Лекарственные средства, влияющие на синтез нуклеиновых кислот и белков.

Антибактериальные средства. Влияние на синтез НК и белков лежит в основе механизма дей­ствия таких антибиотиков как рифамицины, аминогликозиды, тетрациклины, макролиды и хлорамфеникол, а также производные хинолонкарбоновых кислот.

Рифамицин В — природный метаболит, выделенный из куль­туры Streptomyces mediterxanei. Он ингибирует ДНК-зависимую РНК-полимеразу, связываясь с ее b-субъединицей как у грамположительных, так и у грамотрицательных бактерий. Селективность действия рифамицинов у прокариот и эукариот обусловлена различиями в аминокислотной последовательности РНК-полимеразы.

Наибольшее распространение в медицине среди полусинтетических аналогов рифамицина В получил рифампицин. Он является одним из наиболее эффективных средств про­тив микобактерий туберкулеза и стафилококковых инфекций.

Ингибиторами синтеза белка на рибосомах являются аминогли­козиды (аминоциклитолы), тетрациклины, макролиды и хлорамфе­никол. Антибактериальное действие аминогликозидов и хлорамфеникола обусловлено их способностью избирательно взаимодействовать с рибосомами прокариотических клеток. Селективность связывания обеспечена различиями в белковых компонентах этих органелл у эука­риот и прокариот. Аминогликозиды взаимодействуют с малой субъе­диницей (30S), а хлорамфеникол — с большой (50S) субъединицей вблизи пептидилтрансферазного центра рибосомы, подавляя тем са­мым синтез белка у бактерий и не затрагивая биосинтез в клетках высших организмов.

Стрептомицин, выделенный из Streptomyces griseus в 1943 г., был вторым после пенициллина антибиотиком, эффективным в от­ношении широкого спектра бактерий, главным образом, грамотрица­тельных. В 50—60-е гг. он получил распространение как мощное про­тивотуберкулезное средство. В настоящее время применяется редко из-за большого количества побочных эффектов, а также по причине выявления в данном ряду новых более эффективных и менее токсич­ных веществ. Однако стрептомицин остается в арсенале средств борьбы с такими опасными инфекциями как бубонная чума и туляремия.

Гентамицин и канамицины являются химичес­ки более стабильными структурами, чем стрептомицин. Они устой­чивы в кислой и основной средах, а также к действию высокой тем­пературы, что позволяет изготавливать на их основе широкий набор препаратов Канамицин А, Канамицин В, Торбамицин, Амикацин.

Причина развития резистентности к антибиотикам этого ряда кро­ется в способности некоторых микроорганизмов N-ацетилировать, О-фосфорилировать или О-аденилировать функциональные группы, обеспечивающие связывание аминогликозидов с рибосомами. Решить эту проблему в определенной степени удалось благодаря созданию полу­синтетических производных — торбамицина и амикацина.

Хлорамфеникол (левомицетин) также является природным про­дуктом и первоначально (1947 г.) был выделен из культуры Streptomyces venezuela. Однако простое строение этого вещества позволило довольно быстро осуществить его синтез в промышленном масштабе. Хлорамфеникол нашел применение в лечении кишечных инфекций, менингита, бруцеллеза и др. Рацемат левомицетина используют наружно в виде синтомициновой эмульсии. Из-за неблагоприятных эффектов в отношении кроветворения хлорамфе­никол относят к антибиотикам резерва и применяют в основном при неэффективности других препаратов.

Тетрациклины по химическому строению являются высоко функционализованными частично гидрированными нафтаценами. Они проявляют амфотерные свойства и образуют трудно растворимые соли с Fe2+, Al3+, Mg2+, Qa2+. Образование последних приводит к существенному снижению активности тетрациклинов и накоплению их в виде каль­циевых солей в костной ткани при использовании в больших дозах в течение длительного времени. Первым в рассматриваемом ряду в 1948 г. был открыт хлортетрациклин. Получают тетрациклины фер­ментацией Streptomyces aureofaciens или Streptomyces rimosus и моди­фицируют синтетическим путем: тетрациклин, хлортетрациклин, миноциклин, санциклин, окситетрациклин, доксициклин, метациклин.

