QSAR-анализ проникающей способности органических веществ относительно поверхности гематоэнцефалического барьера

Получены адекватные модели QSAR структура — log PS для органических соединений
 различных классов. Оценено относительное влияние различных физико-химических факторов и молекулярных фрагментов на проникающую способность молекул через гематоэнцефалический барьер. Отримано адекватнi моделi QSAR...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Доповіді НАН України
Date:2013
Main Authors: Косинская, А.П., Огниченко, Л.Н., Муатс, А., Кузьмина, А.В., Ларионов, В.Б., Кузьмин, В.Е.
Format: Article
Language:Russian
Published: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2013
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/85906
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:QSAR-анализ проникающей способности органических веществ относительно поверхности гематоэнцефалического барьера / А.П. Косинская, Л.Н. Огниченко, А. Муатс, А.В. Кузьмина, В.Б. Ларионов, В.Е. Кузьмин // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2013. — № 9. — С. 147–150. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860118755788455936
author Косинская, А.П.
Огниченко, Л.Н.
Муатс, А.
Кузьмина, А.В.
Ларионов, В.Б.
Кузьмин, В.Е.
author_facet Косинская, А.П.
Огниченко, Л.Н.
Муатс, А.
Кузьмина, А.В.
Ларионов, В.Б.
Кузьмин, В.Е.
citation_txt QSAR-анализ проникающей способности органических веществ относительно поверхности гематоэнцефалического барьера / А.П. Косинская, Л.Н. Огниченко, А. Муатс, А.В. Кузьмина, В.Б. Ларионов, В.Е. Кузьмин // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2013. — № 9. — С. 147–150. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Доповіді НАН України
description Получены адекватные модели QSAR структура — log PS для органических соединений
 различных классов. Оценено относительное влияние различных физико-химических факторов и молекулярных фрагментов на проникающую способность молекул через гематоэнцефалический барьер. Отримано адекватнi моделi QSAR структура — log PS для органiчних сполук рiзних класiв.
 Оцiнено вiдносний вплив рiзних фiзико-хiмiчних факторiв i молекулярних фрагментiв на
 проникну здатнiсть молекул через гематоенцефалiчний бар’єр. Valid and robust QSAR models with high predictive ability for the permeation surface-product (PS)
 are obtained, and the relative influence of physico-chemical parameters and molecular fragments
 on the blood-brain barrier permeability is calculated.
first_indexed 2025-12-07T17:37:48Z
format Article
fulltext УДК 541.64 А.П. Косинская, Л. Н. Огниченко, А. Муатс, А. В. Кузьмина, В.Б. Ларионов, В.Е. Кузьмин QSAR-анализ проникающей способности органических веществ относительно поверхности гематоэнцефалического барьера (Представлено академиком НАН Украины С.А. Андронати) Получены адекватные модели QSAR структура — logPS для органических соединений различных классов. Оценено относительное влияние различных физико-химических фак- торов и молекулярных фрагментов на проникающую способность молекул через гема- тоэнцефалический барьер. Из всех гистогематических барьеров (гематоплацентарный, гематоофтальмический и др.) наибольшее внимание в изучении строения, функционирования, изменения барьерных пока- зателей уделяется гематоэнцефалическому барьеру (ГЭБ). ГЭБ — физиологический барьер между кровеносной и центральной нервной системами. Главная функция ГЭБ — поддер- жание гомеостаза мозга; кроме того, он выполняет также функцию высокоселективного фильтра, через который из кровеносного русла в мозг поступают питательные вещества, а в обратном направлении выводятся продукты жизнедеятельности нервной ткани [1]. Для