invar.ru
Cредство для естественного восстановления менструального цикла без гормонов
В его состав входит уникальная комбинация мио-инозитола, D-хиро-инозитола, марганца и фолиевой кислоты.
далее...
Хемореактомный анализ стереоизомеров инозитола: различные профили фармакологического действия миоинозитола и D-хироинозитола при нарушениях женской репродуктивной системы
СтатьиТоршин И.Ю. 1,2, Майорова Л.А. 3, Уварова Е.В.4, Тапильская Н.И. 5, Громова О.А. 1,2
1Институт фармакоинформатики, Москва, Российская Федерация;
2Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, Москва; Российская Федерация;
3Ивановский государственный химико-технологический университет, Иваново, Российская Федерация;
4Национальный медицинский исследовательский центр акушерства, гинекологии и перинатологии имени академика В.И.Кулакова, Москва, Российская Федерация;
5Научно-исследовательский институт акушерства, гинекологии и репродуктологии им. Д.О.Отта, Санкт Петербург, Российская Федерация
Абстракт
Средства на основе инозитолов (стереоизомеров циклогексан-1,2,3,4,5,6-гексола) используются для компенсации инсулинорезистентности, особенно у пациенток с нарушениями менструального цикла и функции яичников. Инозитолы являются эффективным средством профилактики фолат-резистентных пороков развития плода. Детального сравнительного анализа того, как стереоизомеры инозитола отличаются по своему фармакологическому действию, не было проведено. Цель исследования: выявить фармакологические различия четырёх основных биологически активных стереоизомеров инозитола: миоинозитола (МИ), D-хироинозитола (ДХИ), неоинозитола (НИ) и скиллоинозитола (СКИ) методом сравнительного хемореактомного анализа. Результаты показали, что ДХИ в большей мере, чем МИ, необходим для (1) переработки аминокислот с разветвленной цепью, что способствует нормализации метаболизма глюкозы, (2) метаболизма фолатов, витаминов РР, В5 и магния, (3) активации рецептора инсулиноподобного фактора роста 1 (IGF1R), активность которого важна для профилактики саркопении, (4) осуществления противоопухолевых эффектов (за счет ингибирования гиперпролиферативных эффектов, в т.ч. связанных с избытком глюкозы и дисбалансом андрогенов и эстрогенов), (5) ингибирования провоспалительных белков (матриксной металлопротеиназы MMP15, белков ICAM1 и IRAK4, опосредующих эффекты интерлейкина-1). В целом, профили фармакологического действия ДХИ и СКИ существенно отличаются от профилей МИ и НИ. Поэтому, комбинации МИ и ДХИ являются более перспективным способом повышения чувствительности клеток к инсулину, чем использование МИ или ДХИ по-отдельности.
Ключевые слова: инсулинорезистентность, гиперандрогения, синдром поликистозных яичников, постгеномная фармакология, миоинозитол, D-хироинозитол, неоинозитол, скиллоинозитол, Дикироген
Введение
Нарушения чувствительности клеток к различным гормонам - инсулину, фолликулостимулирующему гормону (ФСГ), лютеинизирующему гормону (ЛГ), к факторам роста и к нейротрансмиттерам ассоциированы с широким кругом патологий женской репродуктивной системы. В основе снижения чувствительности (т.н. «резистентности») клеток к действию гормонов лежит, зачастую, нарушение активности путей передачи сигналов от гормональных рецепторов внутрь клеток. Резистентность клеток яичников к инсулину, ЛГ, ФСГ, приводит к нарушениям менструальной функции, ановуляторным циклам, гиперандрогении, синдрому поликистозных яичников (СПКЯ) и др. [1].
Производные инозитолов (1,2,3,4,5,6-циклогексан-гексолов) являются одними из важнейших сигнальных молекул, опосредующих внутриклеточную передачу сигнала от гормональных рецепторов. Среди девяти стереоизомеров инозитола в метаболоме человека наиболее известны мио-инозитол и D-хиро-инозитол; другие стереоизомеры (неоинозитол, скиллоинозитол, L-хироинозитол и др.) встречаются гораздо реже. Попадая в клетку, стереоизомеры фосфорилируются с образование специфических производных -инозитолфосфатов. Инозитолфосфаты участвуют в регуляции уровней внутриклеточного кальция, передаче сигнала от рецептора инсулина, расщеплении жиров, снижении уровня холестерина в крови, модуляции активности нейротрансмиттеров и др. [2]. Поэтому, восполнение недостаточности инозитолов будет способствовать снижению резистентности клеток к действию гормонов.