Антибиотики тетрациклинового ряда по частоте применения в ме­дицинской практике уступают лишь пенициллинам, но, в отличие от последних, их используют, главным образом, как пероральные средства в терапии пневмоний разной этиологии, инфекций верхних дыха­тельных путей, кишечника, мочеполовой системы, вызванных как грамположительными, так и грамотрицательными бактериями. Бактериостатическое действие тетрациклинов обусловлено их способ­ностью взаимодействовать с 30S, а по некоторым данным и 50S субъ­единицами в А-участках как прокариотических, так и эукариотических рибосом. Этим они препятствуют отбору аминоацил-тРНК в А-участке и блокируют пептидный синтез. Причины, по которым избирательно подавляется биосинтез именно у бактерий, окончательно не установ­лены. Одно из предположений состоит в том, что тетрациклины про­никают через мембраны клеток микроорганизмов таким же путем, как и пурины, т. е. бактерии ошибочно поглощают их как питательные ве­щества. В результате в клетках прокариот эти вещества накапливают­ся в токсических концентрациях гораздо быстрее, чем в клетках мле­копитающих. В то же время нельзя не отметить, что ингибирование биосинтеза белка (антианаболический эффект) было отмечено у чело­века при внутривенном введении тетрациклинов в больших дозах. Макролиды (типичными представителями являются метаболит Streptomyces erythreus — эритромицин и его полусинтетические аналоги) по спектру антибактериального действия близки к пенициллинам. По химическому строению они являются макроциклическими лактонами. В отличие от пенициллинов эти вещества кислотоустойчивы, благо­даря чему макролиды, главным образом в виде солей различных орга­нических кислот или гидрохлоридов, применяют перорально. По механизму действия эти ЛВ являются ингибиторами биосин­теза белка за счет блокирования транслокации аминоацил-тРНК на 50S субъединице рибосом. Эритромицин и его аналоги использу­ют для борьбы с инфекциями, устойчивыми к действию пеницилли­нов. Однако быстро развивающаяся резистентность микроорганиз­мов к этой группе антибиотиков ограничивает их применение. Чрезвычайно важной группой современных антибактериальных средств являются производные хинолонкарбоновых кислот, которые влияют на процессы транскрипции и репликации НК в прокариоти­ческих клетках. К первому поколению ЛС названного ря­да относят налидиксовую, оксолиниевую и пипемидиевую кислоты.

Они получили распространение в середине 60-гг. в терапии заболе­ваний, возбудителями которых являются грамотрицательные бактерии (кишечная, дизентерийная, брюшнотифозная палочки). Но в отноше­нии грамположительных микроорганизмов (стафилококки, стрептокок­ки, пневмококки) хинолонкарбоновые кислоты оказались неэффек­тивными. В настоящее время их применяют, главным образом, в качестве дезинфектантов мочевыводящих путей. Благодаря изучению широкого круга аналогов удалось установить, что наибольшей ак­тивностью обладают соединения, содержащие атом фтора в бензоль­ном кольце бициклической хинолиноновой системы. Первым фторхинолоном, получившим широкое медицинское применение в середине 80-х гг., стал норфлоксацин. Вслед за ним появились пефлоксацин, офлоксацин, ципрофлоксацин и ломефлоксацин.

По механизму действия препараты первого и второго поколе­ния являются ингибиторами топоизомераз (ДНК-гиразы и топоизомеразы IV) — Ф, поддерживающих сверхспиральную структуру ДНК бактериальной клетки, без чего невозможно нормальное осуществление процессов репликации и транскрипции. В грамот­рицательных микроорганизмах первичной мишенью является ДНК-гираза, вторичной — топоизомераза IV. Напротив, в грамположительных бактериях топоизомераза IV — первичная мишень. Фторхинолоны применяют при инфекциях мягких тканей и кожи, дыхательных путей, мочевыводящей системы, ПК, туберкулезе и мно­гих др. заболеваниях.

