Никотиновый агонист — это препарат, который имитирует действие ацетилхолина (ACh) на никотиновые ацетилхолиновые рецепторы (nAChR). nAChR назван так из-за его сродства к никотину.
Примерами являются никотин (по определению), ацетилхолин ( эндогенный агонист nAChR), холин , эпибатидин , лобелин , варениклин и цитизин . [1]
Никотин известен на протяжении столетий своим опьяняющим эффектом. Впервые он был выделен в 1828 году из табачного растения немецкими химиками Поссельтом и Рейманном. [2]
Открытие положительного влияния никотина на память животных было обнаружено в ходе исследований in vivo в середине 1980-х годов. Эти исследования открыли новую эру в изучении никотиновых ацетилхолиновых рецепторов (nAChR) и их стимуляции, но до этого основное внимание уделялось никотиновой зависимости. [3] [4] Разработка агонистов nAChR началась в начале 1990-х годов после открытия положительного влияния никотина. Некоторые исследования показали возможный вариант терапии в доклинических исследованиях. ABT-418 был одним из первых в серии агонистов nAChR, и он был разработан Abbott Labs . [4] ABT-418 показал значительное увеличение производительности отложенного сопоставления с образцом (DMTS) у половозрелых макак разных видов и полов. [5] ABT-418 также изучался как возможное средство лечения болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона и синдрома дефицита внимания и гиперактивности: эти эксперименты показали положительные результаты. [4]
Одним из первых активных соединений nAChR, помимо никотина, который был представлен на рынке в качестве лекарственного средства, был галантамин , растительный алкалоид , который действует как слабый ингибитор холинэстеразы (IC50 = 5 мкМ), а также как аллостерический сенсибилизатор для nAChR (EC50 = 50 нМ). [6]
В нервной системе человека никотиновые холинергические сигналы распространяются по всей системе, где нейротрансмиттер ацетилхолин (ACh) играет ключевую роль в активации лиганд-зависимых ионных каналов . [7] Холинергическая система является жизненно важным нервным путем, где холинергические нейроны синтезируют, хранят и высвобождают нейротрансмиттер ACh. Основными рецепторами, которые преобразуют сообщения ACh, являются холинергические мускариновые ацетилхолиновые рецепторы , нейрональные и мышечные nAChR. Если оглянуться на эволюционную историю, ACh считается старейшей молекулой-трансмиттером, которая появилась до нервной клетки. В нервной системе холинергическая стимуляция, опосредованная nAChR, контролирует такие пути, как высвобождение трансмиттеров и чувствительность клеток, что может влиять на физиологическую активность, включая сон, беспокойство, обработку боли и когнитивные функции. [8]
nAChR — это холинергические рецепторы, обнаруженные в центральной нервной системе (ЦНС), периферической нервной системе (ПНС) и скелетных мышцах. Эти рецепторы представляют собой лиганд-управляемые ионные каналы с сайтами связывания для ацетилхолина и других молекул. Когда ACh или другие агонисты связываются с рецепторами, это стабилизирует открытое состояние ионного канала, позволяя притоку катионов, таких как ионы калия, кальция и натрия. nAChR состоят из различных субъединиц, которые определяют четвертичную структуру рецептора, эти субъединицы — это α-субъединицы (α1−α10), β-субъединицы (β1−β4), одна δ-субъединица, одна γ-субъединица и одна ε-субъединица. nAChR могут быть как гетеромерными , так и гомомерными . Гетеромерные рецепторы, обнаруженные в центральной нервной системе, состоят из двух α-субъединиц и трех β-субъединиц с сайтом связывания на границе α и соседней субъединицы. Эти рецепторы содержат два сайта связывания на рецептор и имеют различное сродство к химическим веществам в зависимости от состава субъединиц. Оба сайта связывания работают вместе, и поэтому оба сайта должны быть заняты агонистом nAChR, чтобы могла произойти активация канала. [9] Было показано, что nAChR, содержащие субъединицы α2−α6 и β2−β4, имеют более высокое сродство к ACh, чем другие рецепторы. Гомомерные рецепторы содержат 5 идентичных субъединиц, они имеют 5 сайтов связывания, расположенных на границе между двумя соседними субъединицами. В 2000 году у людей были идентифицированы два гомомерных рецептора, рецепторы α7 и α8. [8] [10] [11] [12]
На гетеромерных nAChR есть два сайта связывания; для стабилизации открытой формы nAChR оба сайта связывания должны быть заняты агонистом, таким как никотин или ACh. [11]
Сайт связывания ACh nAChR состоит из шести петель, называемых A–F. Петли A, B и C сайта связывания являются частью субъединицы α и являются основными компонентами сайта связывания. Соседняя субъединица к субъединице α (γ, δ, ε или β) содержит петли D, E и F. [11]