Систематический анализ молекулярно-физиологических эффектов инозитолов показал, что миоинозитол гораздо более изучен (более 40000 публикаций), чем D-хироинозитол (всего 250 публикаций) и другие формы инозитолов. Установлено существование 233 белков, так или иначе принимающих участие в передаче внутриклеточных сигналов [3, 4]. Инозитол-зависимые белки вовлечены в поддержку деятельности сердечно-сосудистой системы, почек, печени, нервной ткани, иммунитета, репродуктивной системы и метаболизма сахаров (прежде всего, сигнального каскада инсулина). Инозитолы также принципиально важны для профилактики фолат-резистентных пороков развития плода [1].
Детального сравнительного анализа различий фармакологического действия стереоизомеров инозитола не было проведено. Известны отдельные экспериментальные данные, указывающие на существование таких отличий. Например, важным отличием D-хироинозитола (ДХИ) от миоинозитола (МИ) является вхождение ДХИ в состав инозитоловых фосфогликанов, опосредующих действие инсулина на клетки. Обмен ДХИ и МИ нарушается на фоне инсулинорезистентности, в т.ч. у пациенток с СПКЯ. Очевиден терапевтический потенциал D-хироинозитола в комбинации с миоинозитолом для лечения женщин с СПКЯ на фоне гиперандрогении. Использование комбинаций МИ+ДХИ позволяет достичь приемлемой динамики в снижении избыточного веса, нормализации уровней липидов, глюкозы и инсулина в крови, в восстановлении овуляторного менструального цикла, в повышении качества ооцитов, в профилактике гестационного диабета у беременной и макросомии у плода [4].
Для принятия решения о необходимости назначения пациентке только МИ, только ДХИ или же комбинации МИ+ДХИ врачу необходимо понимание всего «спектра» различий молекулярно-физиологических и фармакологических эффектов стереоизомеров инозитолов на белки, клетки, ткани и органы. В рамках постгеномной парадигмы такие исследования проводятся для оценки воздействия молекул на геном/транскриптом (совокупность всех генов и их транскриптов), протеом (совокупность всех белков), метаболом (совокупность всех метаболитов) и реактом (совокупность всех химический реакций) данного организма. Такие научные программы чрезвычайно трудоемки дороги и недоступны для подавляющего большинства исследователей. Более того, интерпретация получаемых результатов, зачастую, имеет низкую практическую ценность для ведения пациентов [5].
Одним из возможных решений для проведения комплексного сравнительного анализа различных форм инозитолов является использование хемоинформационного подхода [6, 7]. В настоящей работе представлены результаты сравнительного хемореактомного анализа четырёх биологически активных стереоизомеров, которые наиболее часто встречаются в организме: миоинозитола, D-хироинозитола, неоинозитола (НИ) и скиллоинозитола (СКИ). Дополнительно, проведен анализ эффектов этих инозитолов в сравнении с фолиевой кислотой, метформином (золотой стандарт лечения инсулинорезистентности) и витамином В12 (синергист фолиевой кислоты).
Материалы и методы
Хемореактомный подход к анализу проблемы «структура молекулы-свойство молекулы» - новейшее направление приложения систем искусственного интеллекта в области постгеномной фармакологии. Анализ фармакологических «возможностей» исследуемых молекул (Рис. 1) в рамках хемореактомной методологии проводится посредством сравнения химической структуры исследуемой молекулы со структурами миллионов других молекул, для которых молекулярно-фармакологические свойства уже были изучены в экспериментальных и клинических исследованиях. «Обучение» алгоритмов искусственного интеллекта проводится на основе «больших данных», представленных в базах данных PubChem/PHARMGKB и HMDB, STRING [8-10] и др., и осуществляется с применением многоуровневого контроля качества обучения в рамках комбинаторного [11] и метрического подходов топологической теории распознавания [12, 13].
Рис. 1. Химические структуры стереоизомеров инозитолов и других исследованных молекул. Сплошные треугольные стрелки обозначают связи, направленные из условной плоскости рисунка к читателю, штрих-пунктирные - из плоскости рисунка от читателя.
Топологическая теория распознавания представляет собой развитие алгебраического подхода к задачам распознавания и важна как инструмент исследования признаковых описаний объектов. В случае хемореактомного анализа, объектами исследования являются хемографы (χ-графы) - особые разновидности графа (т.е. математического объекта, являющегося как совокупности множества вершин и множества ребер - связей между вершинами). В рамках топологической теории распознавания для χ-графов вводится функция расстояния dχ, которая отражает «химическое расстояние» между двумя произвольными молекулами [12].
На первом этапе, используя способ вычисления dχ, устанавливается список молекул, наиболее близких к исследуемому веществу (например, D-хироинозитолу). На втором этапе, для каждой молекулы из базы данных извлекаются все измеренные фармакологические свойства. Затем, строится эмпирическая функция распределения (э.ф.р.) значений оцениваемого свойства. Оценки значений различных свойств вычисляются как математическое ожидание и дисперсия соответствующих э.ф.р. [6].
