Badanie zależności pomiędzy strukturą i działaniem pochodnych

Badanie zależności pomiędzy strukturą i działaniem pochodnych

&ARM0RZEGL.AUK†
"ADANIEZALE˜NOuCIPOMIÃDZYSTRUKTUR’
IDZIAŒANIEMPOCHODNYCHBENZODIAZEPINY
#ZÃu¿)))0OCHODNEBENZODIAZEPINYDZIAŒAJ’CE
NARECEPTORBENZODIAZEPINOWY"$:†2
3TRUCTURE†!CTIVITY2ELATIONSHIPOF"ENZODIAZEPINE$ERIVATIVES0ART)))
"ENZODIAZEPINE$ERIVATIVESWITH"ENZODIAZEPINE†2ECEPTOR!FFINITIES
%L˜BIETA"RZEZIÊSKA0IOTR7ŒODNO
:AKŒAD#HEMII!NALITYCZNEJ+ATEDRA#HEMII-EDYCZNEJ
7YDZIAŒ&ARMACEUTYCZNY5NIWERSYTETU-EDYCZNEGOW|ODZI
Streszczenie
Przeprowadzono analizę ilościowej zależności pomiędzy
strukturą i działaniem (QSAR) 69 pochodnych 5-fenylo1,4-benzodiazepin-2-on działających na receptor benzodiazepinowy (BDZ-R). W analizie zastosowano parametry fizykochemiczne badanych związków obliczone z zastosowaniem metody pół-empirycznej PM3. Zastosowano
analizę regresji wielokrotnej (MR), analizę skupień (CA)
i analizę funkcji dyskryminacyjnej (DFA) w celu wyłonienia grupy zmiennych klasyfikujących pochodne benzodiazepiny zgodnie z poziomem ich aktywności biologicznej.
Dzięki zastosowaniu analizy MR ustalono istotną rolę
parametrów: V (objętość cząsteczki), HA (liczba wiązań
wodorowych), Md (moment dipolowy), halo, Cl, I (liczba podstawników halogenowych) i %PSA (powierzchnia
polarna cząsteczki) dla aktywności biologicznej badanych
związków. Istotne równanie regresji wieloczynnikowej
uzyskane w MR zawiera parametry użyte w metodach CA
i DFA. Analizy DFA i CA wykazały, że parametry: V, HA
i %PSA są odpowiedzialne za klasyfikację związków jako
silnie i słabo działające. Zdolność przekraczania bariery
krew-mózg odgrywa ważną rolę w tej klasyfikacji.
Abstract
A quantitative structure-activity relationship (QSAR)
analysis of 69 5-fenyl-1,4-benzodiazepin-2-one derivatives with benzodiazepine-receptor affinities was carried
out. The semi-empirical method PM3 was employed to
calculate a set of physicochemical parameters for investigated compounds. The Multiple Regression analysis
(MR), Cluster Analysis (CA), and Discriminant Function
Analysis (DFA) were employed to reduce dimensionality
and investigate which subset of variables is effective for
classifying the benzodiazepine derivatives according to
their biological activity degree. By using the MR we have
found the important role of the parameters: V (molecular
volume), HA (number of hydrogen bounds), Md (dipole
moment), halo, Cl, I (number of halogen substituents)
and %PSA (polar surface area) of investigated benzodiazepines for their activity. The relationship involved the
parameters used in CA and DFA methods. The DFA and
CA methods showed that the parameters V, HA and %PSA
are responsible for separation between compounds with
higher and lower activity. The blood-brain barrier permeability plays very important role in this classification.
Słowa kluczowe: ilościowa zależność pomiędzy struktura
i aktywnością; analiza regresji; analiza funkcji dyskryminacyjnej; analiza skupień; pochodne benzodiazepiny
Key words: quantitative structure-activity relationship;
regression, discriminant and cluster analysis, benzodiazepine derivatives
'˜ ւ
Podstawowe działanie benzodiazepin jest związane
z centralnym układem nerwowym, a najliczniejszą grupę
stanowią pochodne 1,4-benzodiazepiny. Stanowią one najważniejszą grupę leków uspokajających. Podstawowy mechanizm działania tych leków związany jest z istnieniem
specyficznych miejsc wiązania w obrębie receptorów GABAA-ergicznych. Określenie tych miejsc jako receptorów
benzodiazepinowych (BDZ-R) ma raczej charakter umowny
i może być uważana za błędną [1]. Działanie tych związków
polega na nasileniu hamujących funkcji GABA-ergicznych
neuronów. BDZ-R jest częścią receptora GABAA [2,3]. Ligandy tych miejsc wiążących mogą się różnić zdolnością do
aktywacji receptora. Do uzyskania działania przeciwlękowego potrzebna jest mniejsza całkowita aktywacja receptora
w porównaniu do aktywacji całkowitej receptora potrzebnej
do wywołania działania uspokajającego i miorelaksującego
[4]. Budowa chemiczna tych benzodiazepin charakteryzuje
się obecnością pierścienia heterocyklicznego skondensowa-
*Badania wykonano w ramach tematu badawczego finansowanego przez Uniwersytet Medyczny w Łodzi
Nr 502-13-626
COPYRIGHT‚'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO)33.†
nego jest z pierścieniem benzenowym podstawionym chlorem w położeniu C7. Pierwowzorem struktury jest pochodna
typu amidyny – chlordiazepoksyd. Natomiast wprowadzenie
w miejsce ugrupowania amidynowego struktury laktamowej
dało najbardziej reprezentatywne leki tej grupy, które można
traktować, jako analogi diazepamu. Obecność ugrupowania
N-metylowego w położeniu C2 chlordiazepoksydu prowadzi do powstania rozpuszczalnego w wodzie chlorowodorku. Grupę metylową przy atomie azotu ugrupowania laktamowego diazepamu, która warunkuje zwiększoną aktywność w porównaniu z analogami niepodstawionymi, można
zastąpić ugrupowaniem o podwyższonej lipofilowości, np.