Противоопухолевые средства. Согласно современной классификации противоопухоле­вые (антинеопластические, антибластомные) средства подразделя­ются на:

· алкилирующие вещества — бис-(3-хлорэтил) - амины, этиленамины, алкилсульфонаты, нитрозомочевины, триазены;

· антиметаболиты — аналоги фолиевой кислоты, аналоги пуринов и пиримидинов;

· вещества природного происхождения — алкалоиды, антибиотики;

· гормональные средства и их аналоги;

· ферменты;

· препараты разных химических групп — производные метилгидразина, мочевины, антрацендионы, производные платины и др.

Среди вышеперечисленных средств непосредственное воздействие на НК оказывают алкилирующие агенты, антибиотики, производ­ные платины, антрацендионы и акридины. Антиметаболиты — ана­логи пуринов и пиримидинов — нарушают синтез ДНК и РНК, блокируя включение в их структуру соответствующих азотистых оснований.

Вещества алкилирующего типа взаимодействуют с нуклеофильными центрами азотистых оснований ДНК, тем самым, блокируя ее репликацию. Сшивка двух цепей ДНК происходит по остаткам гуа­нина. В результате нарушается способность клеток к делению. Особенно выраженный цитостатический эффект проявляется в отношении быстро пролиферирующих (размножающихся) клеток. К группе алкилирующих средств принадлежат производные бис-(Р-хлор-этил)амина: сарколизин, эмбихин, циклофосфан, допан, хлорбутин; этиленимины: тиофосфамид, бензотэф; алкилсульфонат — миелосан. Главной мишенью N-нитрозаминов — ломустина и кармустина — также является ДНК.

Наличие в их структуре N-нитрозогруппы в а-положении по отношению к карбонильной группе в значительной степени повышает электрофильные свойства последней. Сшивка цепей НК происходит в результате взаимодействия промежуточного алкилирующего агента с соседними нуклеофильными ком­понентами ДНК. Ингибирование репликации ДНК возможно и в результате карбамоилирования под действием изоцианата. Нитрозамины способны выступать донорами N0, что также сказывается на противо­опухолевой активности этих веществ.

Свойства метилирующего агента проявляет дакарбазин. В результате его микросомального окисления и дезалкилирования об­разуется электрофильная частица CH3N2+, которая алкилирует азотис­тые основания НК.

К антиметаболитам — аналогам пуринов — относятся 6-меркап-топурин и тиогуанин, а также аналоги пиримидинов — фторурацил, фторафур и цитарабин.

Механизм цитостатического действия этих веществ обусловлен нарушением синтеза ДНК и РНК путем блокады включения в их структуру соответствующих пуриновых и пиримидиновых оснований. Они способны необ­ратимо связывать тимидилатсинтетазу. Однако, кроме ингибирования названного Ф, эти соединения замещают истинные метаболиты в структуре НК, что приводит к замедлению деления опухолевых кле­ток. К сожалению, таким же образом эти препараты действуют и на здоровые клетки, в особенности на быстро делящиеся клетки костно­го мозга и кишечного эпителия.

Противоопухолевые антибиотики в большинстве случаев являют­ся природными соединениями и продуцируются различными видами актиномицетов. Далеко не все такие вещества токсичны только для опухолевых клеток, однако в связи с тем, что они, как правило, дей­ствуют на механизм репликации, быстро делящиеся опухолевые клетки поражаются ими в большей степени, чем обычные. Антибластомным эффектом обладают митомицин С, блеомицин, доксорубицин, рубомицин, дактиномицин, антрамицин.

Митомицин С был выделен в середине 50-х гг. из культуры Streptomyces verticillatus, а в начале 70-х гг. получен синтетическим пу­тем. Этот антибиотик проявляет свойства алкилирующего аген­та и одновременно является источником пероксидных радикалов, также нарушающих структуру ДНК. Видовая чувствительность опухолей к этому антибиотику объяс­няется, вероятно, различиями в способности клеток разных опухолей репарировать поврежденную ДНК или нейтрализовать алкилирующие агенты.