Результаты и обсуждение
Хемореактомный анализ позволил получить профили свойств исследуемых молекул и провести сравнительный анализ миоинозитола, D-хироинозитола, неоинозитола и скиллоинозитола на уровне метаболома (совокупность всех метаболитов), протеома (все белки) и реактома (все химические реакции) человека. Были получены оценки различий в распределении, в фармакокинетических и фармакодинамических параметрах. Показано, что эффекты D-хироинозитола и скиллоинозитола существенно отличаются от эффектов миоинозитола и неоинозитола. Также, установлен комплекс отличий между стереоизомерами инозитола, витамином В12, фолиевой кислотой и метформином.
В частности, в результате проведения хемореактомного анализа были получены (1) оценки накопления исследованных молекул в различных клетках и тканях человека, (2) оценки фармакокинетических и фармакодинамических параметров, (3) оценки воздействия исследованных молекул на метаболом человека, (4) оценки воздействия на протеом человека.
Хемореактомные оценки накопления исследованных молекул в различных клетках и тканях человека
В среднем по тканям, наибольшим накоплением отличались D-хироинозитол, неоинозитол и скиллоинозитол, в то время как миоинозитол накапливался несколько меньше (Рис. 2А). Фолиевая кислота и метформин отличались наименьшим накоплением в тканях, а при оценке накопления в гладкой мускулатуре - следовым накоплением. Фолиевая кислота наиболее эффективно накапливалась в лимфоцитах (тем самым способствуя их делению и поддержанию иммунитета). Интересно отметить, что миоинозитол в большей степени, чем другие молекулы, накапливался в хрусталике глаза, что соответствует защитным эффектам миоинозитола от развития катаракты [14].
При оценке концентраций исследуемых молекул в биосубстратах следует подчеркнуть, что МИ, ДХИ и скиллоинозитол максимально концентрируются в цельной крови и, в меньшей степени, в цереброспинальной жидкости (ЦСЖ). Однако, выведение с мочой минимально для МИ и более выражено для ДХИ и СКИ. Наибольшим выведением с мочой отличалась фолиевая кислота. Таким образом, в норме МИ весьма умеренно выводится с мочой что, по всей видимости, связано с его большей вовлеченностью в метаболические процессы в крови и в тканях.
Хемореактомные оценки фармакокинетических и фармакодинамических параметров
Более высоким концентрациям ДХИ в моче соответствуют полученные значения периода полувыведения (T1/2) исследованных веществ: значение T1/2 для МИ составило 5.99 часов, а для ДХИ - всего 2.08 часа. Значения других фармакокинетических параметров существенно не отличались между стереоизомерами инозитола. Например, среднее значение объёма распределения, отражающего степень захвата вещества тканями из плазмы крови, составило 0.83±0.18 л/кг для МИ, ДХИ, СКИ и НИ. Среднее значения клиренса, соответствующего скорости выведения вещества из организма, составили 9.63±0.30 мл/мин. Заметим, что максимальное значение объёма распределения было установлено для витамина В12 (27.63 л/кг), что соответствует хорошо известным кумулятивным свойствам этого витамина.
Анализ полученных значений фармакодинамических параметров (константа активации ЕС50) для различных типов клеток позволил установить достоверные отличия между исследованными молекулами для фибробластов, лимфобластов и лимфоцитов (Рис. 2). Константа активации клеток подразумевает количество вещества, необходимое для увеличения всасывания глюкозы на 50%. Обратим внимание, что для трёх исследованных типов клеток значения констант ЕС50 были наименьшими для D-хироинозитола по сравнению с миоинозитолом. Иначе говоря, для активации всасывания глюкозы требуются меньшие количества ДХИ, чем МИ. Активация всасывания глюкозы связана с увеличением активности рецепторов пероксисомных пролифераторов (PPAR) и других рецепторов, связанных с углеводным метаболизмом (см. далее).
Рис. 2. Оценка вероятностей накопления исследованных молекул в различных клетках и тканях человека (по результатам хемореактомного анализа). А) оценки вероятностей накопления в клетках и тканях, Б) Оценки концентраций в биосубстратах (у здоровых), В) фармакодинамические параметры
Противоопухолевые свойства изученных молекул
Инсулинорезистентность и глюкозотолерантность являются патофизиологическими процессами, способствующими не только метаболическим нарушениям углеводного обмена, но и повышающими риск онкотрансформации клеток. В крупномасштабных исследованиях было показано, что инсулинорезистентность у женщин в менопаузе ассоциирована с повышенным риском развития различных видов злокачественных опухолей и смертности [15], в т.ч. от рака молочной железы [16]. Инозитолы, способствуя нормализации углеводного обмена, могут тормозить рост опухолевых клеток.