cyklopropylometylowym (prazepam) lub trifluorometylowym (halazepam) [5]. Atom chloru w położeniu C7 w istotny sposób decyduje o właściwościach przeciwlękowych
i uspokajających. Jego zamiana na atom bromu nie wpływa
znacząco na profil aktywności farmakologicznej. Zamiana
atomu chloru w położeniu C7 na grupę nitrową powoduje
zasadniczą zmianę aktywności ośrodkowej. Leki pochodne
7-nitrodemetylodiazepamu: nitrazepam, klonazepam i flunitrazepam stosowane są jako środki o działaniu nasennym
i przeciwdrgawkowym. Do układu benzodiazepiny może
być dołączony trzeci pierścień heterocykliczny. Najczęściej
skutkuje to nasileniem działania nasennego. Mimo różnej
od pochodnych 1,4-benzodiazepiny budowy chemicznej,
1,5-benzodiazepiny wykazują podobny profil aktywności
biologicznej. Zwraca się uwagę na ich podobieństwo we
fragmencie N1, C2 i C3 do diazepamu (klobazam, triflubazam). Preparaty te działają silnie przeciwlękowo Jedynym
lekiem z grupy 2,3-benzodiazepiny jest tofizopam, który odbiega strukturalnie od pochodnych 1,4- i 1,5-benzodiazepin,
jego działanie farmakologiczne jest jednak zbliżone.
Przeprowadzono wiele analiz QSAR dotyczących pochodnych 1,4-benzodiazepiny o działaniu diazepamo-po-
dobnym. Na podstawie analiz [6,7] stwierdzono zależność
wprost proporcjonalną aktywności od lipofilowości (log P).
Podsumowaniem przeglądu analiz QSAR [8] może być potwierdzenie znaczenia cech hydrofobowych, które ujawnia
się zarówno w analizie in virto jak i in vivo. Znaczenie oddziaływań hydrofobowych dotyczy tradycyjnie podstawnika w pozycji C7. Ustalono również wartość optymalną log P
całych struktur (log P = 2,91(±0,38)). Równocześnie stwierdzono, że dla podstawników przy C7 i C2’(w pierścieniu
aromatycznym przy C5) istotniejsze są efekty steryczne niż
elektronowe wynikające z ich rodzaju. Można stwierdzić, że
największą rolę w oddziaływaniu z receptorem odgrywają
parametry steryczne oraz hydrofobowe. Widoczne są jednak również wpływy parametrów elektronowych [9]. Niejednoznaczność wyników w zakresie aktywności może być
spowodowana olbrzymią liczbą receptorów znajdujących
się w komórkach mózgowych stosowanych w pomiarach
aktywności benzodiazepin. Badania toksyczności benzodiazepin [10] wykazały, iż wzrastająca liczba podstawników
chlorowych powoduje spadek toksyczności, zwiększenie
liczby donorów wiązań wodorowych powoduje wzrost toksyczności.
Niniejsza praca dotyczy badania grupy 69 pochodnych
5-fenylo-1,4-benzodiazepin-2-onu dla ustalenia charakterystyki wymagań strukturalnych BDZ o działaniu diazepamopodobnym. Dane strukturalne i o aktywności biologicznej
związków zgromadzono na podstawie bibliografii [8].
- R–l-t¬ŸlŸuR |J¬
Analizowane w pracy BDZ należą do grupy pochodnych 5-fenylo-1,4-benzodiazepin-2-onu. Do badań przyjęto
69 związków (G1-G69) pochodzących z bibliografii [8].
Strukturę pochodnych i aktywność podano w Tabeli 1.
Tabela 1. Struktura badanych pochodnych 1,4-benzodiazepin-2-onu G1-G69 [8]
R7
R1
O
N
R6
R2
R5
N
R4
związki
G1
G2
G3
G4
G5
G6
G7
G8
G9
G10
G11
G12
G13
G14
G15
G16
G17
R3
R1
CH3
C(CH3)3
CH3
CH3
CH2OCH3
R2
OCON(CH3)2
R3
R4
F
CH3
R5
Cl
Cl
NH2
NHCONHCH3
NO2
NH2
CN
NHOH
R6
Cl
C(CH3)3
CH3
CH3
CH2CHOHCH2OH
CH2C3H5
CH3
CH2CCH
Cl
F
F
F
F
NO2
Cl
CH3
Cl
Cl
CH3
Cl
Cl
NHOH
Cl
R7
log1/C
6,05
6,21
6,34
6,34
6,37
6,41
6,42
6,45
6,49
6,52
6,52
6,77
6,82
6,85
6,96
7,02
7,03
&ARM0RZEGL.AUK
G18
G19
G20
G21
G22
G23
CH2CF3
Cl
NH2
F
CH3
(CH2)2OCH2CONH2
F
CH3
F
Cl
F
7,37
7,40
7,40
7,43
7,43
7,44
7,52
7,55
7,61
7,62
7,68
7,72
7,72
7,74
7,74
7,77
7,79
7,85
7,99
8,03
8,09
8,13
8,15
8,15
8,26
8,27
8,29
8,39
8,41
8,41
8,42
8,42
8,44
8,45
8,46
8,52
8,54
8,62
8,66
8,70
8,74
8,74
8,79
8,82
8,92
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
F
F
F
CH3
CH2CH2OH
F
F
F
F
C2H5
CN
F
Cl
CHCH2
F
CH3
COCH3
Cl
F
Cl