успешной терапии ряда заболеваний центральной нервной системы (ЦНС): (болезнь Альц- геймера, инсульты, опухоли мозга и др.) необходим быстрый и легкий доступ лекарственных средств из крови в мозг путем преодоления ГЭБ. Одним из параметров, характеризующих проникновение веществ через ГЭБ, является величина поверхности проникновения (permeability surface) — log PS, где P , см · с−1 — проницаемость капилляров; S, см2/г — площадь поверхности капилляров [2]. Применение теоретических методов (QSAR/QSPR) расчета величин, характеризующих проницаемость веществ через ГЭБ по структурам этих веществ, является достаточно актуальной задачей. Разработка новых препаратов для ЦНС более затруднительна, чем для лекарственных пре- паратов в целом, поскольку осуществить ее невозможно без изучения проницаемости ГЭБ. В настоящее время известно немного работ, посвященных оценке log PS методами QSAR, например [3]. Как правило, эти публикации базируются на частных примерах и малочис- ленных выборках, при этом модели QSAR не проверены на внешних тестовых выборках, кроме того, они не всегда интерпретируемы [4]. Целью настоящего сообщения было построение моделей QSAR с использованием симп- лексного подхода [5] и анализ влияния различных структурных факторов на проникновение веществ через ГЭБ для расширенной выборки данных по logPS. Фактически данная ра- бота — первое систематическое исследование влияния структуры соединений различных классов на параметр log PS. Отличительной ее особенностью является также верификация и интерпретация результатов. Объект исследования — выборка из 89 органических соединений с известным показа- телем log PS [4, 6]. Четырнадцать молекул из данного набора были отобраны в выборку © А.П. Косинская, Л.Н. Огниченко, А. Муатс, А.В. Кузьмина, В. Б. Ларионов, В. Е. Кузьмин, 2013 ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2013, №9 147 Таблица 1. Статистические характеристики моделей QSAR Модель Число дескрипторов R 2 Q 2 R 2 ts Sws Sts Y -Scrambling R 2 Y −scr Q 2 Y −scr 1 36 0,92 0,82 0,88 0,36 0,37 0,18± 0,02 0,08 ± 0,02 2 44 0,89 0,78 0,84 0,39 0,47 0,21± 0,03 0,10 ± 0,02 3 23 0,84 0,79 0,72 0,46 0,62 0,15± 0,02 0,04 ± 0,02 4 32 0,88 0,78 0,67 0,39 0,73 0,18± 0,02 0,08 ± 0,02 5 27 0,88 0,82 0,81 0,39 0,57 0,08± 0,02 0,08 ± 0,02 Консенсусная модель 0,91 — 0,78 — 0,55 — — Пр и м е ч а н и е . R2 — коэффициент детерминации для обучающей выборки; Q2 — коэффициент детерми- нации в условиях скользящего контроля (leave-one-out); R2 ts — коэффициент детерминации для тестовой выборки; Sts — стандартное отклонение для тестовой выборки; Sws — стандартное отклонение для обуча- ющей выборки; R2 Y -scr — коэффициент детерминации для процедуры Y-scrambling ; Q2 Y -scr — коэффициент кросс-валидации для процедуры Y-scrambling. для внешнего теста. Для этого молекулы были упорядочены, согласно значениям их log PS, и затем каждая шестая молекула в этом ряду была отобрана во внешний тест. Для выборки из оставшихся семидесяти пяти молекул была проведена процедура пятикратной внешней кросс-валидации [5]. Для расчета структурных дескрипторов использовали симплексное представление молекулярной структуры (СПМС). Основой для описания в методе СПМС являются симплексы — четырехатомные фрагменты фиксированного состава, структу- ры [5]. Для построения моделей были использованы 2D∗ связанные симплексы, атомы в ко- торых дифференцировали по типу, частичным зарядам, липофильности, поляризуемости, способности выступать донором/акцептором водородной связи, характеристикам вандер- ваальсовых взаимодействий [7–9]. Для установления связи структура — log PS применялся метод проекций на латентные структуры (PLS — Projection of