Блеомицины — группа антибиотиков, также продуцируемых Streptomyces verticillatus. По химическому строению это гликопептиды, содержащие в структуре два тиазольных, имидазольный и аминопиримидиновый циклы. Эти вещества ингибируют ДНК-лигазу, в результате чего в ДНК возникают разрывы. Антрациклины — важнейший класс антибластомных средств, об­ладающих политропным действием. Наиболее известными антрациклиновыми антибиотиками являются даунорубицин и доксорубицин.

Эти вещества встраиваются в ДНК за счет образования ионной свя­зи между аминогруппой гексозного фрагмента и фосфатным остатком в НК, при этом плоская антрахиноновая система размещается между парами оснований в двойной спирали. В результате такого встраивания в двойную спираль — интеркаляции — снижается степень скрученности ДНК и прекращается ее репликация. Доксорубицин ингибирует также ДНК- и РНК-полимеразы. Кроме того, антрациклиновые антибиотики активируют супероксиддисмутазу и способствуют продукции свободных радикалов в клетках благодаря одно- и двухэлектронному восстановле­нию в семихинон и гидрохинон соответственно. При окислении 02 эти соединения образуют супероксид, перекись водорода и гидроксильный радикал, которые вносят свой вклад в реализацию противоопухолевого эффекта химиотерапевтических средств данного ряда.

Среди производных антрацена выраженным антибластомным дей­ствием обладают митоксантрон и бисантрен.

Сходство этих структур с антрациклиновыми антибиотиками дает основания предполагать, что их противоопухолевый эффект обусловлен интеркаляцией ДНК. Однако в настоящее время это предполо­жение окончательно не доказано. Известно, что митоксантрон свя­зывается с гуаниновыми фрагментами в ДНК и обладает свойствами индуктора свободных радикалов, повреждающих цепи НК.

Способность к интеркаляции лежит в основе антинеопдастического действия дактиномицина (актиномицина D). Это вещество открыто в культуре Streptomyces parvulus в середине 40-х гг. и вскоре было получено синтетическим путем. Он способен встраиваться в структуру ДНК. В отличие от рассмотренных выше случаев интеркаляции, связыва­ние дактиномицина обратимо. Однако образовавшийся комплекс дис­социирует очень медленно, в результате оказываются блокированными РНК-полимераза и биосинтез белка. Первоначально это вещество испытывали в качестве антимикробного средства, однако из-за высо­кой токсичности оно не получило клинического применения. В сере­дине 50-х гг. его с успехом стали применять для лечения онкологи­ческих заболеваний. На сегодняшний день дактиномицин является одним из наиболее широко изученных антибластомных средств.

Антрамицин также является продуктом природного про­исхождения, однако имеет достаточно простую структуру пирролобенздиазепина, в составе которой есть высоко реакционноспособный карбиноламинный фрагмент. Антрамицин ковалентно связывается с гуанином и тем самым подавляет синтез НК.

Препараты платины - цисплатин, платан и карбоплатин — появились в середине 70-х гг.

Главной мишенью для комплексов платины являются пуриновые и пиримидиновые основания ДНК. При этом не затрагиваются ни фосфорные, ни дезоксирибозные остатки. Препараты этой группы не влияют на синтез РНК и белков и действуют одинаково эффективно как на стадии активного синтеза ДНК в клетке, так и на стадии митоза. Цитотоксическим эффектом обладают только цис-производные платины.

