к действию применяемых лекарств. Поэтому проблема создания на основе упрощения лидерной структуры хинина новых более эффективных и менее токсичных препаратов остаётс я важной и в настоящее время.

Алкалоиды папаверин и тубокурарин. К лекарственным веществам изохинолинового ряда относятся такие известные спазмолитики, как опиумный алкалоид папаверин (лидер 39) и его синтетический аналог но-шпа (40). Их назначают при стенокардии, спазмах желудка, кишечника, бронхов, периферических сосудов и сосудов головного мозга. Папаверин был выделен в 1884 г. из млечного сока незрелых плодов мака (опия), где он содержится в количестве до 1%. К этому же химическому классу соединений-лидеров

принадлежит алкалоид яда кураре тубокурарин (41), который в медицине нашел

безопасное применение в качестве миорелаксанта, вызывающего длительное расслабление скелетной мускулатуры при операциях под наркозом. Это четвертичное основание выделяют из Chondrodendron tomentosum.

Алкалоиды морфин и кодеин. Еще в начале 19-го века работы по изучению растительных материалов привели к выделению из опиума (высушенного сока незрелых семян мака снотворного, Papaver somniferum) морфина, а затем и других опиумных алкалоидов - кодеина и тебаина. Природный морфин (только левовращающий изомер) обладает мощным подавлением физического и психического ощущения сильной боли, а также седативной активностью и подавлением рефлекса кашля. Однако он вызывает привыкание и пристрастие. Кроме того, у него имеются побочные эффекты, связанные со снижением двигательной способности кишечника (запоры). Полный синтез морфина осуществлен лишь в 1952 году, а сложность предлагаемых методов его синтеза до сих пор не позволяет реализовать их в коммерческих масштабах. Кодеин - более слабый анальгетик и применяется только в качестве противокашлевого средства или как пролекарство для обезболивания. Морфин оказывает обезболивающее действие и стал благодаря этому основным лидером для формирования группы его упрощённых аналогов.

Алкалоиды атропин и кокаин. К группе природных соединений, имеющих в качестве базового гетероцикла 8-азабицикло[3.2.1]октановое ядро (производное тропана) относятся алкалоиды атропин (2) и кокаин (3). Атропин (2) содержится в растениях семейства пасленовых (Solanoceae) и его выделяют в промышленных масштабах экстракцией из корней красавки, семян дурмана и других растений. Он обладает свойствами спазмолитика и его назначают при спазмах органов брюшной полости (язвенной и другой этиологии). Он сильно расширяет зрачок и применяется в

глазной практике для диагностики и лечения. Атропин применяют также в качестве антидота при отравлении наркотиками, снотворными и такими ядами как мускарин и др. Атропин является антагонистом указанных веществ, вытесняя их с биорецепторов (например с мускариновых холинорецепторов). Взаимодействуя с холинорецепторами, атропин блокирует доступ к ним молекул периферического нейромедиатора возбуждения ацетилхолина, что приводит к расслаблению мышц и снятию спазм.

Алкалоид кокаин (3) содержится в листьях (0, 5%) южно-американского кустарника (Erythroxylon Coca) и культивируется в Индии, Шри Ланке и Индонезии. Кокаин используют для поверхностной (местной) анестезии слизистых оболочек глаз, рта, носа и гортани. Он возбуждает нервные окончания и действует также на ЦНС, вызывая эйфорию и снимая усталость. Однако возбужденное состояние сменяется на угнетенное состояние, а при длительном применении кокаина развивается привыкание и болезненное пристрастие к нему (кокаинизм). (Кокаин относится не только к наркотикам, но и к сильным токсинам). Кокаин был впервые выделен в индивидуальном виде в 1860-м году, а синтезирован в 1902-м году. Он существует в виде четырех изомеров (3а-г), из которых транс(е, е)- изомер (3в) - наиболее устойчив, а наиболее активен (-)-кокаин (3а) с цис(2а, 3е)- конфигурацией.

Аспирин. орто -Гидроксибензойная (салициловая) кислота (3) является природным веществом, содержащимся в виде эфира в цветах растений вида спиреи (spiraea ulmaria). О-Ацетилсалициловая кислота (эфир 4, аспирин) был введен в медицинскую практику лечения острого суставного ревматизма еще в 1874 году, а как синтетическое лекарственное вещество стал выпускаться в промышленных масштабах в конце прошлого века под названием аспирин (приставка " а" означала, что данное лекарственное вещество не добывается из спиреи, а делается химическим путем).