Latent Structures) [10]. Для исключения возможности ло- жных корреляций использовалась процедура Y-scrambling — построение моделей методом случайного подбора коэффициентов [5]. В результате исследования получены адекватные модели QSAR с высокими статистичес- кими показателями (табл. 1). Для прогноза и интерпретации использовалась консенсусная модель как результат пятикратной кросс-валидации [5]. На основе анализа вошедших в кон- сенсусную модель структурных параметров было обнаружено, что проникновение веществ через ГЭБ в значительной степени обусловлено электростатическим фактором (32%). Ве- роятно, распределение зарядов на атомах существенно влияет на проникновение веществ через полярные зоны на поверхности ГЭБ. Гидрофобные параметры, природа атомов и ван- дерваальсовы взаимодействия играют также важную роль (22, 23 и 16% соответственно). Высокий вклад липофильности можно объяснить химической природой эндотелия, состо- ящего из фосфолипидов, что объясняет рост способности молекул преодолевать физиоло- гические барьеры с увеличением их липофильности. Вандерваальсовы взаимодействия по всей вероятности определяют ориентацию молекул гидрофобными центрами к поверхности эндотелия ГЭБ. В рамках симплексного подхода можно определить вклады различных молекулярных фрагментов в исследуемое свойство [5]. В результате такого анализа были выделены неко- торые фрагменты молекул, способствующие или препятствующие проникновению веществ через ГЭБ (табл. 2). Отрицательно влияет на проникающую способность молекул наличие ∗Учитывается только информация из структурных формул. 148 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2013, №9 Таблица 2. Молекулярные фрагменты, влияющие на величину logPS Повышающие logPS −F, −Cl, Alk, N(C2H5)2 Понижающие logPS −COOH, −NH2, −OH , , Таблица 3. Прогноз logPS для внешней тестовой выборки Название молекул logPS (эксперим.) Consensus Название молекул logPS (эксперим.) Consensus 3-Hydroxykynurenine −4,49 −4,32 L-Glycine −3,50 −3,70 Acomplia −1,60 −1,23 Iodoantipyrine −1,10 −2,09 Amantadine −2,71 −2,45 L-Leucine −4,08 −3,35 Bupropion −1,52 −1,88 Methotrexate −3,90 −4,66 Compound95005 −2,11 −1,72 Phenytoin −2,07 −2,75 Digoxin −4,30 −4,65 Risperidone −1,81 −1,73 Ethosuximide −2,47 −2,51 Theobromine −3,00 −3,25 R 2 ex.ts = 0,82 полярных групп, а также доноров водородной связи. В то же время наличие ароматических фрагментов, атомов галогенов, а также других фрагментов, повышающих липофильность молекулы, способствует росту их проникающей способности. Нами было проведено внешнее тестирование на четырнадцати молекулах. Полученные результаты свидетельствуют о высокой предсказательной способности консенсусной модели (R2 ex.ts = 0,82) (табл. 3). Таким образом, были получены адекватные и интерпретируемые модели QSAR с высо- кой прогнозирующей способностью параметра logPS, характеризующего способность моле- кул проникать через ГЭБ. Как прикладной аспект данной работы планируется реализация соответствующих моделей QSAR в виде экспертной системы для медицинских химиков и фармакологов, разрабатывающих лекарственные препараты для центральной нервной системы. 1. Pardridge W.M., Adenot M.A., Abraham M.H., Mayer U. The Blood-Brain Barrier and Drug Delivery to the CNS. – New York: Springer, 2001. – 247 p. 2. Dagenais C., Avdeef A., Tsinman O., Dudley A. P-Glycoprotein Deficient Mouse in situ Blood-Brain Barrier Permeability and its Prediction using an in combo PAMPA Model // Eur. J. Pharm. Sci. – 2009. – 38. – P. 121–137. 3. Xingrong Liu, Meihua Tu, Rebecca S. Kelly Development of a computational approach to predict blood- brain barrier permeability // Cuiping Chen. Drug. Metab. Dispos. – 2004. – 1. – P. 132–139. 