В заключении следует отметить, что все рассмотренные ЛВ являются высокотоксичными соединениями. Их общий недостаток - низкая избирательность действия. Антибластомные сред­ства алкилирующего типа, антиметаболиты, интеркаляторы НК и др. повреждают мишени не только в клетках, пораженных опухолевым процессом, но и в нормально функционирующих, т.е. проявляют свойства канцерогенов. В связи с этим поиск новых низкотоксичных и высокоселективных средств чрезвычайно актуален. В настоящее вре­мя в связи с такими достижениями в области молекулярной генетики как расшифровка генома человека, открываются перспективы для выяснения тонких механизмов регуляции роста клеток. Так, установлено что одним из факторов, предотвращающим их неограниченный рост, является специфическая генетическая программа определяю­щая конечное число делений, которое может претерпеть данная клетка. По достижении этого числа делений клетки претерпевают слож­ную систему деградации, которая получила название апоптоз. Очевидно, нарушения в такой программе должны приводить к нео­граниченному росту клеток, что свидетельствует о возникновении опухолевого процесса. Понимание механизмов апоптоза способно многое изменить в поиске антибластомных средств.

Противовирусные средства. Вирусы - неклеточные структуры, содержащие НК в белковой оболочке - капсиде. Различают ДНК- и РНК-содержащие вирусы.

Процесс инфицирования, посредством которого рассматриваемые неклеточные образования внедряются в клетку-хозяина и «настраива­ют» ее метаболический аппарат на воспроизведение вирионов (полно­стью сформированных вирусных частиц), протекает в несколько эта­пов. Первый этап — адсорбция вируса на специфических рецепторных участках клеточной поверхности, которые распознаются особыми выступающими частями вириона и к которым он прочно прикрепля­ется. Второй этап — проникновение вирусной ДНК или РНК в клет­ку-хозяина — происходит у разных вирусов по-разному. Вирусы, пора­жающие животных и человека, переносят НК в результате слияния наружного слоя вириона с клеточной мембраной. При этом НК попа­дает в клетку вместе с непосредственно прилегающими к ней белками, последующее освобождение от них происходит ферментативным путем.

Транскрипция и репликация генетического материала вируса осуществляются обычно с участием Ф клетки-хозяина. Сначала ви­русная ДНК копируется РНК-полимеразами клетки-хозяина, в ре­зультате чего образуется мРНК, которая затем транслируется. При этом транскрипция и репликация могут происходить как в ядре (на­пример, у вируса герпеса), так и в цитоплазме (например, у поксвирусов). Трансляция вирусной мРНК на рибосомах клетки-хозяина приводит к образованию вирусных белков.

Сборка вируса и его компонентов обычно происходит спонтанно, но может зависеть от участия вспомогательных белков. Вирусная ДНК покрывается капсидом. Последний, в свою очередь, может включать­ся в мембранную структуру, получаемую вирионом от клетки-хозяина.

РНК-содержащие вирусы, поражающие человека и животных, могут быть как одно-, так и двухцепочечными. Одноцепочечные ви­русы принято разделять на два типа: с «плюс»-цепью и «минус»-цепью. У неклеточных структур первого типа РНК может функциони­ровать в клетке хозяина как мРНК, тогда как у структур второго типа на «минус»-цепи должна сначала с помощью клеточных РНК-полимераз образоваться «плюс»-цепь.Примером вируса с «минус»-одноцепочечной РНК является вирус грип­па, имеющий оболочку и спиральную сердцевину. Основные белки обо­лочки — гемагглютинин и нейраминидаза. Сердцевина состоит из восьми сегментов «минус»-РНК, которые в комплексе с белками образуют спи­ралевидные структуры. Каждый сегмент кодирует один из белков вируса. Инфекционный процесс начинается с прикрепления вируса к поверхно­сти клетки хозяина через гемагглютинин. Происходит слияние оболочки с клеточной мембраной, нуклеокапсид входит в клетку и кодируемая ви­русом РНК-зависимая РНК-полимераза синтезирует «плюс»-цепи мРНК на вирусных «минус»-цепях. После этого на рибосомах клетки-хозяина продуцируются вирусные белки. Репликация происходит в ядре, где с помощью вирусной РНК-полимеразы (у вируса гриппа таких ферментов три) образуются «минус»-цепи РНК. После того, как в ядро поступают нуклеокапсидные белки, происходит сборка нуклеокапсида, который за­тем проходит через цитоплазму, присоединяя при этом белки оболочки, и покидает клетку. В процессе отпочкования вириона от плазматической мембраны принимает участие нейраминидаза.