α4β2 nAChRs содержат две субъединицы α4 и три субъединицы β2, поэтому у них есть два сайта связывания для ACh и других агонистов . α4β2 nAChRs составляют приблизительно 90% nAChRs в мозге человека, и при хроническом воздействии никотина или других агонистов никотина приводит к увеличению плотности рецепторов α4β2, что является противоположностью тому, что обычно происходит, когда другие рецепторы хронически подвергаются воздействию своих агонистов. Рецептор α4β2 широко изучался в отношении болезни Альцгеймера, а также никотиновой зависимости, и в 2009 году на рынке появилось несколько препаратов, которые нацелены конкретно на α4β2 nAChR. [13] [14]
Рецепторы α7 являются гомомерными нейронными ацетилхолиновыми рецепторами, состоящими из пяти субъединиц α7 и имеющими пять участков связывания ACh. Сообщалось, что аномалия в экспрессии рецепторов α7 влияет на прогрессирование таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера и шизофрения . Считается, что α7 не имеют такого же сродства к никотину, как гетеромерный рецептор, но вместо этого они показали большее сродство к альфа-бунгаротоксину , который является никотиновым антагонистом, обнаруженным в яде некоторых змей. Поэтому считается, что нацеливание на рецепторы α7 полезно при лечении болезни Альцгеймера и шизофрении. [9] [15]
nAChR обнаружены в нервно-мышечном соединении скелетных мышц. Было обнаружено два различных рецептора, один из которых в первую очередь обнаружен у взрослых и содержит две субъединицы α1, одну β1, одну ε и одну δ, другой обнаружен у плодов и содержит субъединицу γ вместо субъединицы ε. nAChR принимают участие в деполяризации мышечной концевой пластинки, увеличивая проницаемость катионов, что приводит к сокращению скелетных мышц. [16] nAChR, обнаруженные в системе скелетных мышц, имеют два сайта связывания ACh, один из которых находится на границе между субъединицами α1 и δ, а другой находится на границе между субъединицами α1 и γ или ε. Среди антагонистов nAChR, разработанных специально для нервно-мышечной системы, есть нервно-паралитические газы и другие яды, предназначенные для быстрого уничтожения людей или других животных и насекомых. [12]
ACh связывается с nAChR из-за разницы зарядов между молекулой и поверхностью рецептора. При связывании с nAChR ACh помещается в связывающий карман, образованный петлями A, B и C, которые принадлежат α-субъединице и соседней субъединице. Когда ACh помещается в связывающий карман, петли nAChR претерпевают движение, которое приводит к координации молекулы ACh в кармане, усиливая химические связи между молекулой и рецептором. После перемещения петель, которые принадлежат α-субъединице, иногда возможно, что молекула ACh образует связь, например, солевой мостик, с соседней субъединицей, еще больше усиливая связи между рецептором и ACh. [17]
Препараты, которые влияют на nAChR, обычно являются агонистами, частичными агонистами или антагонистами . [1] Однако некоторые агонисты nAChR, такие как никотин, действуют как деполяризующие агенты в зависимости от времени (секунды или минуты) относительно концентрации и подтипа nAChR. Хроническое воздействие некоторых агонистов может привести к длительной функциональной дезактивации в результате быстрой и стойкой десенсибилизации. Частичные агонисты nAChR были исследованы в качестве потенциальных агентов для прекращения курения; считается, что они связываются с nAChR и стимулируют высвобождение дофамина в меньших дозах, чем те, которые достигаются полными агонистами, и в отсутствие никотина. [18]
Отсутствие специфичности среди некоторых никотиновых агонистов - или неспецифических агонистов - хорошо документировано как фактор смешения для лечения заболеваний, которые требуют селективности для определенных подтипов nAChR. Было показано, что многие неспецифические агонисты - такие как ACh, никотин и эпибатидин - нацелены более чем на один подтип. [19] [20]
Разработка фармакофора , агониста nAChR, в 1970 году предположила, что его рецептор-связывающая активность зависит от наличия положительно заряженного атома азота и водородной связывающей способности, придаваемой либо карбонильной, либо нитрогруппой, т. е. карбонильным кислородом в ацетилхолине или азотом в ( S )-никотине. Недавние исследования выявили структурные и стереохимические элементы, ответственные за связывающую способность и силу фармакофора; наличие катионного центра и электроотрицательных атомов, способных образовывать водородные связи с центром пиридинового кольца в ( S )-никотине, обеспечивает большую связывающую способность, в то время как ( S ) -энантиомер в 10-100 раз более силен, чем его ( R )-конформер.