Хемореактомный анализ позволил оценить воздействие инозитолов и молекул сравнения на различные типы опухолевых клеток в культуре (Рис. 3). Были получены значения констант ингибирования IC50, соответствующие количеству вещества, необходимого для ингибирования роста клеток на 50%. В среднем по исследованным типам опухолевых клеток, ДХИ, НИ и СКИ отличались наименьшими значениями константы IC50 (1107±645 нмоль/л, МИ - 2552±1214 нмоль/л, остальные молекулы: 2344...3122±1591 нмоль/л), т.е. максимальной противоопухолевой активностью среди исследованных молекул.
Рис. 3. Воздействие инозитолов и молекул сравнения на различные типы опухолевых клеток. Обозначения линий клеток: THP-1, Острый моноцитарный лейкоз; RT-4, Карцинома мочевого пузыря; MDA-MB-468, Аденокарцинома молочной железы; KB 3-1, Карцинома шейки матки; HCC 2998, Аденокарцинома толстой кишки; MKN-45, Аденокарцинома желудка; XF498, Глиома; SW1573, Карцинома легкого; MV4-11, Миелоидный лейкоз; CH1, Рак яичника; PSN1, Аденокарцинома поджелудочной железы; КВ, Плоскоклеточная карцинома.
В случае линий злокачественных клеток, полученных от пациентов с опухолями в репродуктивной системе, противоопухолевые эффекты ДХИ и СКИ были также более выражены, чем эффекты МИ. Например, значения констант IC50 для клеток аденокарциномы молочной железы MDA-MB-468 составили 427 нмоль/л для ДХИ и были в 9 раз выше для МИ (3623 нмоль/л). В случае клеток рак яичника (линия CH1) значения IC50 составили 781 нмоль/л для ДХИ и были в 4.5 раза выше для МИ (3461 нмоль/л).
Хемореактомные оценки воздействия исследованных молекул на микронутриенты в составе метаболома человека
Хемореактомные оценки показали, что действующее начало в виде ДХИ и в виде МИ по-разному влияют на метаболом человека. Были проведены оценки влияния исследуемых молекул на 1322 метаболических фермента. В результате были найдены достоверные отличия влияния МИ и ДХИ для 127 ферментов. Применение метода функциональных связей позволило установить, что эти 127 ферментов относились к 18 функциональным категориям белков по международной номенклатуре GO (Gene Ontology, Рис. 4).
Рис. 4. Достоверные отличия между МИ и ДХИ в профилях воздействия на метаболом человека. Приведены числа метаболических ферментов, относящихся к 18 функциональным категориям белков по международной номенклатуре GO. Очевидны существенные отличия между метаболомными эффектами МИ и ДХИ.
В отличие от ДХИ, миоинозитол влиял на метаболические ферменты, задействованные в фундаментальных биохимических процессах: гликозилировании белков протеома, биосинтезе GPI-якорей мембран, глюкуронизации, метаболизме ганглиозидов. Например, синтез GPI-якорей мембранных белков имеет принципиальное значение для слияния сперматозоидов и ооцитов [17], а ганглиозиды необходимы для матурации (созревания) ооцитов [18].
В то же время, D-хироинозитол в большей мере необходим для переработки аминокислот с разветвленной цепью, для метаболизма других микронутриентов и др. Уровни аминокислот с разветвленной цепью повышены при инсулинорезистентности и ожирении, а улучшение их переработки способствует нормализации метаболизма глюкозы [19].
Хемореактомный анализ указал на большую вовлечённость D-хироинозитола, по сравнению с миоинозитолом, в метаболизм различных микронутриентов и, прежде всего, фолатов. Например, ДХИ может активировать 5 ферментов из функциональной категории «GO:0035999 Метаболизм тетрагидрофолата» и 3 фермента из категории «GO:0051593 Ответ на фолиевую кислоту». В частности, ДХИ способствует активации метилентетрагидрофолатредуктазы (ген MTHFR) - ключевого фермента метаболизма, преобразующего 5,10-метилентетрагидрофолат в 5-метилтетрагидрофолат (вероятность активации MTHFR равна 56% для ДХИ и только 23% для МИ). ДХИ способствует активации тимидилатсинтазы (ген TYMS) - фолат-зависимого фермента, катализирующего восстановительное метилирование 2'-дезоксиуридин-5'-монофосфата посредством 5,10-метилентетрагидрофолата (вероятность активации 51% для ДХИ, 25% для МИ).
Кроме того, ДХИ в большей степени, чем МИ вовлечен в поддержание функций ферментов метаболизма витамина РР («GO:0019674 метаболизм НАД»), витамина В5 («GO:0006104 метаболизм сукцинил-КоА»), молибденового кофактора («GO:0034617 связывание тетрагидробиоптерина») и магния («GO:0000287 связывание ионов магния»).
Хемореактомные оценки воздействия на протеом человека
Взаимодействия молекул со всеми белками/ферментами (т.е. с протеомом) человека являются основой фармакологического действия этих молекул. Для анализа различий в воздействии исследуемых молекул на протеом для каждой из молекул был построен профиль взаимодействий с 1420 белками протеома человека.
