Jakie wyzwania stoją przed terapią bólu i stanu zapalnego?
Ból i stan zapalny to jedne z najczęstszych dolegliwości, z którymi pacjenci zgłaszają się do lekarzy. Międzynarodowe Towarzystwo Badania Bólu (IASP) definiuje ból jako nieprzyjemne doznanie, zarówno cielesne jak i ekspresyjne, bezpośrednio lub pośrednio związane z rzeczywistym lub potencjalnym uszkodzeniem tkanek. Stan zapalny jest naturalną odpowiedzią układu odpornościowego na uszkodzenie tkanek, obejmującą transfer białych krwinek z krwi do uszkodzonych komórek w celu ich naprawy. W procesie tym uczestniczą neutrofile i makrofagi, które uwalniają mediatory zapalne, takie jak reaktywne formy tlenu, prostaglandyny i cytokiny, zwiększając przepuszczalność naczyń i promując migrację leukocytów do miejsc zapalenia.
Niesteroidowe leki przeciwzapalne (NLPZ) są powszechnie stosowane jako pierwsza linia leczenia wielu chorób zapalnych oraz w celu uśmierzenia bólu. Jednak długotrwałe stosowanie NLPZ wiąże się z poważnymi skutkami ubocznymi, takimi jak krwawienia, dysfunkcja płytek krwi, toksyczność wątrobowa i nerkowa, owrzodzenia żołądkowo-jelitowe oraz toksyczność sercowo-naczyniowa. “Ograniczenia tradycyjnych NLPZ stanowią istotną barierę w długoterminowym leczeniu przewlekłych stanów zapalnych” – podkreślają autorzy badania.
Flurbiprofen (FBP), znany również jako kwas S-2-(4-fenylo-3-fluorofenylo)propanowy, jest nieselektywnym inhibitorem cyklooksygenazy (COX), działającym zarówno na COX-1, jak i COX-2. COX-1 jest konstytutywnie wyrażana w większości tkanek, odgrywając istotną rolę w procesach fizjologicznych, takich jak ochrona przewodu pokarmowego i agregacja płytek krwi. Z kolei COX-2 jest enzymem indukowanym, którego ekspresja wzrasta w odpowiedzi na bodźce zapalne. Flurbiprofen należy do pochodnych kwasu arylopropionowego, stanowiących najważniejszą klasę niesteroidowych leków przeciwzapalnych. Od czasu wprowadzenia na rynek europejski w 1977 roku, jest szeroko stosowany w leczeniu zapalenia stawów oraz innych stanów, takich jak zapalenie rogówki i spojówki, zapalenie dziąseł, dna moczanowa, migrena, zapalenie stawów oraz urazy tkanek miękkich.
Czy nowe pochodne flurbiprofenu mogą poprawić efektywność terapeutyczną?
Czy możliwe jest opracowanie leków przeciwzapalnych o podobnej skuteczności do flurbiprofenu, ale o mniejszej liczbie działań niepożądanych? Naukowcy postanowili odpowiedzieć na to pytanie, projektując pochodne flurbiprofenu zawierające pierścień oksadiazolu. Celem było połączenie korzystnych właściwości farmakologicznych pierścienia oksadiazolu i macierzystego NLPZ. Pierścień oksadiazolu może poprawić właściwości farmakokinetyczne związku, w tym rozpuszczalność, stabilność i wchłanianie, a także zwiększyć jego skuteczność terapeutyczną. Ponadto, selektywna aktywność inhibitorowa COX-2 pochodnych oksadiazolu może poprawić profil bezpieczeństwa związku, zmniejszając prawdopodobieństwo wystąpienia działań niepożądanych ze strony przewodu pokarmowego, które są powszechnie związane z NLPZ.