Азабициклическое кольцо эпибатидина также обеспечивает благоприятные стерические взаимодействия с рецептором nAChR из-за его специфического межазотного расстояния, N + -N, которое было предложено в качестве существенного фактора для сродства агониста, однако некоторые споры относительно его влияния остаются. Современные теории предполагают, что разница в 7-8 Å между точками, комплементарными протонированному атому азота и акцептору водородной связи, может усилить эффективность. Низкая электронная плотность вблизи протонированного азота и более высокая электронная плотность по направлению к пиридиновому кольцу благоприятны в протонированных никотиновых лигандах, содержащих пиридиновое кольцо.
Недавние исследования были сосредоточены на подтипах рецепторов α7 и α4β2 для разработки препаратов для лечения никотиновой зависимости и когнитивных нарушений, таких как болезнь Альцгеймера. [21]
Различные модели были использованы для проверки сродства агонистов nAChR к подтипам рецепторов путем идентификации молекул и их структур - т.е. составляющих групп и стерической конформации - которые обеспечивают большее сродство. Используя модель для подтипа мышечного рецептора nAChR (α1) 2 β1δγ, были получены следующие результаты:
где анатоксин имел самую высокую эффективность активности, а тубокураре самую низкую. Напротив, ацетилхолин индуцировал гораздо более длительное время открытия рецептора, однако анатоксин оказался более мощным. Эти результаты предполагают, что производные анатоксина могут улучшить понимание взаимосвязей структуры и активности (SAR) для мышечных nAChR. [22]
Сукцинилхолин хлорид , который является препаратом, который уже есть на рынке, является эфиром бисхолина и миорелаксантом короткого действия. Эфиры бисхолина являются соединениями, которые могут действовать как конкурентные агонисты на мышечных типах nAChR и использовались в исследованиях SAR. В модели Torpedo (α1) 2 β1δγ nAChR было показано, что эффективность агонистов эфиров бисхолина зависит от длины цепи, поскольку эффективность увеличивается с увеличением длины цепи. Эффективность, по-видимому, не зависит от длины цепи, поскольку наибольшая эффективность наблюдается у эфиров бисхолина с четырьмя-семью CH
2единиц и ниже для обоих меньше CH
2единиц и более. [23]
Объединение структурных элементов ACh и никотина, таким образом, уменьшая конформационную гибкость с циклопропановым кольцом, привело к открытию мощных и селективных лигандов α4β2 nAChR. Модуляция трех структурных элементов — линкера и замена либо аминогруппы, либо пиридинового кольца — может быть использована для определения влияния лигандов на мощность и селективность.