Метрическая диаграмма на Рис. 5А наглядно обобщает различия в фармакологических свойствах исследуемых молекул. Данная диаграмма была построена на основе оценки расстояний между профилями взаимодействия молекул с протеомом посредством метрики Колмогорова. Из метрической диаграммы очевидно, что наиболее близкими были протеомные профили D-хироинозитола и скиллоинозитола (центр диаграммы; D-хироинозитол может быть принят за условную нулевую точку). В этом случае горизонтальная ось характеризует отличия между фармакологическими свойствами ДХИ и МИ, а вертикальная ось - отличия между свойствами ДХИ и НИ. При этом, наиболее выражены были отличия метформина и МИ (горизонтальная ось), фолиевой кислоты и НИ (вертикальная ось).
Рис. 5. Результаты хемореактомного анализа взаимодействий исследуемых молекул с протеомом человека. (А) Метрическая диаграмма, обобщающая различия в фармакологических свойствах исследуемых молекул, оцененных как расстояния между профилями взаимодействий молекул с 1420 белками протеома человека. Расстояния между протеомными профилями оценивались по метрике Колмогорова. (Б) Константы активации белков (ЕС50). Обозначения белков приведены в Таблице 1. В) Константы ингибирования белков (IC50).
(А)
(Б)
В)
Сравнение протеомных профилей позволило выделить 27 белков, для которых были установлены статистически достоверные отличия во взаимодействиях с исследованными стереоизомерами инозитола (Рис. 5Б, В). Стереоизомеры инозитола в разной степени влияли на активность белков, опосредующих биологические эффекты ГАМК, гонадотропин-рилизинг гормона (ГнРГ), инсулина и инсулин-подобного фактора роста (ИФР-1), а также на активность белков, вовлеченных в процессы регуляции воспаления (Таблица 1).
Таблица 1. Различия в функциональных категориях белков протеомного профиля, активность которых по-разному регулируется миоинозитолом и D-хироинозитолом. Белки расположены в том же порядке, что и на Рис. 5.
Хемореактомный анализ протеомных эффектов: влияние на метаболизм глюкозы
Выявлены отличия между МИ и ДХИ в активации белков-рецепторов, вовлеченных в процессы поддержания концентрации глюкозы в крови. Например, МИ и ДХИ в одинаковой степени активировали передачу сигнала от рецептора инсулина (INSR) и рецептора пролифераторов пероксисом (PPARG): отличия не превышали 25%. Эффекты фолиевой кислоты на активность рецепторов PPARG могут опосредоваться через метилирование ДНК (которое осуществляется посредством фолатов) и важны для модуляции активности этого рецептора [20].
Установлено существенное отличие в константе активации рецептора инсулиноподобного фактора роста 1 (IGF1R): значение ЕС50 для ДХИ были в 2.4 раза ниже (EC50=657 нмоль/л), чем для МИ (EC50=1561 нмоль/л). Иначе говоря, ДХИ в 2.4 более активен, чем МИ по отношению к рецептору IGF1R, активность которого важна для поддержания мышечной массы и профилактики саркопении [21].
Влияние на рецептор гонадотропина
Стереоизомеры инозитола и молекулы сравнение по-разному влияли на активность рецептора гонадотропина (GNRHR). Обращает на себя внимание весьма низкая активность метформина на рецептор (EC50>3000 нмоль/л), в то время как МИ (EC50=1260 нмоль/л) и ДХИ (EC50=970 нмоль/л) активировали передачу сигнала от рецептора ГнРГ в значительно меньших концентрациях.
Влияние исследованных молекул на нейротрансмиссию и стресс
Нарушения обмена глюкозы стимулируют нарушения нейротрансмиссии. В свою очередь состояние хронического стресса и тревожности приводит к скачкам концентраций глюкозы в крови и участвует в формировании глюкозотолерантности. Поэтому важным аспектом лечения глюкозотолерантности является модуляция стрессовых реакций.
Интересным отличием между эффектами стереоизомеров инозитола и метформином является их воздействие на ГАМК-А рецепторы, активация которых важна для преодоления стресса. Напомним, что активация ГАМК-А-рецепторов тормозит передачу избыточного нервного возбуждения. Активация передачи сигнала от ГАМК-А рецепторов молекулами МИ и ДХИ достигалась при гораздо более низких концентрациях (ЕС50=720.. .1040 нмоль/л), чем в случае молекул метформина и фолиевой кислоты (ЕС50 >4000 нмоль/л). Повышение ГАМКергической активности тормозит формирование метаболических нарушений у крыс с моделью СПКЯ, вызванной летрозолом [22]. Важно подчеркнуть, что нейроэндокринная регуляция овуляции включает взаимодействия между секрецией ГАМК, нейропептидами кисспептином и нейрокинином, которые модулируют активность рецептора гонадотропина [23]. Активность ГАМК-А рецепторов также важна для снижения дисфории в предменструальном синдроме (ПМС) [24].