W ramach badania naukowcy przeprowadzili syntezę pochodnych flurbiprofenu zawierających pierścień oksadiazolu i ocenili ich potencjał przeciwzapalny. Strukturę syntetyzowanych pochodnych potwierdzono za pomocą szczegółowej analizy widm 1H-NMR, 13C-NMR i spektrometrii masowej. Wśród wszystkich pochodnych (2–10), sygnały dla grupy etylowej flurbiprofenu były konsekwentnie obserwowane. Proton metinowy -CH(CH3) pojawiał się jako kwartet w zakresie δ 4,31–4,59 ppm, a sąsiednie protony metylowe rezonowały jako dublet około δ 1,31–1,66 ppm. W widmach 13C-NMR, dwa czwartorzędowe atomy węgla pierścienia 1,3,4-oksadiazolu były potwierdzane przez charakterystyczne sygnały w regionie δ ~ 163–165 ppm i δ ~ 158–163 ppm.
Czy eksperymentalne wyniki potwierdzają potencjał nowych leków?
Aktywność przeciwzapalną in vivo każdej syntetyzowanej cząsteczki oceniano, mierząc reakcje fizjologiczne zwierząt na stresory termiczne i chemiczne. Aktywność badanych związków i standardu referencyjnego oceniano przed podaniem karagenanu. Następnie szczurom podawano bodziec zapalny, a wyniki oceniano po 30, 60 i 120 minutach. Obliczono procent hamowania obrzęku w porównaniu z grupą kontrolną z roztworem soli fizjologicznej. W serii, kilka z ocenianych związków, w tym związek 10 (83,33%), związek 3 (66,66%) i związek 5 (55,55%), wykazało doskonałą aktywność (zmniejszenie obrzęku). Podobnie, dwa związki 9 i 2 wykazały dobrą aktywność z odpowiednio 33,33% i 30,00% zmniejszeniem, podczas gdy cztery związki 7, 6, 8 i 4 przyczyniły się do najmniejszej aktywności z 26,66% do 3,33% zmniejszeniem obrzęku.
Analiza zależności struktura-aktywność (SAR) wykazała interesujące trendy. “Odkryliśmy, że obecność grupy nitrowej (elektroujemnej) w pozycji 2 na pierścieniu fenylowym przyłączonym do pierścienia oksadiazolu prawdopodobnie poprawia interfejsy wiązania z miejscem aktywnym COX-2” – wyjaśniają badacze. Związek 10, który wykazał najwyższą aktywność (83,33% zmniejszenia obrzęku), zawierał właśnie taką grupę. Podobnie, związek 3 wykazał silną aktywność (66,66%), z grupą nitrową umieszczoną w pozycji 4 na pierścieniu fenylowym przyłączonym do pierścienia oksadiazolu.
Główne wyzwania w terapii bólu i stanu zapalnego:
- Długotrwałe stosowanie NLPZ wiąże się z poważnymi skutkami ubocznymi:
– Toksyczność wątrobowa i nerkowa
– Owrzodzenia żołądkowo-jelitowe
– Toksyczność sercowo-naczyniowa
- Potrzeba opracowania leków o podobnej skuteczności ale mniejszej liczbie działań niepożądanych
- Konieczność poprawy właściwości farmakokinetycznych nowych związków
Jak nowe związki oddziałują z enzymem COX-2?
Aby lepiej zrozumieć mechanizm działania tych związków, przeprowadzono badania dokowania molekularnego. Badania te przeprowadzono wykorzystując strukturę krystaliczną COX-2 (kod pdb 3RR3). Protokół dokowania został przetestowany poprzez ponowne dokowanie ligandu flurbiprofenu, który był współkrystalizowany z COX-2, i porównanie jego konformacji z ligandem referencyjnym. Flurbiprofen tworzy interakcje hydrofobowe, poprzez fragment oksadiazolu, który jest osadzony w obszarze hydrofilowym His388, His386 i Gln203. Najaktywniejsze związki 10, 3, 5, 9, 2 i 7 wykazały wyższą wydajność wiązania w porównaniu do flurbiprofenu z ΔG= −7,54 Kcal/mol. Wyniki dokowania pokazały, że mogą one zajmować to samo miejsce wiązania co współkrystalizowany ligand (flurbiprofen) i dzielić z nim podobny sposób wiązania.