Факторы, которые ингибируют связывание, включают стерические препятствия в аминогруппе и/или насыщенных/ненасыщенных углеродных цепных линкерах - отсюда предпочтение короткоцепочечных эфирных линкеров. Повышенное сродство связывания часто достигается, если пиридиновое кольцо либо моно-, либо дизамещено галогенами. Замещение аминогруппы тремя различными амидами увеличило связывание; там, где метиламид имел наибольшее значение, другие замещенные амиды показали снижение сродства связывания из-за стерических препятствий и/или отсутствия метильной группы, что привело к потере гидрофобного взаимодействия. Стереохимия азота пиридина и/или пиридинового кольца, как стереоэлектронные эффекты, показывает положительные, хотя и тонкие эффекты на связывание с α4β2 nAChR. Лиганд пиридилового эфира с бромзамещенным пиридином и аминогруппой, замещенной метиламидом, показал самую высокую эффективность. [24]
Поиск селективных и мощных агонистов α7 nAChR привел к появлению ряда потенциальных кандидатов на роль лекарственных препаратов; например, SEN12333 / WAY-317538 и другие соединения с желаемыми фармакокинетическими профилями, для которых были предложены соотношения структура-активность, демонстрируют селективность в отношении α7 nAChR (по сравнению с α1, α3 и α4β2 nAChR). [15]
Оптимальный фармакофор агониста α7 nAChR включает в себя базовую часть, присоединенную через углеродную цепь, связанную через амидный мостик с ароматической частью. Амидный мостик может быть инвертирован без влияния на эффективность агониста. Биарильные группы проявляют большую эффективность, чем моноарильные группы, из-за наличия ароматической части и замещения биарильной арильной группы в положении 2; эффективность выше для агонистов с донором/акцептором H + на биарильной арильной группе. Большее количество акцепторов водородных связей , вероятно, снижает проницаемость через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) из-за полярной площади поверхности и должно учитываться при разработке агонистов, нацеленных на α7 nAChR. [15]
Различные циклические аминогруппы - например, арилпиперазин , пиперидин и морфолин - могут быть использованы в качестве основного фрагмента, при этом имея ограниченное влияние на агонистическую активность. Ациклические третичные амины вполне достаточны в качестве основных фрагментов, однако более крупные группы отрицательно влияют на переносимость из-за их стерических свойств. [15]
Многие производные хинуклидина , такие как амид хинуклидина, известны как агонисты α7 nAChR. Исследования SAR для амида хинуклидина выявили факторы, влияющие на эффективность и сродство этих агонистов. Предпочтительны пара -замещение кольца хинуклидина и 3-( R ) стереохимическая конфигурация. Повышенная активность наблюдается, когда 5-членное кольцо слито с ароматическим фрагментом. Дальнейшее усиление может быть достигнуто, если слитое кольцо поставляет электронный резонанс амидному карбонилу, тогда как активность снижается, если кольцо содержит доноры водородных связей.
Жесткость хинуклидина и ортогональность азотного мостика относительно амидного карбонила были предложены как важные для оптимального связывания. Стабильность хинуклидинамида - более мощного производного - в моделях крыс in vitro была низкой, однако добавление метильной группы в положение 2 на кольце хинуклидина значительно увеличило его стабильность. [25]
Разработка агонистов никотиновых ацетилхолиновых рецепторов началась в начале 1990-х годов после открытия положительного влияния никотина на память животных. [3] [4] С тех пор разработка агонистов никотиновых ацетилхолиновых рецепторов прошла долгий путь. Агонисты никотиновых ацетилхолиновых рецепторов привлекают все большее внимание как кандидаты на лекарственные средства для лечения множества расстройств центральной нервной системы, таких как болезнь Альцгеймера , шизофрения , синдром дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ) и никотиновая зависимость . [26] [27] Никотиновые ацетилхолиновые рецепторы — это рецепторы, обнаруженные в центральной нервной системе , периферической нервной системе и скелетных мышцах. Они представляют собой лиганд-зависимые ионные каналы с сайтами связывания для ацетилхолина, а также других агонистов . Когда агонисты связываются с рецептором, это стабилизирует открытое состояние ионного канала, позволяя приток катионов . [9]
В 2009 году на рынке насчитывалось не менее пяти препаратов, воздействующих на никотиновые ацетилхолиновые рецепторы.