OH
CH3
CH3
CH3
OH
F
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
F
Cl
F
Cl
F
F
F
H
Cl
F
Cl
F
CF3
F
Cl
F
F
Cl
F
Cl
Cl
F
F
Cl
Dane o właściwościach fizykochemicznych związków
G1-G69 ustalono metodami obliczeniowymi z zastosowaniem metod pół-empirycznych. Podstawą badania właściwości były struktury związków w minimum energetycznym
(po optymalizacji geometrycznej metodą PM3 bez przeglądu konformacji). Związki opisano zbiorem zmiennych zgromadzonych za pomocą programów HyperChem 7.1, ACDLabs 8.0 (logD i pK): log P - lipofilowość, %PSA – odsetek
powierzchni o charakterze polarnym, N-N – odległość po-
7,37
Cl
G24
G25
G26
G27
G28
G29
G30
G31
G32
G33
G34
G35
G36
G37
G38
G39
G40
G41
G42
G43
G44
G45
G46
G47
G48
G49
G50
G51
G52
G53
G54
G55
G56
G57
G58
G59
G60
G61
G62
G63
G64
G65
G66
G67
G68
G69
CHO
F
CH3
CH3
CH3
Cl
NH2
Cl
7,04
7,12
7,14
7,15
7,19
7,31
Cl
Cl
F
F
F
F
NO2
Cl
Cl
F
Cl
NO2
Cl
N3
F
Cl
Cl
Cl
NO2
Cl
NO2
Cl
Cl
I
Br
NO2
Cl
Cl
NO2
Cl
NO2
NO2
CH3
Cl
między atomami azotu BDZ, HD i HA – liczba donorów
i akceptorów wiązań wodorowych, Q1 i Q2 – ładunek elektryczny na N1 i N4 BDZ, V – objętość cząsteczki, Cl, F,
I – liczba atomów chlorowca, P – polaryzowalność objętościowa, S – pole powierzchni, M – masa cząsteczkowa,
Md – moment dipolowy, eH i eL – energia orbitali HOMO
i LUMO, B1 i B2 – wskaźnik przenikania BBB, log D
– współczynnik dystrybucji We wszystkich poniższych analizach wykorzystano dane o aktywności biologicznej w po-
COPYRIGHT‚'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO)33.†
staci zahamowania przyłączenia [3H]diazepamu do BDZ-R
(log 1/C), pochodzące z pracy źródłowej [8] (dane surowe
przedstawiono w Tabeli 2.).
Analizę statystyczną przeprowadzono z zastosowaniem programu STATISTICA 7.1, metodami: regresji wielokrotnej (MR); analizy skupień (CA) metodą grupowania
k-średnich; analizy funkcji dyskryminacyjnej (DFA).
Tabela 2. Wartości parametrów fizykochemicznych (dane surowe) dla związków G1-G69
związki log1/C
S
V
logP
P
M
HD
HA
Q1
Q2
G1
6,05
360,25
321,83
3,50
38,54
371,82
0
6
0,01
-0,20
G2
6,21
333,52
299,87
3,84
34,46
326,83
0
3
-0,01
-0,11
G3
6,34
282,60
247,66
1,71
30,38
265,31
2
4
0,01
-0,11
G4
6,34
338,04
297,08
1,45
35,40
340,36
0
3
0,02
-0,11
G5
6,37
319,28
279,85
-1,22
33,34
325,32
0
7
0,03
-0,07
G6
6,41
260,77
229,95
1,46
28,55
251,29
3
4
0,04
-0,12
G7
6,42
283,71
253,83
2,53
30,88
275,31
0
4
0,02
-0,12
G8
6,45
246,85
218,82
2,24
27,20
236,27
1
3
0,04
-0,12
G9
6,49
258,95
232,46
2,76
29,12
270,72
1
3
0,04
-0,12
G10
6,52
354,19
318,09
-0,07
38,31
371,82
0
6
-0,02
-0,11
G11
6,52
296,03
266,40
3,67
32,80
337,18
0
3
0,02
-0,11
G12
6,77
279,06
251,23
3,18
30,87
264,33
1
3
0,04
-0,12
G13
6,82
279,18
252,33
3,15
30,87
302,74
0
3
0,01
-0,11
G14
6,85
338,49
300,08
2,33
39,91
362,79
2
5
-0,01
-0,11
G15
6,96
332,51
295,26
4,10
36,27
324,81
0
3
0,01
-0,12
G16
7,02
293,22
257,64
2,44
30,93
299,30
2
5
0,02
-0,12
G17
7,03
304,44
273,87
3,28
33,52
308,77
0
3
0,01
-0,12
G18
7,04
307,17
274,24
3,98
32,52
352,74
0
3
0,01
-0,11
G19
7,12
273,50
243,09
1,98
30,47
285,73
3
4
0,05
-0,20
G20
7,14
282,49
252,88
3,15
30,87
302,74
0
3
0,01
-0,12
G21
7,15
262,77
232,97
2,76
29,12
270,72
1
3
0,04
-0,12
G22
7,19
282,62
249,89
1,85
30,29
283,31
2
4
0,03
-0,12
G23
7,28
279,35
249,11
3,23
30,96
284,74
1
3
0,03
-0,12
G24
7,31
295,29
266,74
3,55
32,79
298,77
0
3
0,02
-0,13
G25
7,37
267,35
236,79
1,92
29,12
264,28
1
4
0,04
-0,12
G26
7,37
369,78
323,56
1,66
38,45
389,81
2
6
0,00
-0,11
G27
7,40
249,98
221,39
2,38
27,10
254,26
1
3
0,04
-0,12
G28
7,40
294,11
263,90
3,53
32,89
219,19
0
3
0,01
-0,12
G29
7,43
276,86
246,85
3,28
21,05
305,16
1
3
0,04
-0,18
G30
7,43
259,20
231,94
2,76
29,12
270,72
1
3
0,04
-0,12
G31
7,44
285,78
252,16
3,11
30,87
264,33
1
3
0,04
-0,12
G32
7,52
287,91
256,69
2,67
30,79
293,30