4. Lanevskij K., Japertas P., Didziapetris R., Petrauskas A. Ionization-Specific prediction of Blood-Brain Permeability // J. Pharm. Sci. – 2009. – 1. – P. 122–134. 5. Kuz’min V.E., Artemenko A.G., Muratov E.N. et al. Virtual screening and molecular design based on hierarchical QSAR technology // In: Recent Advances in QSAR Studies / Eds. T. Puzyn, J. Leszczynski, M. Cronin. – London: Springer, 2010. – P. 127–176. 6. Murakami H., Takanaga, Matsuo H., Ohtani H., Sawada Y. Comparison of blood-brain barrier permeability in mice and rats using in situ brain perfusion technique // Am. J. Phys. Heart Circ. Physiol. – 2000. – 279. – P. 1022–1029. 7. Jolly, W. L., Perry W.B. Estimation of atomic charges by an electronegativity equalization procedure calibration with core binding energies // J. Am. Chem. Soc. – 1973. – 95. – P. 5442–5450. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2013, №9 149 8. Wang R., Fu Y., Lai L. A new atom-additive method for calculating partition coefficients // J. Chem. Inf. Comput. Sci. – 1997. – 37. – P. 615–621. 9. Иоффе Б. B. Рефрактометрические методы химии. – Ленинград: Химия, 1983. – 350 с. 10. Rännar S., Lindgren F., Geladi P., Wold S. A PLS Kernel Algorithm for Data Sets with Many Variables and Fewer objects. Part 1: Theory and Algorithm // J. Chemometrics. – 1994. – 8. – P. 111–125. Поступило в редакцию 15.02.2013Физико-химический институт им. А.В. Заболотного НАН Украины, Одесса Г. П. Косiнська, Л. М. Огнiченко, А. Муатс, А.В. Кузьмiна, В.Б. Ларiонов, В.Є. Кузьмiн QSAR-аналiз проникної здатностi органiчних сполук вiдносно поверхнi гематоенцефалiчного бар’єру Отримано адекватнi моделi QSAR структура — logPS для органiчних сполук рiзних класiв. Оцiнено вiдносний вплив рiзних фiзико-хiмiчних факторiв i молекулярних фрагментiв на проникну здатнiсть молекул через гематоенцефалiчний бар’єр. A.P. Kosinskaya, L. N. Ognichenko, A. Muats, A. V. Kuz’mina, V.B. Larionov, V. E. Kuz’min QSAR analysis of blood-brain barrier permeability for organic compounds Valid and robust QSAR models with high predictive ability for the permeation surface-product (PS) are obtained, and the relative influence of physico-chemical parameters and molecular fragments on the blood-brain barrier permeability is calculated. 150 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2013, №9
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-85906
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1025-6415
language Russian
last_indexed 2025-12-07T17:37:48Z
publishDate 2013
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format dspace
spelling Косинская, А.П.
Огниченко, Л.Н.
Муатс, А.
Кузьмина, А.В.
Ларионов, В.Б.
Кузьмин, В.Е.
2015-08-31T16:20:35Z
2015-08-31T16:20:35Z
2013
QSAR-анализ проникающей способности органических веществ относительно поверхности гематоэнцефалического барьера / А.П. Косинская, Л.Н. Огниченко, А. Муатс, А.В. Кузьмина, В.Б. Ларионов, В.Е. Кузьмин // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2013. — № 9. — С. 147–150. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
1025-6415
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/85906
541.64
Получены адекватные модели QSAR структура — log PS для органических соединений
 различных классов. Оценено относительное влияние различных физико-химических факторов и молекулярных фрагментов на проникающую способность молекул через гематоэнцефалический барьер.
Отримано адекватнi моделi QSAR структура — log PS для органiчних сполук рiзних класiв.
 Оцiнено вiдносний вплив рiзних фiзико-хiмiчних факторiв i молекулярних фрагментiв на
 проникну здатнiсть молекул через гематоенцефалiчний бар’єр.