Najbardziej aktywny związek 10, z 83,33% zmniejszeniem stanu zapalnego, wykazuje znaczne powinowactwo wiązania, na co wskazuje zmiana energii swobodnej Gibbsa (ΔG) wynosząca −7,59 Kcal/mol. Sugeruje to silną i spontaniczną interakcję z kieszenią wiążącą. Stabilizacja jest osiągana poprzez serię interakcji niekowalencyjnych, które są kluczowe dla specyficzności i siły wiązania. Interakcje π-π, szczególnie między grupą fenylową fragmentu flurbiprofenu a pierścieniami imidazolowymi HIS386 i HIS207, a także między pierścieniem oksadiazolu a imidazolem HIS388, przyczyniają się do ogólnej stabilności związku w miejscu wiązania.
Czy właściwości farmakokinetyczne spełniają wymogi kliniczne?
Jakie są perspektywy kliniczne dla tych nowych związków? Właściwości fizykochemiczne i podobieństwo do leków badanych pochodnych obliczono za pomocą SwissADME i porównano ze standardowym inhibitorem indometacyną. Badania wykazały, że pochodne oksadiazolu wykazują pożądane cechy ADME. Wszystkie oksadiazole i flurbiprofen są zgodne z wytycznymi podobieństwa do leków (w tym naruszenia PAINS, Lipinskiego, Złotego Trójkąta, Ghose, Vebera, Egana i Muegge). Na podstawie tych ustaleń zostały one zatwierdzone jako unikalne kandydaci na leki.
Aby zapewnić prawidłowe krążenie ogólnoustrojowe, nowy lek musi przejść przez błony komórkowe jelita. Przepuszczalność leku oceniano za pomocą linii komórkowych ludzkiego gruczolakoraka okrężnicy (Caco-2). Zgodnie z regułą, związek docelowy z przewidywaną wartością > −5,15 log cm/s jest uważany za mający odpowiednią przepuszczalność Caco-2. Stosując to kryterium, stwierdzono, że badane oksadiazole i flurbiprofen mieszczą się w zakresie od −5,05 do −5,15 log cm/s, co wskazuje na prawie odpowiednią przepuszczalność Caco-2.
Czy te nowe związki mogą przełamać barierę krew-mózg? Aby przewidzieć wchłanianie żołądkowo-jelitowe i przepuszczalność mózgową, zastosowano podejście Brain or Intestinal Estimated Permeability (BOILED-Egg). Model ten opiera się na obliczeniach lipofilności i polarności małych cząsteczek. Oferuje szybką, prostą i powtarzalną metodę oceny właściwości farmakokinetycznych związków istotnych dla rozwoju leków. Białą część jajka (żółtko) reprezentuje strefę fizykochemiczną związaną z substancjami, które prawdopodobnie zostaną wchłonięte przez przewód pokarmowy. Z kolei żółty region symbolizuje barierę krew-mózg, krytyczną granicę, która reguluje wnikanie chemikaliów do mózgu. Związki 10, 3, 5, 9, 2 i 7 oraz flurbiprofen mają wysoką absorpcję żołądkowo-jelitową i wysoką przepuszczalność przez barierę krew-mózg.
Najważniejsze wyniki badań nad nowymi pochodnymi flurbiprofenu:
- Związek 10 wykazał najwyższą skuteczność przeciwzapalną (83,33% redukcji obrzęku)
- Nowe pochodne charakteryzują się:
– Dobrą przepuszczalnością jelitową
– Zdolnością do przekraczania bariery krew-mózg
– Korzystnymi właściwościami farmakokinetycznymi
- Obecność grupy nitrowej w pozycji 2 na pierścieniu fenylowym poprawia wiązanie z COX-2
- Wszystkie związki spełniają wymogi podobieństwa do leków
Czy analiza molekularna potwierdza siłę oddziaływań?