Помимо различий в воздействии исследованных молекул на активацию ГАМК-ергической нейротрансмиссии, следует отметить различия в воздействии МИ и ДХИ на обратный захват серотонина. Данный процесс осуществляется Na-зависимым транспортёром серотонина SLC6A4, который удаляет серотонина из синаптической щели. ДХИ в большей степени ингибировал транспортёр SLC6A4 (IC50=1030 нмоль/л), чем МИ (IC50=1927 нмоль/л), что соответствует усилению серотонинергической нейротрансмиссии. Усиление серотонинергических сигналов, также как и ГАМКергических, способствует снижению дисфории при ПМС [24]. Кроме того, активация рецепторов серотонина 5-HT2 стимулирует предовуляторный всплеск концентраций ЛГ и пролактина [25].
Хемореактомный анализ протеомных эффектов: противоопухолевое действие
У женщин, страдающих СПКЯ или сахарным диабетом, многократно повышен риск развития опухолевых заболеваний (рак молочной железы, толстого кишечника, рак яичников). В предыдущем разделе было показано, что противоопухолевые эффекты ДХИ могут быть более выражены, чем эффекты МИ. Этим результатам, полученным для различных линий опухолевых клеток (Рис. 3), соответствуют результаты анализа белков протеома, представленные на Рис. 5В. В частности, ДХИ в большей степени, чем МИ, ингибировал циклин-зависимые киназы CDK1, CDK2, CDK5 (IC 50=400.1100 нмоль/л для ДХИ, 940.2200 нмоль/л для МИ и 1000.4500 нмоль/л для метформина), которые поддерживают пролиферацию опухолевых клеток [26]. ДХИ также ингибировал аврора-2 киназу AIK, избыточная активность которой стимулирует онкотрансформацию клеток. Дополнительно, противоопухолевые эффекты ДХИ могут осуществляться посредством ингибирования рецептора андрогенов (AR) и эстрадиол 17-бета-дегидрогеназы-1 (HSD17B1), которая представляет собой потенциальный таргетный белок препаратов для лечения опухолей молочных желез [27] (ДХИ: IC50=390 нмоль/л, МИ IC50>3000 нмоль/л).
Хемореактомный анализ протеомных эффектов: противовоспалительное действие
Для пациенток с дисбалансом половых гормонов на фоне инсулинорезистентности характерно системное хроническое воспаление. В результате исследования показано, что ДХИ лучше, чем другие исследованные молекулы инозитолов, ингибирует разнообразные белки, участвующие в поддержке системного воспаления. Например, ингибирование упоминаемых ранее циклин-зависимых киназ важно для физиологического разрешения воспалительного процесса [26]. Наиболее яркие отличия ДХИ от МИ были получены для матриксной металлопротеиназы MMP15 (ДХИ IC50=190 нмоль/л, МИ IC50=2201 нмоль/л). Матриксные металлопротеиназы задействованы в активации хемокинов и цитокинов, способствуя миграции макрофагов к месту воспаления. Металлопротеиназа ММР15 преимущественно экспрессируется в печени, плаценте, яичниках, в толстом и в тонком кишечнике. Активируя прожелатиназу A (ММР2), ММР15 также способствует инвазии колоний опухолевых клеток [28], так что ингибирование ДХИ металлопротеиназы ММР15 соответствует не только противовоспалительному, но и противоопухолевому действию.
ДХИ в большей степени ингибирует про-воспалительные белки ICAM1 (ДХИ IC50=1186 нмоль/л, МИ IC50=2005 нмоль/л) и IRAK4 (ДХИ IC50=2414 нмоль/л, МИ IC50=1225 нмоль/л), опосредующие эффекты провоспалительного интерлейкина-1β (ИЛ-1в). Молекула межклеточной адгезии ICAM-1 индуцируется ИЛ-1 и фактором некроза опухолей (ФНОа) в эндотелии сосудов, в макрофагах и в лимфоцитах. Молекула ICAM-1 является лигандом LFA-1-рецептора лейкоцитов, посредством которого лейкоциты связываются с эндотелиальными клетками и трансмигрируют из сосудистого русла в ткани [29]. Фолиевая кислота (IC 50=390 нмоль/л) также снижает общую активность ICAM-1, способствуя снижению растворимой формы белка ICAM-1 в крови [30].
Интерлейкин-1 рецептор-ассоциированная киназа IRAK4 является сигнальным белком, которая опосредует эффекты интерлейкина-1 и эффекты активации липополисахаридами бактериальных и вирусных антигенов Toll-подобного рецептора TLR4. В реализации эффектов рецептора TLR4 также принимает участие киназа IKBKB, активирующая провоспалительный транскрипционный фактор NF-kB. Отметим, что ДХИ в большей степени, чем МИ ингибирует все эти сигнальные белки каскада активации NF-kB (IRAK4, TLR4, IKBKB, см. Рис. 5).