0
4
0,02
-0,12
G33
7,55
270,63
238,22
3,04
28,94
306,70
1
3
0,04
-0,10
G34
7,61
312,13
276,33
2,71
33,34
332,76
1
4
0,00
-0,12
G35
7,62
277,31
247,08
2,89
30,67
262,31
1
3
0,04
-0,12
G36
7,68
251,25
221,55
2,38
27,10
254,26
1
3
0,04
-0,12
G37
7,72
254,02
224,04
2,52
27,01
272,25
1
3
0,04
-0,10
G38
7,72
272,37
238,14
2,85
28,94
268,29
1
3
0,04
-0,13
G39
7,74
290,88
256,12
1,69
30,86
296,30
1
4
0,04
-0,12
G40
7,74
269,70
240,04
2,91
29,76
286,72
2
4
0,05
-0,20
G41
7,77
266,51
238,44
2,63
28,94
268,29
0
3
0,02
-0,12
G42
7,79
288,59
256,96
3,15
31,60
300,74
1
4
0,03
-0,20
G43
7,85
268,24
238,83
2,63
28,94
268,29
0
3
0,02
-0,12
G44
7,99
271,12
238,07
-1,67
29,04
281,27
1
6
0,04
-0,12
G45
8,03
262,77
232,97
2,76
29,12
270,72
1
3
0,04
0,04
&ARM0RZEGL.AUK
G46
8,09
279,88
250,06
3,01
30,96
284,74
0
3
0,02
-0,12
G47
8,13
255,34
224,13
2,52
27,01
272,25
1
3
0,04
-0,12
G48
8,15
287,78
259,49
3,80
32,98
339,61
1
3
0,04
-0,11
G49
8,15
308,57
274,55
-0,74
32,62
327,31
0
6
0,02
-0,12
G50
8,26
305,12
276,50
4,05
34,82
353,64
0
3
0,01
-0,11
G51
8,27
278,28
245,01
2,22
30,29
295,28
1
6
0,02
-0,13
G52
8,29
272,11
241,34
2,77
28,85
286,28
0
3
0,02
-0,11
G53
8,39
287,25
255,21
3,29
30,78
320,73
0
3
0,01
-0,09
G54
8,41
275,65
246,22
3,28
31,05
305,16
1
3
0,04
-0,12
G55
8,42
293,39
258,20
-1,28
30,78
313,29
0
6
0,01
-0,11
G56
8,42
275,61
249,10
3,01
30,96
288,75
1
3
0,02
-0,12
G57
8,44
282,76
249,54
3,42
30,96
323,15
1
3
0,04
-0,12
G58
8,45
297,32
261,48
-0,78
30,60
349,27
1
6
0,03
-0,09
G59
8,46
282,94
252,30
3,44
30,87
302,74
1
3
0,04
-0,13
G60
8,52
280,66
249,20
3,42
30,96
323,15
1
3
0,04
-0,12
G61
8,54
297,46
267,20
3,89
33,97
394,19
0
3
0,01
-0,12
G62
8,62
293,86
262,42
3,56
31,47
365,18
0
3
0,01
-0,09
G63
8,66
301,05
268,59
-0,90
32,80
329,74
0
6
-0,01
-0,11
G64
8,70
268,12
235,71
2,90
29,03
288,71
1
3
0,04
-0,12
G65
8,74
275,51
246,03
3,28
31,05
305,16
1
3
0,04
-0,12
G66
8,74
284,21
251,30
-1,15
30,96
315,72
1
6
0,03
-0,11
G67
8,79
270,96
238,27
3,04
29,94
306,70
1
3
0,03
-0,10
G68
8,82
274,82
240,71
-1,53
28,95
299,27
1
6
0,03
-0,10
G69
8,92
294,58
259,99
2,75
32,31
299,76
1
6
0,04
-0,11
związki
G1
Md
3,62
N-N
2,89
eH
-9,21
eL
-0,92
B1
-0,26
B2
-0,45
logD
3,37
Cl
1
F
0
I
0
Halo
1
%PSA
17,38
G2
G3
G4
G5
G6
G7
G8
3,19
4,83
1,25
3,50
5,20
1,34
4,29
2,97
2,95
2,96
2,97
2,97
2,98
2,97
-9,19
-8,70
-8,94
-9,67
-8,70
-9,48
-9,33
-0,77
-0,59
-0,96
-1,44
-0,67
-1,13
-0,71
0,24
-0,47
-0,12
-1,34
-0,64
-0,31
-0,13
0,02
-0,39
0,02
-0,86
-0,53
-0,36
-0,12
4,19
1,39
1,16
1,40
0,76
2,10
2,08
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
9,80
20,77
9,66
27,47
25,88
19,90
16,80
G9
4,00
2,95
-9,40
-0,81
-0,06
-0,12
3,66
1
0
0
1
16,01
G10
G11
G12
G13
G14
G15
G16
G17
G18
G19
G20
G21
G22
G23
G24
G25
G26
G27
G28
G29
G30
G31
G32
G33
2,58
2,50
4,83
3,00
4,56
3,45
3,61
3,36
5,51
4,96
3,97
3,37
4,47
3,44
3,12
2,02
4,41
2,64
2,82
3,48
3,90
4,63
0,36
4,23
2,98
2,95
2,93
2,94
3,06
2,99
2,96
3,01
2,96
2,96
2,95
2,97
2,98
2,96
2,97
2,98
2,98
2,97
2,96
2,96
2,96
2,97
2,97
2,94
-9,16
-9,36
-9,16
-9,27
-9,37
-9,14
-8,82
-9,18
-9,54
-8,66
-9,18
-9,25
-8,59
-9,21
-9,15
-9,53
-9,31
-9,43
-9,21
-9,28
-9,28
-9,21
-9,43
-9,38
-1,45
-0,96
-0,64
-0,81
-1,06
-0,77
-0,78
-0,80
-1,01
-0,73
-0,87
-0,84
-0,72
-0,81
-0,77
-1,05
-0,98
-0,92
-0,95
-0,96
-0,77
-0,69
-1,08
-1,03
-1,03
0,21
0,01
0,13
-0,59
0,28
-0,45
0,15
0,26
-0,56
0,13
-0,06
-0,45
0,02
0,20
-0,44
-0,87
-0,11
0,19
0,02
-0,06
0,00
-0,29
-0,01
-0,71
0,02
-0,12
0,02
-0,62
0,02
-0,49
0,02
0,02
-0,53
0,02
-0,12
-0,39
-0,12
0,02
-0,39
-0,81
-0,12
0,02
-0,12
-0,12
-0,12
-0,36
-0,12
2,77
3,85
3,00
2,18
1,58
4,35
0,78
3,44
4,27
1,55
3,70
3,15
0,62
3,61
3,46
2,53
1,72
2,67
3,49
3,46
2,24
3,08
1,96
2,79
1
2
0
1
1
1
0
1
1
1
1
2
0
1
1
0
1
0
2
2
1
0
0
1
0
1
0
1
1
0
1
0
3
0