Badania orbitalnych molekuł granicznych (FMO) przeprowadzono za pomocą TD-DFT (wb97x-d3), metody znanej z dokładnych przewidywań właściwości molekularnych i geometrii fazy skondensowanej. Analiza FMO wskazuje, że rozkład gęstości elektronowej w HOMO jest głównie skoncentrowany nad oksadiazolami dla sześciu najbardziej aktywnych badanych pochodnych flurbiprofenu 10, 3, 5, 9, 2, 7 oraz na układzie π-sprzężonym dla pierścienia aromatycznego podstawników z (2-NO2-C6H4) dla 10, (4-NO2-C6H4-S) dla 3, (4-NO2-C6H4) dla 9, (C6H4) dla 7. Ponadto, orbital ten jest odwrócony dla związków 5 i 2, które przesunęły się, aby skoncentrować się nad układem aromatycznym flurbiprofenu.
Symulacje dynamiki molekularnej (MD) przeprowadzono na poziomie nanosekundy (ns) w celu walidacji i uzyskania jasnego zrozumienia interakcji ligand-białko, które wyłoniły się z wyników dokowania molekularnego. Interakcje między ligandami a białkami analizowano co 2 ns, ilustrując zmiany w sile wiązania między związkami 10, 3 i 5 a kompleksami białkowymi COX-2. Ujemne wartości dla energii swobodnych MM-PBSA wskazują na silniejsze interakcje wiązania. Mała rozbieżność dla MM-PBSA dla badanych kompleksów z oligopeptydazą w całej skali czasowej wskazywała na solidny kontakt między ligandem a szkieletem aminokwasowym, wskazując na silny wzór wiązania wodorowego.
Czy nowe pochodne flurbiprofen-oksadiazol przełamią dotychczasowe bariery leczenia?
Wyniki te mają istotne znaczenie kliniczne. Nowe pochodne flurbiprofen-oksadiazol wykazują obiecujące działanie przeciwzapalne i korzystny profil farmakokinetyczny. Mają potencjał do zastosowania w terapii stanów zapalnych, reumatoidalnych, bólu pourazowego czy pooperacyjnego. “Obiecujące wyniki inspirują do dalszych badań in vivo w celu oceny toksyczności, biodostępności i profili farmakokinetycznych potencjalnych pochodnych” – piszą autorzy badania. Optymalizacja zależności struktura-aktywność (SAR) może potencjalnie poprawić ich selektywność i skuteczność. Ponadto, odkrycie ich potencjału przeciwko innym szlakom i enzymom związanym z zapaleniem może rozszerzyć ich użyteczność terapeutyczną. Te wysiłki mogą utorować drogę do rozwoju bezpieczniejszych i skuteczniejszych leków przeciwzapalnych.
Czy nowe pochodne flurbiprofen-oksadiazol mogą zrewolucjonizować leczenie stanów zapalnych? Wyniki badań są obiecujące, ale potrzebne są dalsze badania kliniczne, aby w pełni ocenić ich potencjał terapeutyczny. Niemniej jednak, przedstawione badania stanowią ważny krok w kierunku opracowania bezpieczniejszych i skuteczniejszych leków przeciwzapalnych, które mogą poprawić jakość życia pacjentów cierpiących na przewlekły ból i stany zapalne.
Podsumowanie
Naukowcy opracowali nowe pochodne flurbiprofenu zawierające pierścień oksadiazolu w celu stworzenia skuteczniejszych i bezpieczniejszych leków przeciwzapalnych. Badania wykazały, że niektóre z nowych związków, szczególnie związek 10 (83,33% redukcji stanu zapalnego), wykazują znaczącą aktywność przeciwzapalną. Analiza molekularna potwierdziła silne wiązanie tych związków z enzymem COX-2, a badania farmakokinetyczne wykazały korzystne właściwości ADME, dobrą przepuszczalność jelitową i zdolność do przekraczania bariery krew-mózg. Nowe pochodne spełniają wymogi podobieństwa do leków i wykazują obiecujący potencjał w leczeniu stanów zapalnych, choć wymagają dalszych badań klinicznych dla pełnej oceny ich skuteczności i bezpieczeństwa.
