Ученые обнаружили молекулы с лекарственными свойствами среди инсектицидов

Заметив сходство двух ферментов, гиалуронат-синтазы и хитин-синтазы, ученые предположили, что ингибирующие синтез хитина инсектициды будут также препятствовать синтезу гиалуроната. Опубликованные в журнале Glycobiology исследования подтвердили эту гипотезу. Более того, инсектицид этоксазол, добавленный в корм мышей, препятствовал развитию фиброза печени у животных.

Гиалуроновая кислота, или гиалуронат, — важное для организма животных соединение, которое входит в состав соединительных тканей. Оно участвует в заживлении ран и других процессах. Человеческое тело на 0,02 процентов по массе состоит из гиалуроната. Он используется в медицине и косметологии, например в кремах, косметических инъекциях и глазных каплях. Организм естественным образом синтезирует это вещество при помощи фермента под названием гиалуронат-синтаза.

Роль гиалуроната в фиброзе печени

«Меняя концентрацию гиалуроната, можно влиять на многие процессы, в том числе регенерацию. Взять, например, клетки печени. У них большой потенциал для регенерации, поэтому они склонны отмирать при повреждении. На время, пока идет восстановление, „слоты“ для новых клеток „заштопываются“ соединительной тканью, для формирования которой нужен гиалуронат», — объясняет руководитель исследования, профессор Юрий Котелевцев из Сколтеха.

Когда механизм «заштопывания» выходит из-под контроля и гиалуроната слишком много, соединительная ткань не способствует восстановлению, а активно зарастает поврежденные участки, образуя шрамы. В случае с печенью это ведет к фиброзу и в конечном итоге — циррозу, неизлечимому заболеванию, которое требует трансплантации и существенно обременяет систему здравоохранения. Ранее группа Котелевцева показала, что фиброзу печени может противодействовать желчегонный препарат гимекромон («Одестон»), который ингибирует синтез гиалуроната в организме за счет действующего вещества 4MU.

Трудности с существующими лекарствами

До сих пор неясно, какой механизм позволяет гимекромону блокировать синтез гиалуроната. При этом фармкомпании неохотно вкладываются в исследование 4MU, поскольку эта молекула известна довольно давно, как желчегонное средство, и надежно защитить ее новое применение патентом будет трудно. Поэтому для создания противофиброзных лекарств требуется новое, более продвинутое соединение.

Как следствие, дальнейшее исследование механизмов подавления гиалуронат-синтазы требует внимания скорее со стороны академического, а не бизнес-сообщества. А наиболее перспективным соединением для коммерциализации будет молекула с новой структурой и более выраженным ингибирующим воздействием.

Альтернативные соединения

В своей работе ученые из Сколтеха и их коллеги измерили ингибирующее воздействие 13 веществ на гиалуронат-синтазу. В их числе хорошо известная молекула 4MU, девять родственных ей соединений, синтезированных украинскими химиками Игорем Красиловым и Викторией Москвиной, и еще три вещества из совсем иного класса, известного своими инсектицидными свойствами.

Коллектив проверил, при какой концентрации каждое из 13 веществ становится токсичным, и в дальнейшем не превышал этого порога при измерении их эффективности. В испытаниях на клеточной культуре 4MU уступил в эффективности одной из производных от него молекул, а исследованные инсектициды продемонстрировали сходную 4MU результативность. Один из них, этоксазол, ученые также испытали на мышах, подтвердив, что он имеет аналогичное 4MU противофиброзное действие.

«Стандартный подход — взять рабочую молекулу и вносить разные небольшие изменения в ее структуру в поисках более действенной модификации. Однако 4MU — совсем небольшая молекула, и, хотя мы испытали девять вариаций на тему, там не так уж и много возможностей для изменений. В связи с этим мы задумались о других соединениях», — рассказывает Котелевцев.

Александра Цитрина из Института Кольцова обратила внимание на то, что на первой стадии сборки гиалуроновой кислоты фермент синтезирует составную часть молекулы, которая также фигурирует в синтезе хитина — материала экзоскелетов насекомых и пауков.

«Так возникла мысль об инсектицидах: почему бы не рассмотреть соединения, которые препятствуют синтезу хитина и не проверить, будут ли они воздействовать и на гиалурон-синтазу? Оказалось, что да, некоторые будут. Теперь есть дополнительный класс веществ, среди которых можно искать ингибиторы синтеза гиалуроновой кислоты», — добавляет ученый.

Механизм действия

Механизм подавления гиалуронат-синтазы неизвестен как в случае с 4MU и родственными ей молекулами, так и для ингибиторов синтеза хитина. Однако, получив в свое распоряжение два разных типа соединений с одинаковым воздействием, ученые из Сколтеха сформулировали на этот счет гипотезу. Ранее занимающиеся инсектицидами генетики обнаружили точечную мутацию в хитин-синтазе, которая делает этот фермент невосприимчивым к трем инсектицидам-ингибиторам, рассмотренным группой из Сколтеха: этоксазолу, бупрофезину и трифлумурону.

«При помощи инструментов биоинформатики мы определили сравнительно короткую последовательность аминокислот в хитин-синтазе, где локализована мутация, ответственная за чувствительность к этоксазолу. Речь о пептиде в составе канала, который переносит собранные углеводы — хитин или гиалуронат — через клеточную мембрану. Возможно, и 4MU тоже воздействует на этот участок. Гипотеза нуждается в проверке», — пояснил Котелевцев.

По словам биолога, проверкой послужит внедрение в гиалуронат-синтазу такой точечной мутации, которая сделала бы ее невосприимчивой к инсектицидам. А для определения участка синтазы, подверженного воздействию 4MU могут помочь так называемые фотоафинные метки.

Выдвинутая ранее гипотеза объясняла подавление синтеза гиалуроновой кислоты так называемым истощением субстрата. «Но тогда неясно, почему мы наблюдаем ингибирование на низких, микромолярных концентрациях. Истощения субстрата можно ожидать на концентрациях в тысячу раз выше, при которых этот механизм, вероятно, и правда играет определяющую роль в подавлении гиалуронат-синтазы. Но не при наших концентрациях», — заключает ученый.

Пока же авторам работы удалось показать, что ингибиторы синтеза хитина, которые обычно используются для борьбы с вредителями, являются перспективными соединениями для понижения концентрации гиалуроновой кислоты и восстановления нормальной регенерации клеток пострадавшей от фиброза печени. Помимо этого заболевания, такие вещества могут оказаться полезными в борьбе с метаболическим синдромом и раком.

Сколтех

313 статей

Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.

Показать больше