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
0
0
1
2
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
3
0
2
2
1
1
1
4
1
2
2
1
1
1
0
2
1
2
2
1
0
1
3
22,16
11,04
14,86
11,70
21,60
9,83
22,14
10,73
10,64
24,67
11,57
15,78
20,77
14,84
11,06
21,89
22,98
16,59
11,11
14,98
16,00
14,51
19,61
15,32
COPYRIGHT‚'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO)33.†
G34
G35
G36
G37
G38
G39
G40
G41
G42
G43
G44
G45
G46
G47
G48
G49
G50
G51
G52
G53
G54
G55
G56
G57
G58
G59
G60
G61
G62
3,78
4,42
3,74
4,71
3,94
3,06
2,83
2,61
2,54
3,46
1,71
3,37
3,29
2,06
3,41
2,38
3,24
2,83
1,78
3,63
3,00
2,27
3,73
2,72
2,63
2,78
3,17
2,86
3,46
3,00
2,97
2,96
2,94
2,96
2,97
2,98
2,97
2,98
2,96
2,98
2,94
2,97
2,96
2,99
2,96
2,94
3,17
2,95
2,95
2,96
2,97
2,96
2,97
2,96
2,95
2,94
2,95
2,94
-9,12
-9,06
-9,28
-9,31
-9,22
-9,46
-9,16
-9,33
-9,10
-9,18
-9,72
-9,25
-9,18
-9,37
-9,22
-9,75
-9,16
-8,72
-9,29
-9,15
-9,20
-9,77
-9,19
-9,20
-10,08
-9,16
-9,19
-9,00
-9,33
-0,89
-0,78
-0,79
-0,93
-0,77
-0,98
-0,83
-0,88
-0,78
-0,76
-1,59
-0,84
0,80
-0,96
-0,93
-1,45
-0,89
-1,22
-0,92
-0,98
-0,88
-1,47
-0,74
-1,01
-1,73
-0,86
-0,96
-0,85
-1,00
-0,23
-0,04
-0,11
-0,09
-0,04
-0,35
-0,33
0,06
-0,17
0,06
-1,41
-0,06
0,11
-0,09
0,10
-1,14
0,27
-0,55
0,08
0,16
0,02
-1,22
0,11
0,05
-1,27
0,05
0,05
0,25
0,20
-0,30
-0,12
-0,12
-0,12
-0,12
-0,26
-0,44
0,02
-0,30
0,02
-0,85
-0,12
0,02
-0,12
-0,12
-0,71
0,02
-0,56
0,02
0,02
-0,12
-0,71
0,02
-0,12
-0,85
-0,12
-0,12
0,02
0,02
2,20
2,57
1,95
1,85
2,41
1,69
3,31
2,52
2,20
1,89
2,18
3,15
2,96
2,54
3,48
1,74
3,30
0,65
2,38
2,73
3,31
1,25
3,19
3,83
2,43
3,80
2,73
3,36
2,65
1
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
0
3
0
3
0
0
1
2
0
1
2
0
2
2
0
0
1
0
1
2
1
1
0
1
0
1
0
0
0
2
0
1
0
1
2
2
0
1
0
1
3
0
1
1
2
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
2
0
1
2
1
1
1
1
1
1
0
1
1
2
3
1
3
1
2
3
2
1
1
3
3
2
3
2
3
16,95
14,95
16,50
16,32
15,22
17,43
22,87
12,26
18,33
12,18
32,19
15,78
11,67
16,24
14,41
25,44
10,71
24,95
12,01
11,37
15,04
26,75
11,85
14,66
29,36
14,65
14,77
10,98
11,12
G63
G64
G65
G66
G67
G68
2,06
2,84
3,01
1,86
3,76
1,53
2,95
2,96
2,96
2,97
2,94
2,97
-9,34
-9,18
-9,19
-9,63
-9,21
-9,82
-1,57
-0,89
-0,88
-1,53
-1,01
-1,64
-1,16
-0,03
0,02
-1,33
-0,01
-1,39
-0,71
-0,12
-0,12
-0,85
-0,12
-0,85
1,55
3,01
3,31
2,31
2,92
2,04
1
1
2
1
1
0
0
1
0
0
2
1
0
0
0
0
0
0
1
2
2
1
3
1
26,07
15,46
15,05
30,71
15,30
31,76
G69
4,86
2,95
-8,63
-0,70
-0,73
-0,85
2,83
1
0
0
1
29,63
'¬ylplŸ7-J-Í
Analiza Regresji Wielokrotnej (MR – Multiple Regression)
Przeprowadzono pełną analizę regresji z zastosowaniem
parametrów fizykochemicznych, obliczonych metodami
pół-empirycznymi, dla związków G1–G69. Wyznaczono
macierz korelacji w poszukiwania ścisłych zależności pomiędzy zmiennymi niezależnymi. Następnie prowadzono systematyczną analizę krokową dla zmiennej zależnej
– aktywności biologicznej log 1/C z użyciem wszystkich
zgromadzonych danych fizykochemicznych – zmiennych
niezależnych. Przeprowadzenie pełnej analizy krokowej dla
zmiennej zależnej log 1/C wprowadziło do modelu regresji 7 zmiennych niezależnych. Model ten opisuje ok. 47%
zmienności całkowitej w badanej grupie przypadków aktywnych i wyrażony jest równaniem:
log 1/C = 12,98(±1,40)
– 2,50(±0,62) V – 0,23(±0,07) Md + 0,24(±0,08) halo
+ 1,59(±0,46) I + 0,62(±0,24) HA
– 0,08(±0,04) %PSA
+ 0,27(±0,12) Cl
r = 0,70; R2 = 0,47; F = 7,616; p <0,0000; n = 69
Na podstawie przeprowadzonej analizy MR można powiedzieć, że wyższa aktywność log 1/C w grupie pochod-
nych benzodiazepiny o działaniu diazepamo-podobnym
(związków G1-G69) zależna jest od następujących czynników: objętości van der Waalsa V; momentu dipolowego Md;
odsetka powierzchni związanego z atomami elektroujemnymi O i N %PSA (odwrotnie proporcjonalnie) oraz ilości
podstawników halogenowych w cząsteczce halo; obecności