Совершенно иначе функционируют ретровирусы. Они являются «плюс»-одноцепочечными структурами. Почти все ретровирусы онкогенны. Их вирионы содержат РНК-зависимую ДНК-полимеразу (обратную транскриптазу), катализирующую обратную транскрипцию — синтез новых мо­лекул ДНК по программе, задаваемой вирусной РНК. С помощью этого Ф в инфицированной клетке собирается единственная одноцепочечная ДНК-копия вирусной РНК, которая при участии Ф хозяина превращается в двуцепочечную ДНК. По ходу обратной транскрипции в качестве проме­жуточных образований возникают гибридные ДНК-РНК-структуры, одна цепь которых происходит из РНК вириона, а другая — из продукта обрат­ной транскрипции. Постепенно вирионная РНК в этом гибриде разруша­ется, поскольку РНК-зависимой ДНК-полимеразе свойственна активность РНКазы Н, т. е. способность катализировать гидролиз полирибонуклеотидной цепи в составе РНК-ДНК-гибрида. По мере разрушения РНК синтезированная однонитевая ДНК становится матрицей для формирова­ния комплементарной ДНК-цепи. Полученная таким образом двухцепочечная ДНК встраивается при участии специальных рекомбинационных механизмов в ДНК хозяина, становясь частью хромосомы. В дальнейшем новые молекулы вирусной РНК и белков, необходимые для образования новых вирионов, производятся с участием общих систем транскрипции и трансляции клеток хозяина. В результате заражения ретровирусом меняет­ся характер роста клеток: он становится быстрым и менее зависимым от поступающих извне стимуляторов (таких как гормоны и факторы роста).

Проблема создания эффективных и безопасных противовирусных средств является одной из самых сложных в современной медицинс­кой химии и фармакологии. Сложность эта заключается в выявлении веществ, способных избирательно подавлять репродукцию вирусов, не затрагивая процессов жизнедеятельности клеток организма-хозяи­на. Противовирусный препарат должен воздействовать на какой-либо из этапов жизненного цикла вирусной инфекции:

· блокировать связывание вириона с определенными рецепторами на поверхности клеток и последующее проникновение в клетку путем дезинтеграции его оболочек;

· препятствовать транскрипции вирусного генома;

· ингибировать синтез специфических вирусных белков;

· подавлять активность вирус-специфических полимераз НК.

Строгая направленность действия — один из основных крите­риев в отборе веществ с противовирусной активностью. При этом биологическими мишенями являются вирусный геном, вирус-спе­цифичные ферменты (обратимые транскриптазы, протеазы, глюкозидазы). Вещества, тормозящие процесс дезинтеграции оболочки вируса и перенос его генетического материала в клетку хозяина, эффективны на начальных этапах развития инфекционного про­цесса. К ним относят производные адамантана (ремантадин и др.), которые применяют для профилактики и лечения начальной ста­дии гриппа.

Агентами, влияющими на репликацию вирусных НК, являются нуклеозиды и родственные им структуры. Так, галогенпроизводные тимидина эффективны в отношении ДНК-содержащих виру­сов. Наиболее известным препаратом этого ряда является идоксуридин (R = I), который под действием вирусной тимидинкиназы пре­вращается в трифосфат, ингибирующий клеточную ДНК-полимеразу. Кроме того, галогенпроизводные тимидина выступают его анти­метаболитами. Встраиваясь в ДНК, они подавляют синтез мРНК и ви­русных белков.

Видарабин получен из культуры Streptomyces antibiotycus. Он нарушает репликацию вирусной ДНК и эффективен в отно­шении вирусов герпеса различных типов. Основной недостаток видарабина — легкость дезаминирования в арабинозилгипоксантин под действием аденозиндезаминазы.