Хемореактомный анализ протеомных эффектов: потенциальное воздействие на аппетит
Интересно отметить, что МИ, ДХИ и фолиевая кислота, могут ингибировать грелиновый рецептор GHSR (значения IC50 в диапазоне 87...132 нмоль/л). Как известно, активация рецептора грелина стимулирует аппетит, а антагонисты рецептора GHSR обладают анорексигенным эффектом. Грелин опосредует сложные взаимодействия между ожирением и репродуктивной осью [31], поэтому указанные молекулы могут быть полезны для лечения бесплодия, ассоциированного с ожирением.
Заключение
Средства на основе инозитолов (стереоизомеров циклогексан-1,2,3,4,5,6-гексола) используются для компенсации инсулинорезистентности, особенно у пациенток с нарушениями менструального цикла и функции яичников.
В работе представлены результаты сравнительного хемореактомного анализа четырёх биологически активных стереоизомеров: миоинозитола, D-хироинозитола, неоинозитола и скиллоинозитола, а также фолиевой кислоты и метформина. Оценка свойств исследуемых молекул проведены на уровнях метаболома, протеома и реактома человека. Получены особенности распределения, фармакокинетические и фармакодинамические параметры. Показано, что эффекты D-хироинозитола и скиллоинозитола существенно отличаются от эффектов миоинозитола и неоинозитола.
В представленных на российском рынке инозитоловых препаратах используется, как правило, только миониозитол. Одним из средств, содержащим D-хироинозитол, является Дикироген (пр-во Pizeta Pharma S.p.A., номер свидетельства о гос. Регистрации RU.77.99.88.003.R.003252.09.19), содержащий 1000 мг миоинозитола и 200 мг D-хироинозитола. Кроме того, Дикироген содержит 200 мкг фолиевой кислоты и 5 мг марганца в форме органической соли с высокой биодоступностью (марганца пидолат). Марганец [32] и фолиевая кислота являются синергистами инозитолов и повышают восприимчивость тканей к инсулину, клеток яичников к гонадотропину, лютеинизирующему и фолликулостимулирующему гормонам (тем самым повышая частоту овуляторных циклов) и повышают эффективность профилактики врожденных пороков развития плода [4].
Благодарности: Исследование по части витамина В12 выполнено на средства гранта Российского научного фонда (проект № 20-12-00175), ИГХТУ. This work was financially supported by the grant of the Russian Science Foundation (N20-12-00175), ISUCT.
Литература
1. Громова О. А., Торшин И. Ю., Гришина Т. Р., Громов А. Н., Лиманова О. А. Систематический анализ молекулярно-физиологических эффектов миоинозитола: данные молекулярной биологии, экспериментальной и клинической медицины. Эффективная фармакотерапия. 28, 2013, с. 4-12. [O.A. Limanova, O.A. Gromova, I.Yu. Torshin, A.N. Gromov, T.R. Grishina. Systematic analysis of molecular mechanisms and physiological effects of myo-inositol: findings of molecular biology, experimental and clinical medicine. Effektivnaja farmakoterapija. Akusherstvo i Ginekologija, 3(28):4-12].
2. Larner J. D-chiro-inositol--its functional role in insulin action and its deficit in insulin resistance. Int J Exp Diabetes Res. 2002;3(1):47-60. doi:10.1080/15604280212528 PMID: 11900279
3. Громова О.А., Торшин И.Ю., Калачёва А.Г., Тетруашвили Н.К. Роли мио-инозитола в поддержании репродуктивного здоровья женщины. Повышение эффективности технологий экстракорпорального оплодотворения РМЖ. Мать и дитя №1 от 26.09.2018 C. 88-95 DOI: 10.32364/2618-8430-2018-1-1-88-95 Gromova O.A., Torshin I.Yu., Kalacheva A.G., Tetruashvili N.K. Roles of myo-inositol in maintaining women’s reproductive health. Increase effectiveness of in vitro fertilization techniques. Russian journal of Woman and Child Health. 2018;1(1):- 95.]
4. Громова О.А., Торшин И.Ю., Уварова Е.В., и др. Систематический анализ биологических ролей и фармакологических свойств D-хироинозитола // Гинекология. - 2020. - Т. 22. - №3. - C. 21-28. doi: 10.26442/20795696.2020.3.200210 [Gromova O.A., Torshin I.Y., Uvarova E.V., и др. Systematic analysis of the biological roles and pharmacological properties of D-chiro-inositol // Gynecology. - 2020. - Т. 22. - №3. - C. 21-28. doi: 10.26442/20795696.2020.3.200210].