atomu jodu I; liczby akceptorów wiązań wodorowych HA;
liczby atomów chloru Cl (wprost proporcjonalnie). Analiza
nie przedstawia silnych zależności, jednak dla liczebności
grupy przypadków n = 69 można uznać uzyskany wynik
za miarodajny. Przeprowadzona analiza MR wskazuje na
wyraźną preferencję dla czynników sprzyjających pokonywaniu BBB przez benzodiazepiny o działaniu diazepamopodobnym. Poza liczbą podstawników halogenowych, które
wymieniane są w większości analiz QSAR takich pochodnych, wszystkie inne parametry, ustalone równaniem regresji, powinny mieścić się w zakresie odpowiednim dla możliwości dystrybucji w kierunku CUN, gdzie znajduje się cel
biologiczny dla związków G1-G69.
Analiza Skupień (CA – Cluster Analysis)
Wyniki przeprowadzonej analizy regresji wielokrotnej
związków G1-G69 stały się podstawą badania struktury
danych i ich grupowania. Badania te oparto na metodzie
CA przeprowadzonej przy pomocy algorytmu klasyfikacji
– grupowania metodą k-średnich. Poszukiwano klasyfikacji
przedstawicieli grup benzodiazepin o działaniu diazepamo-
&ARM0RZEGL.AUK
podobnym na podstawie cech różnicujących poziom
ich aktywności biologicznej log 1/C. Założono uzyskanie podziału na skupienia przypadków reprezen2,5
tujące poziom ich aktywności. Analizę przeprowa2,0
dzono po wprowadzeniu zmiennych wpływających
1,5
na poziom aktywności biologicznej G1-G69 wska1,0
zanych równaniem analizy MR.
Fizykochemiczna zmienność struktur związków
0,5
o podobnym poziomie ustalonej aktywności biolo0,0
gicznej powoduje, że odpowiednie zróżnicowanie
-0,5
średnich log 1/C uzyskano dopiero dla pięciu sku-1,0
pień. Poniżej przedstawiono wykres średnich wartości zmiennych dla każdego skupienia (Ryc.1.)
-1,5
i istotne elementy wyniku analizy wariancji dla tych
-2,0
Sk upien. 1
zmiennych (Tabela 3.):
Sk upien. 2
Sk upien. 3
-2,5
Związki G1-G69 stanowią bardzo niejednoliSk upien. 4
V
HA
Md
Cl
I
halo
log1/C %PSA
Sk upien. 5
Z mienne
ty zbiór przypadków. Nic nie stoi jednak na przeWykres średnich wartości standaryzowanych zmiennych grupujących dla szkodzie rozpatrywania wydzielonych skupień 2 i 4
skupień 1-5
– o średnich standaryzowanych wartościach
Wykr. średnich każd. skupienia
3,0
Tabela 3. Wyniki analizy wariancji dla zmiennych w modelu i wartości średnich dla każdego skupienia
zmienna
V
HA
Md
Cl
I
halo
log1/C
%PSA
F
11,37486
41,47506
10,61056
19,71681
0,77913
31,47516
18,83766
29,46171
p
0,000000
0,000000
0,000001
0,000000
0,542877
0,000000
0,000000
0,000000
Średnia sk. 1
1,52693
0,58208
-0,84336
-0,31964
-0,17152
-1,27383
-1,36500
-0,07148
Średnia sk. 5
0,510860
0,444058
1,292506
-0,249625
-0,171517
1,060981
-0,793768
0,550713
Średnia sk. 3
-0,486050
-0,568075
0,141052
-0,436336
0,266804
-0,445350
-0,029988
-0,497044
Średnia sk. 2 Średnia sk. 4
-0,233958
0,005949
-0,608330
1,824240
-0,095509
-0,796216
1,334502
-0,529691
-0,171517
-0,171517
0,985665
-0,344928
0,547090
1,124464
-0,478594
1,854786
Tabela 4. Elementy każdego skupienia i ich odległość od środka skupienia
Działanie słabe
Elementy sk. 1
Elementy sk. 5
związek
odległość
związek
odległość
G1
0,842202
G3
0,659445
G2
0,738718
G6
0,782537
G4
0,784632
G14
0,623942
G5
1,095353
G16
0,505082
G7
0,783189
G18
0,838613
G10
0,726611
G19
0,549904
G15
0,772192
G22
0,400536
G32
1,032677
G26
1,063385
G34
0,535570
Działanie średnie
Elementy sk. 3
związek
odległość
G8
0,794592
G9
0,660225
G12
0,703081
G13
0,539234
G17
0,680411
G20
0,481160
G23
0,364363
G24
0,572739
G25
0,787136
0,534806
G27
G30
0,427176
G31
0,548183
G35
0,477141
G36
0,466582
G37
0,741906
G38
0,340726
G39
0,470981
G41
0,459837
G42
0,604673
G43
0,375830
G45
0,425694
G46
0,477715
G47
0,790243
G52
0,715998
G56
0,536943
G61
2,054794
G62
2,033153
Działanie silne
Elementy sk. 2
Elementy sk. 4
związek