Карбаматы хинуклидина | Амиды хинуклидина | Эфиры хинуклидина |
Действующее вещество | Название продукта | Химическое название | Лекарственная форма | Фармакодинамические свойства | Терапевтическое использование | Структура |
---|---|---|---|---|---|---|
Варениклина тартрат | Шампикс, Шантикс | 7,8,9,10-тетрагидро-6,10-метано-6H-пиразино[2,3-h][3]бензазепин [27] | Таблетка, покрытая пленочной оболочкой | Частичный агонист никотинового ацетилхолинового рецептора, подтип α 4 β 2 [28] | Лечение табачной зависимости [28] | |
Галантамина гидробромид | Реминил, Нивалин, Разадин и Разадин ER | 4a,5,9,10,11,12-гексагидро-3-метокси-11-метил-6H-бензофуро[3a,3,2-ef][2]-бензазепин-6-ол [29] | Капсула с замедленным высвобождением, таблетка с пленочным покрытием, раствор для приема внутрь | Ингибитор холинэстеразы и неконкурентный агонист никотинового ацетилхолинового рецептора [4] | Лечение деменции, вызванной болезнью Альцгеймера [30] | |
никотин | Nicorette , Nicotinell, Niquitin, Boots NicAssist, Commit, Habitrol, Nicoderm CQ, Nicotrol, Thrive | 3-[(2S)-1-метилпирролидин-2-ил]пиридин | Трансдермальный пластырь, жевательная резинка, ингалятор, назальный спрей, леденцы, микротаблетки, а также в естественном виде содержится в табаке. | Агонист никотиновых рецепторов [31] как ганглиозного типа , так и α 4 β 2 [32] | Лечение табачной зависимости [33] | |
Карбахол | Миостат | 2-[(аминокарбонил)окси]-N,N,N-триметилэтанаминий | Внутриглазной раствор | Холинергический агонист [34] | Лечение глаукомы | |
Суксаметония хлорид (сукцинилхолина хлорид) | Анектин, Квелицин, Суксаметония хлорид | 2,2'-[(1,4-диоксобутан-1,4-диил)бис(окси)]бис(N,N,N-триметилэтанамин) | Внутривенная или внутримышечная инъекция | Деполяризующий нервно-мышечный блокатор [35] | Миорелаксант короткого действия [36] | |
Эпибатидин | Не указано | 2-(6-хлорпиридин-3-ил)-7-азабицикло[2.2.1]гептан | Не указано | Агонист никотинового ацетилхолинового рецептора [37] | Не используется как лекарство |
Другие агонисты никотиновых рецепторов, хотя, как правило, имеющие ограниченное клиническое применение, включают:
Сравнение холинергических агонистов [38] | ||||
---|---|---|---|---|
Вещество | Специфичность рецептора | Гидролиз ацетилхолинэстеразой | Комментарии | |
мускариновый | никотиновый | |||
Холин | +++ | +++ | ++ | Незаменимое питательное вещество |
Ацетилхолин | +++ | +++ | +++ | Эндогенный лиганд |
Карбахол | ++ | +++ | - | Используется при лечении глаукомы |
Метахолин | +++ | + | ++ | |
Бетанехол | +++ | - | - | Используется при гипотонии мочевого пузыря и желудочно-кишечного тракта. |
Мускарин | +++ | - | - | Натуральный алкалоид, содержащийся в некоторых грибах. Причина отравления грибами |
никотин | - | +++ | - | Природный алкалоид, содержащийся в растении табака . |
Пилокарпин | ++ | - | - | Используется при глаукоме. |
Оксотреморин | ++ | - | - |
В настоящее время исследования агонистов никотиновых рецепторов и разработка лекарственных препаратов направлены на лечение множества заболеваний и расстройств ЦНС. [39]
У Targacept есть три препарата-кандидата, которые находятся на стадии клинических испытаний : AZD3480 (TC-1734) для лечения СДВГ, который в настоящее время проходит II фазу клинических испытаний, AZD1446 (TC-6683) для лечения болезни Альцгеймера в сотрудничестве с AstraZeneca и TC-5619 для лечения когнитивных дисфункций при шизофрении.
У Memory Pharmaceuticals совместно со своим партнером Roche есть один кандидат на препарат MEM 3454 (RG3487), частичный агонист никотинового рецептора α7 для лечения болезни Альцгеймера. [40] [41]
Abbott Laboratories в партнерстве с NeuroSearch проводят клинические испытания двух препаратов-кандидатов: ABT-894, селективный агонист никотиновых рецепторов α4β2, для лечения СДВГ, и ABT-560, нейрональный модулятор никотиновых рецепторов, который был выбран Abbott в 2006 году в качестве нового кандидата на разработку для лечения когнитивных дисфункций. [42]
У компании EnVivo Pharmaceuticals есть один кандидат на лекарственный препарат, проходящий клинические испытания, EVP-6124, селективный агонист никотиновых рецепторов α7 для лечения болезни Альцгеймера и шизофрении, и одно последующее соединение, EVP-4473, которое успешно завершило доклиническую разработку . [43]
Медиа, связанные с агонистами никотина на Wikimedia Commons