Valid and robust QSAR models with high predictive ability for the permeation surface-product (PS)
 are obtained, and the relative influence of physico-chemical parameters and molecular fragments
 on the blood-brain barrier permeability is calculated.
ru
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Доповіді НАН України
Хімія
QSAR-анализ проникающей способности органических веществ относительно поверхности гематоэнцефалического барьера
QSAR-аналiз проникної здатностi органiчних сполук вiдносно поверхнi гематоенцефалiчного бар’єру
QSAR analysis of blood-brain barrier permeability for organic compounds
Article
published earlier
spellingShingle QSAR-анализ проникающей способности органических веществ относительно поверхности гематоэнцефалического барьера
Косинская, А.П.
Огниченко, Л.Н.
Муатс, А.
Кузьмина, А.В.
Ларионов, В.Б.
Кузьмин, В.Е.
Хімія
title QSAR-анализ проникающей способности органических веществ относительно поверхности гематоэнцефалического барьера
title_alt QSAR-аналiз проникної здатностi органiчних сполук вiдносно поверхнi гематоенцефалiчного бар’єру
QSAR analysis of blood-brain barrier permeability for organic compounds
title_full QSAR-анализ проникающей способности органических веществ относительно поверхности гематоэнцефалического барьера
title_fullStr QSAR-анализ проникающей способности органических веществ относительно поверхности гематоэнцефалического барьера
title_full_unstemmed QSAR-анализ проникающей способности органических веществ относительно поверхности гематоэнцефалического барьера
title_short QSAR-анализ проникающей способности органических веществ относительно поверхности гематоэнцефалического барьера
title_sort qsar-анализ проникающей способности органических веществ относительно поверхности гематоэнцефалического барьера
topic Хімія
topic_facet Хімія
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/85906
work_keys_str_mv AT kosinskaâap qsaranalizpronikaûŝeisposobnostiorganičeskihveŝestvotnositelʹnopoverhnostigematoéncefaličeskogobarʹera
AT ogničenkoln qsaranalizpronikaûŝeisposobnostiorganičeskihveŝestvotnositelʹnopoverhnostigematoéncefaličeskogobarʹera
AT muatsa qsaranalizpronikaûŝeisposobnostiorganičeskihveŝestvotnositelʹnopoverhnostigematoéncefaličeskogobarʹera
AT kuzʹminaav qsaranalizpronikaûŝeisposobnostiorganičeskihveŝestvotnositelʹnopoverhnostigematoéncefaličeskogobarʹera
AT larionovvb qsaranalizpronikaûŝeisposobnostiorganičeskihveŝestvotnositelʹnopoverhnostigematoéncefaličeskogobarʹera
AT kuzʹminve qsaranalizpronikaûŝeisposobnostiorganičeskihveŝestvotnositelʹnopoverhnostigematoéncefaličeskogobarʹera
AT kosinskaâap qsaranalizproniknoízdatnostiorganičnihspolukvidnosnopoverhnigematoencefaličnogobarêru
AT ogničenkoln qsaranalizproniknoízdatnostiorganičnihspolukvidnosnopoverhnigematoencefaličnogobarêru
AT muatsa qsaranalizproniknoízdatnostiorganičnihspolukvidnosnopoverhnigematoencefaličnogobarêru
AT kuzʹminaav qsaranalizproniknoízdatnostiorganičnihspolukvidnosnopoverhnigematoencefaličnogobarêru
AT larionovvb qsaranalizproniknoízdatnostiorganičnihspolukvidnosnopoverhnigematoencefaličnogobarêru
AT kuzʹminve qsaranalizproniknoízdatnostiorganičnihspolukvidnosnopoverhnigematoencefaličnogobarêru
AT kosinskaâap qsaranalysisofbloodbrainbarrierpermeabilityfororganiccompounds
AT ogničenkoln qsaranalysisofbloodbrainbarrierpermeabilityfororganiccompounds
AT muatsa qsaranalysisofbloodbrainbarrierpermeabilityfororganiccompounds
AT kuzʹminaav qsaranalysisofbloodbrainbarrierpermeabilityfororganiccompounds
AT larionovvb qsaranalysisofbloodbrainbarrierpermeabilityfororganiccompounds
AT kuzʹminve qsaranalysisofbloodbrainbarrierpermeabilityfororganiccompounds