odległość
związek
odległość
G11
0,806527
G44
0,565000
G21
0,503454
G49
0,478727
G28
0,594809
G51
0,351507
G29
0,322794
G55
0,319643
G33
0,636949
G58
0,735809
G40
0,713746
G63
0,487478
G48
0,607518
G66
0,411300
G50
0,718464
G68
0,489031
G53
0,478816
G69
0,911877
G54
0,222005
G57
0,349754
G59
0,264537
G60
0,334998
G64
0,538871
G65
0,348793
G67
0,615411
COPYRIGHT‚'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO)33.†
Tabela 5. Funkcje klasyfikacyjne charakteryzujące grupy 1-5 badanych pochodnych benzodiazepiny
Funkcje klasyfikacyjne; grupujące dla poziomów działania benzodiazepin o działaniu na GABA-BDZ
Zmienne w modelu
G_1
G_2
G_3
G_4
HA
-3,86251
1,43126
0,23277
4,26819
halo
-3,39085
2,36836
-1,08100
-0,68897
Cl
-2,85011
3,92116
-0,58029
-0,27641
V
6,16762
-3,23597
-1,35730
0,18701
Md
-1,28996
-0,51276
0,41210
-1,09433
%PSA
4,08421
-2,54994
-2,23461
2,35848
I
-1,25289
0,53663
0,19698
0,01838
Stała
-8,85989
-5,77698
-2,18001
-8,74389
G_5
-4,07763
2,73563
-2,42023
4,15538
1,91621
5,24816
-0,44964
-6,66827
Pierw2
log 1/C 0,55 i 1,13, jako grupę o działaniu silnym,
Pierw1 wz . pierw2
skupienia 3 – o średniej standaryzowanej wartości
6
log 1/C -0,03, jako grupę o działaniu średnim oraz
5
skupienia 1 i 5 – o średnich standaryzowanych war4
tościach log 1/C -1,37 i -0,8, jako grupę o działaniu
słabym. Wyniki analizy wariancji wskazują na para3
metry HA, halo i %PSA, jako najsilniejsze kryteria
2
przypisania obiektów do skupień 1-5. Struktura da1
nych jest jednak bardzo niejednolita. Obserwacja zamieszczonego powyżej wykresu wyraźnie rozróżnia
0
grupę pochodnych najsłabiej (skupienie 1) i najsil-1
niej (skupienie 4) działających średnimi wartościami
parametrów V, HA i %PSA. Wartości średnie para-2
metrów V i %PSA nie są jednak zgodne z trendem
-3
G_1:1
ustalonym w analizie MR. Obserwowane odstępstwa
G_2:2
G_3:3
-4
wynikać mogą z niekorzystnej reprezentacji struktuG_4:4
-6
-4
-2
0
2
4
6
G_5:5
ralnej badanej grupy, co uwidoczniło się już na etaPierw1
pie analizy MR. Poniżej (w Tabeli 4) przestawiono
elementy każdego skupienia i ich odległość od środ- Wykres rozrzutu przypadków G1-G69 na podstawie średnich zmiennych kanonicznych funkcji dyskryminacyjnej 1 (pierwiastek 1) w stosunku do funkcji
ka skupienia. Dla większej czytelności uzyskanych dyskryminacyjnej 2 (pierwiastek 2)
wyników należy dodać, że kolejność przypadków
G1-G69 odpowiada wzrastającej sile działania. Wyłonione w przebiegu CA, z użyciem wszystkich zmiennych,
Na podstawie wartości podanych w Tabeli 5 możliwe
skupienia 1+5, 3 i 2+4 – grupy działania słabego, średniego jest zaproponowanie pięciu równań funkcji klasyfikacyji silnego są podstawą analizy dyskryminacyjnej.
nych charakteryzujących grupy 1-5. Z ustalonych funkcji
dyskryminacyjnych stworzono wykres rozrzutu w celu obAnaliza Funkcji Dyskryminacyjnej (DFA – Discriminant serwacji dyskryminacji:
Function Analysis)
Analiza funkcji dyskryminacyjnej służyła wyznaczeniu
Jak widać, związki najsilniej działające (grupa 2 i 4)
funkcji klasyfikacyjnych badania przynależności nowych są wyraźnie rozdzielone pierwszą funkcją dyskryminacyjpochodnych do grupy słabo, średnio i silnie działających po- ną. Można również stwierdzić, że grupy 2 i 3 są wyraźnie
chodnych benzodiazepiny o działaniu klasycznym. Prowa- skupione, co zgodne jest, pod względem obserwowanych
dzona tu DFA ma charakter ilościowy. Sposób wyznaczenia wartości log 1/C, z przyporządkowaniem przypadków do
zmiennej grupującej oparty został na wynikach analizy sku- tych grup. Mimo obserwowanego rozproszenia kontrola
pień z zastosowaniem zmiennych niezależnych, jako kryte- prawdopodobieństwa a posteriori klasyfikacji związków nie
riów klasyfikacji. Badane pochodne G1-G69 opisano koda- wykazuje wielu błędów w przyporządkowaniu przypadków.