Аспирин называют лекарством 20-го столетия, и в настоящее время его производят в мире в количестве, превышающем 100 тысяч тонн в год. Известны его противовоспалительные, жаропонижающие и болеутоляющие свойства. Обнаружено также, что он препятствует образованию тромбов, оказывает сосудорасширяющее действие и начинает применяться даже для профилактики и лечения инфарктов и инсультов. Считают, что весь потенциал лечебных свойств этого вещества еще не исчерпан. В то же время аспирин раздражает слизистую оболочку желудочно-кишечного тракта, что может вызывать кровотечения. Возможны также аллергические реакции. Аспирин в организме влияет на синтез простагландинов (контролирующих в частности образование тромбов) и гормона гистамина (расширяющего сосуды и вызывающего приток иммунных клеток к месту воспаления; кроме того он может препятствовать при воспалительных процессах биосинтезу болевых веществ).

Таксол. Из относительно новых структур-лидеров является таксол. В настоящее время его считают одним из наиболее перспективных веществ, обладающих противоопухолевой активностью. Этот терпеноид (18), выделенный из Taxus brevifolia (род можжевельника), представляет лидерную структуру для дизайна новых ЛВ

Пиретрины. Пиретрум (или «персидский порошок», приготовляемый из долматской ромашки) издавна применяли в санитарии, а также для борьбы с эктопаразитами животных, с вредителями продовольственных запасов, с насекомыми, портящими шерсть, кожу, ткани. Его основную часть составляет пиретрин-I (7). Он проявляет биодействие, блокируя нейрональные натриевые каналы у насекомых.

1.2. ЛП бактериального происхождения

Пенициллины и цефалоспорины. История этих антибиотиков начинается с первого наблюдения гибели стафилококковых бактерий при контакте с зеленой плесенью Penicillium (1929 г.) и последующего выделения из нее " действующего начала" - пенициллина (1940 г.). Во время 2-й мировой войны пенициллин использовался в больших масштабах, хотя его строение было установлено лишь в 1945 г. с помощью рентгеноструктурного анализа. Для ученых казалось невероятным, что этот антибиотик-метаболит содержал четырехчленный b-лактамный цикл, так как в то время считали, что азетидиновые циклы чрезвычайно неустойчивы. Оказалось, однако, что именно

этот гетероцикл является ответственным за антибиотическое действие не только пенициллина, но и цефалоспорина (метаболит жизнедеятельности гриба) и целого ряда других, открытых много позднее групп природных и полусинтетических антибиотиков:

Эти структуры –лидеры оказались мощными антибиотиками для борьбы с различными заболеваниями –пневмонией, ангиной, дизентерией, раневыми и гнойными инфекциями, вызываемыми грамположительными и грамотрицательными бактериями. Напомним, что многие виды микроорганизмов выделяют вещества, которые ограничивают рост или убивают микроорганизмы других видов. Эти вещества, названные антибиотиками, могут быть также и продуктами жизнедеятельности высших растений и животных, и являются как бы химическими средствами защиты.

1.3. Создание арсенала групп ЛВ 20-го века эмпирической химической модификацией лидерных молекул

Приём химического модифицирования структуры известных природных лекарственных веществ является интуитивным, умозрительным. С его помощью, исходя из аналогии двух структур – известного лидера и его конструируемого производного, биоактивность известного вещества как бы переносят на новое соединение. Ожидают при этом, что биоактивность и в целом фармакологическая картина последнего окажется улучшенной.