mi grupowymi: 1 i 5 – słabo działające; 3 – średnio działa- Jedynie dwa przypadki G5 i G53 zostały zakwalifikowane
jące oraz 2 i 4 – silnie działające w stosunku do receptorów nieprawidłowo. Z macierzy struktury czynnikowej wywnioGABA-BDZ. Do analizy wprowadzono jedynie zmiennych skowano, że zmienną o największej mocy dyskryminującej
niezależne (standaryzowane) ustalonych równaniem analizy jest tu liczba akceptorów wiązań wodorowych, a w drugim
MR. Jako zmiennej grupującej użyto kodów grupowych 1-5 rzędzie liczba atomów chlorowca w cząsteczce i odsetek powyznaczonych uprzednio w analizie grupowania metodą wierzchni cząsteczki zajęty przez atomy azotu i tlenu połąk-średnich CA. Analizę prowadzono przy użyciu krokowej czone z atomami wodoru. Wprowadzone do modelu zmienmetody postępującej wyznaczającej zmienne dyskryminu- ne dyskryminujące mają wyraźny związek z dostępnością
jące spośród wprowadzonych do analizy. Po wprowadzeniu biologiczną i są również wskaźnikami zdolności związków
do modelu 7 zmiennych dyskryminujących uzyskano cztery do przekraczania BBB. Ustalona macierz klasyfikacji (Tafunkcje dyskryminacyjne i na ich podstawie obliczono od- bela 6) wskazuje na dopasowanie modelu do założonego
powiednie funkcje klasyfikacyjne dla grup 1-5.
podziału na grupy:
&ARM0RZEGL.AUK
Tabela 6. Macierz obserwowanych i przewidywanych klasyfikacji
Piśmiennictwo
przypadków w grupach z zastosowaniem modelu
Macierz klasyfikacji. Wiersze: obserwowana klasyfikacja
Kolumny: Przewidywana klasyfikacja
Procent poprawnie G_1 G_2 G_3 G_4
G_1
87,5000
7
0
0
1
G_2
93,7500
0
15
1
0
G_3
100,0000
0
0
27
0
G_4
100,0000
0
0
0
9
G_5
100,0000
0
0
0
0
Razem 97,1015
7
15
28
10
G_5
0
0
0
0
9
9
'yl|˜pl
Na podstawie przeprowadzonej analizy zaproponowano
charakterystykę strukturalną pochodnych BDZ o działaniu
klasycznym na receptor benzodiazepinowy w kompleksie
GABA-ergicznym. Analiza MR pozwala na ustalenie, że
wyższa aktywność log 1/C pochodnych G1-G69 zależna
jest od następujących czynników: objętości van der Waalsa
V poniżej 255 Å3; momentu dipolowego Md poniżej 3,27D;
ilości podstawników halogenowych w cząsteczce halo powyżej 2; obecności atomu jodu I; liczby akceptorów wiązań
wodorowych HA powyżej 3,79; odsetka powierzchni związanego z atomami elektroujemnymi O i N %PSA poniżej
17,41% oraz; liczby atomów chloru Cl więcej niż 1. Analiza ta nie przedstawia jednak silnych zależności. Większość
tych parametrów wpływa na możliwość przenikania związków przez barierę krew-mózg. Przeprowadzona analiza MR
wskazuje na preferencję dla czynników sprzyjających pokonywaniu BBB przez te pochodne benzodiazepiny. Analiza
skupień pokazuje, że zmienność niektórych parametrów nie
zachowuje trendu zgodnego z wynikiem analizy regresji.
Różnice te dają możliwość obserwacji struktury zmienności
kolejnych parametrów w mniejszych zakresach przypadków o bardziej sprecyzowanych właściwościach (np. biologicznych). Skupienia te, które podobne są pod względem
strukturalnym, mogą charakteryzować się nawet trendem
przeciwnym, co nie ujawnia się w badaniu łącznie całej grupy. Jest to najczęściej spowodowane zbyt małym wpływem
średniej wartości zmiennej dla danego skupienia. Ujawniona struktura zmienności całkowitej oraz wyniki analizy
funkcji dyskryminacyjnej potwierdzają założenie, że zróżnicowanie odpowiedzi biologicznej, w grupie pochodnych
benzodiazepiny o działaniu diazepamo-podobnym, ma podłoże farmakodynamiczne, ale również farmakokinetyczne
i zależy w dużej mierze od ich zdolności przenikania bariery
krew-mózg.
1. Mutschler E i wsp. Kompendium farmakologii i toksykologii Mutschlera, wydanie I polskie, Med Pharm Polska 2008, Wrocław.
2. Schofield PR i wsp. Sequence and functional expression
of the GABAA receptor shows a ligand-gated receptor
superfamily. Nature1988; 328: 221-227.
3. Stephenson FA. Understanding the GABAA receptor: A
chemically gated ion channel. Biochem J 1988; 249:
21-32.
4. Gardner CR. Interpretation of behavioral effects of benzodiazepine receptor ligands. Drugs Future 1989; 14:
51-67.
5. Wong G i wsp. Synthetic and Computer-Assisted Analysis of the Structural Requirements for Selective, High
Affinity Ligand Binding to Diazepam Insensitive Benzodiazepine Receptors. J Med Chem 1993; 36:1820-1830.
6. Haefely W i wsp. Recent Advances in the Molecular
Pharmacology of Benzodiazepine Receptors and the
Structure-Activity Relationships of their Agonists and
Antagonists. Adv Drug Res 1985; 14: 165-222.
7. Villar HO, Loew GH. Molecular modulators of benzodiazepine receptor ligand binding. J Quantum Chem
QBS 1989; 6: 261-271.
8. Hadjipavlou-Litina D, Hansch C. Quantitative Structure-Activity Relationship of the Benzodiazpienes.
A Review and Reevaluation. Chem Rev 1994; 94:
1483-1505.
9. Kim K H i wsp. Use of the hydrogen bond potential function in a comparative molecular field analysis (CoMFA)
on a set of benzodiazepines. Comp Mol Des 1993; 7:
263-280.
10. Funar-Timofei S, Ionescu D. Structure-Toxicity Study
Of Benzodiazepines By Computational Studies. Annals
Of West University Timisoara Series Chemistry 2005;
14: 221-230.
Adres do korespondencji:
Prof. dr hab. Elżbieta Brzezińska,
Zakład Chemii Analitycznej UM w Łodzi,
ul. Muszyńskiego 1,
90-151 Łódź,
tel. 42 677-92-11;
e-mail: [email protected]