Семейство пенициллинов и цефалоспиринов. Антибиотик пенициллин G стал широко использоватся в медицине в период второй мировой войны. Послевоенные годы характеризуются бурным развитием работ по поиску его производных, более устойчивых к действию бета-лактамаз. Типичным примером может служить модификация структуры-лидера пенициллинов, а затем и цефалоспоринов по указанным выше стрелками радикалам (R), что позволило получить многочисленные новые препараты с улучшенными антибиотическими свойствами. Азетидиновый гетероцикл является ответственным за антибиотическое действие не только пенициллина и цефалоспорина (6, 7), но и целого ряда других антибиотиков (1-5):

Более устойчивыми к действию b-лактамаз являются цефалоспорины (7) - продукты метаболизма грибов Cephalosporinum. Они стали входить в медицинскую практику с 1960-х годов и к настоящему времени используется большое число природных и полусинтетических антибиотиков этой группы. Механизм их биодействия сходен с действием пенициллинов (ингибирование транспептидазы, участвующей в синтезе белковой оболочки патогенной бактерии). Структурно цефалоспорины подобны пенициллинам, но в них b-лактамное кольцо конденсировано с шестичленным тиазиновым циклом. Если цефалоспорины первого поколения, такие, как цефатриазин (35), цефазолин (36), цефалотин (44), цефалоридин (45) и др., эффективны против грамположительных бактерий, то представители второго поколения - цефаклор (37), цефуроксим (38) и др. подавляют некоторые грамотрицательные бактерии (кишечную палочку и др.). Цефотаксим (39) и цефтриаксон (40) входят в группу бактерицидов третьего поколения. Они обладают еще более широким диапазоном биодействия и оказываются эффективны при борьбе с продуцентами лактамрасщепляющих ферментов пенициллиназ и цефалоспориназ (в начале 1990-х годов цефалоспорины 37-40 занимали ведущие места на мировом фармацевтическом рынке). В настоящее время активно создаются цефалоспориновые антибиотики нового - четвертого поколения, которые не только высокоэффективны против большинства грамположительных и грамотрицательных бактерий, но и высокоустойчивы к лактамазам.

Антибиотики цефалоспориновой группы синтезируются на основе цефалоспорина С, получаемого ферментативным путем. В отличие от пенициллинов, в основном ядре которых допускается варьирование заместителей только по одному положению (6-аминогруппе), в случае цефалоспоринов возможны химические вариации как по 7-аминогруппе, так и по положению С-3.

Семейства стрептоцида и других сульфамидов.. Открытие в 1932 году антимикробных свойств у синтетического красителя 2’, 4’-диаминоазобензол-4-сульфамида («красный стрептоцид») впервые вызвало всеобщий интерес у исследователей к искусственно получаемым в лабораториях синтетическим биологически активным веществам. Но лидерным веществом оказался белый стрептоцид, так как именно он, являясь метаболитом красного стрептоцида проявлял антибиотические свойства. И уже к концу 30-х годов на основе стрептоцида-лидера были синтезированы первые группы кандидатов в ЛВ и самих ЛВ - сульфамидных препаратов с мощным антимикробным действием, что положило начало фармацевтическому промышленному синтезу во всём мире.

Модификации структуры проводились главным образом по двум аминогруппам и приводили к заметным изменениям фармакологической картины биодействия получаемых производных, что позволяло конкретизировать пути их применения (при инфекциях желудочно-кишечного тракта, мочевых путей, глазных и др. болезнях), улучшить их проникание в биожидкости, ткани, через клеточные мембраны, а также пролонгировать действие лекарственных веществ. Следует отметить, что перемещение в фармакофоре аминогруппы из положения 4 в положение 2 или 3, а также ее замена на любой безазотистый заместитель ведет к исчезновению биоактивности. Введение заместителей в сульфамоильную группу изменяет токсичность лекарственного вещества. Ниже представлена схема синтеза четырех лекарстенных веществ сульфаниламидной серии - сульгина (23), сульфадимезина (24), норсульфазола (25) и сульфафуразола (26), получаемых типичной конденсацией ароматического сульфонилхлорида 17 с различными аминными компонентами (19-22).

Ярким примером потенциальных возможностей эмпирического принципа химической модификации служит синтез таких производных сульфаниламидов, которые кроме основного антибактериального действия имели сильн выраженный побочный эффект. Изучение побочных эффектов сульфаниламидных антибиотиков и синтез их многочисленных структурных аналогов привели к открытию среди них диуретиков и антидиабетических средств. Так, нуклеофильным замещением одного из двух атомов хлора в кислоте (29) первичным амином (30) (региоселективность этой реакции диктуется, по-видимому, стерическими затруднениями, создаваемыми сульфамоильным заместителем) получен фуросемид (31), обладающий

диуретическими и антигипертензивными свойствами. Аналогичным биодействием обладает ряд дисульфамидов (например, 35 и 36), в которых вторая сульфамидная группа формирует тиадиазиновое ядро. Их синтезируют введением двух сульфамоильных групп действием хлорсульфоновой кислоты на мета-хлоранилин (32). Дисульфаниламид (33) затем нагревают в муравьиной кислоте, что приводит к N-формиланилину (34), который циклизуют при нагревании в бензо-1, 2, 4-тиадиазин (хлортиазид, 35). При его гидрировании над катализатором или с помощью натрийборогидрида в водно-щелочной среде получают другой диуретик - гидрохлортиазид (36). Установлено, что обязательным для диуретиков этого типа

является наличие сульфамидной группы при С-7 (в пара-положении к аминной группе, что роднит их структурно с антимикробными сульфаниламидами), а также присутствие хлора (или нитрогруппы, или трифторметильной группы) при С-6. Введение в положение С-3 циклоалкильного радикала заметно усиливает полезный биоэффект, а наличие заместителей при N-4 или С-8 полностью дезактивирует молекулу. Следует отметить, что сульфамиды 31, 35 и 36 нашли широкое применение в медицине.

В середине 50-х годов найдены аналоги сульфаниламидов, проявляющие гипогликемические (антидиабетические, сахароснижающие) свойства. К настоящему времени созданы и испытаны многие десятки тысяч подобных соединений и показана решающая роль арилсульфуреидного фармакофора для проявления указанного лечебного действия. Препараты (37-40) получают из алкил- и пиперидилалкилов (17а) через изоцианаты (37б). Например, карбутамид 37 синтезируют нагреванием н-бутилизоцианата с метилкарбанилатом фенилсульфонамида 18, а в случае синтеза толбутамида 38 - с тозилатом натрия. Аналогичным путем получают толазамид 39 и хлорпропамид 40.

Семейство морфина. Морфин (1)обладает мощным подавлением физического и психического ощущения сильной боли. Однако он вызывает ряд побочных эффектов- седативное действие, подавление рефлекса кашля, наркотическое действие, болезненное привыкание, головокружение и запоры. Кодеин (2) - более слабый анальгетик, и наряду с этилморфином (дионином, 3) применяется только в качестве противокашлевого средства или как пролекарство для обезболивания. Диацетилированное производное морфина (героин) - сильный наркотик, обладающий мощным эйфорическим действием. Его использование запрещено законодательно во всех странах.

. При отравлении морфином используют опиатный агонист-антагонист налорфин (4). Эти два вещества отличаются лишь заместителями при атоме азота. Налорфин снимает все эффекты морфина (антагонистическое действие) - эйфорию, тошноту, головокружение - и восстанавливает нормальное дыхание. Одно время его даже применяли в качестве антидота при отравлении наркотическими анальгетиками. В то же время налорфин обладает обезболивающим действием (как агонист морфина). Налорфин получают полусинтетически - деметилированием морфина бромцианом с последующим введением аллильной группы.

Мощными (и «чистыми») антагонистами морфиновых наркотиков являются налоксон (9), налмексон (10) и налтрексон (11). Замена в них аллильной группы при атоме азота циклопропилметильной приводит к получению вещества, проявляющего свойства агониста-антагониста (нальбуфин, 12). Его используют как антидот и как анальгетик.

Оксиморфон (8), который обладает в десять раз более сильным анальгетическим эффектом по сравнению с морфином. Этот наркотический анальгетик превращают затем в лекарственные вещества (9-12), используя защиту обоих гидроксилов (ацетилированием), удаление N-метильной группы (действием бромциана) и, наконец, N-алкилирование соответствующим галогеналкилом:

В медицине и ветеринарии сравнительно недавно нашли применение еще два структурных аналога морфина ‒ анальгетики опиоидного типа (13) и (14):

Отметим, что постоянное расширение круга анальгетиков опиоидного действия удаётся с конца 1940-х годов систематическим использованием основополагающего эмпирического принципа в стратегии синтеза новых ЛВ - модификации структуры-лидера, в данном случае алкалоидов группы морфина и тебаина.

В заключении данного раздела следует отметить, что в настоящее время стала ощущаться проблема истощения природных лидерных структур (алкалоидов и других веществ растительного происхождения, метаболитов почвенных и водных микроорганизмов – бактерий и грибов, и т.д.).