5. Torshin I.Yu (Ed. Gromova OA). Sensing the change from molecular genetics to personalized medicine. Nova Biomedical Books, NY, USA, 2009, In “Bioinformatics in the Post-Genomic Era” series, ISBN 1-60692-217-0.
6. Торшин И.Ю., Громова О.А., Сардарян И.С., Федотова Л.Э. Сравнительный хемореактомный анализ мексидола. Журнал неврологии и психиатрии им. C.C. Корсакова. 2017. Т. 117. № 1-2. С. 75-83. [Torshin IY, Gromova OA, Sardaryan IS, Fedotova LE. Sravnitel'nyi khemoreaktomnyi analiz meksidola [A comparative chemoreactome analysis of mexidol]. Zh Nevrol Psikhiatr Im S S Korsakova. 2017;117(1. Vyp. 2):75-83. Russian. PMID: 28514338.].
7. Торшин И.Ю., Громова О.А., Стаховская Л.В., Семёнов В.А., Громов А.Н. Дифференциальный хемореактомный анализ синергидных комбинаций толперизона и нестероидных противовоспалительных препаратов. Неврология, нейропсихиатрия, психосоматика. 2019. Т. 11. № 2. С. 78-85. [Torshin IYu, Gromova OA, Stakhovskaya LV, et al. Differential chemoreactome analysis of synergistic combinations of tolperisone and nonsteroidal antiinflammatory drugs. Nevrologiya, neiropsikhiatriya, psikhosomatika = Neurology, Neuropsychiatry, Psychosomatics. 2019;11(2):78-85.]
8. Wishart DS, Tzur D, Knox C, Eisner R, Guo AC, Young N, Cheng D, Jewell K, Arndt D, Sawhney S, Fung C, Nikolai L, Lewis M, Coutouly MA, Forsythe I, Tang P, Shrivastava S, Jeroncic K, Stothard P, Amegbey G, Block D, Hau DD, Wagner J, Miniaci J, Clements M, Gebremedhin M, Guo N, Zhang Y, Duggan GE, Macinnis GD, Weljie AM, Dowlatabadi R, Bamforth F, Clive D, Greiner R, Li L, Marrie T, Sykes BD, Vogel HJ, Querengesser L. HMDB: the Human Metabolome Database. Nucleic Acids Res. 2007;35(Databas:D521-D526.
9. Mering C, Jensen L, Snel B, Hooper S, Krupp M. STRING: known and predicted protein-protein associations, integrated and transferred across organisms. Nucleic Acids Research, 2005, Vol. 33, Database issue D433-D437.
10. Kim S, Chen J, Cheng T, Gindulyte A, He J, He S, Li Q, Shoemaker BA, Thiessen PA, Yu B, Zaslavsky L, Zhang J, Bolton EE. PubChem 2019 update: improved access to chemical data. Nucleic Acids Res. 2019 Jan 8; 47(D1):D1102-1109. doi:10.1093/nar/gky1033.
11. Torshin, I.Y. The study of the solvability of the genome annotation problem on sets of elementary motifs. Pattern Recognit. Image Anal. 21, 652-662 (2011).
12. Torshin, I.Y., Rudakov, K.V. On the application of the combinatorial theory of solvability to the analysis of chemographs. Part 1: Fundamentals of modern chemical bonding theory and the concept of the chemograph. Pattern Recognit. Image Anal. 24, 11-23 (2014).
13. Torshin, I.Y., Rudakov, K.V. On the application of the combinatorial theory of solvability to the analysis of chemographs: Part 2. Local completeness of invariants of chemographs in view of the combinatorial theory of solvability. Pattern Recognit. Image Anal. 24, 196-208 (2014).
14. Ruf JC, Ciavatti M, Gustafsson T, Renaud S. Effect of D-myo-inositol on platelet function and composition and on cataract development in streptozotocin-induced diabetic rats. Biochem Med Metab Biol. 1992 Aug;48(1):46-55. doi: 10.1016/0885-4505(92)90047-3. PMID: 1388035.
15. Pan K, Nelson RA, Wactawski-Wende J, Lee DJ, Manson JE, Aragaki AK, Mortimer JE, Phillips LS, Rohan T, Ho GYF, Saquib N, Shadyab AH, Nassir R, Rhee JJ, Hurria A, Chlebowski RT. Insulin Resistance and Cancer-Specific and All-Cause Mortality in Postmenopausal Women: The Women's Health Initiative. J Natl Cancer Inst. 2020 Feb 1;112(2):170-178. doi: 10.1093/jnci/djz069. PMID: 31184362; PMCID: PMC7019097.
16. Pan K, Chlebowski RT, Mortimer JE, Gunther MJ, Rohan T, Vitolins MZ, Adams-Campbell LL, Ho GYF, Cheng TD, Nelson RA. Insulin resistance and breast cancer incidence and mortality in postmenopausal women in the Women's Health Initiative. Cancer. 2020 Aug 15;126(16):3638-3647. doi: 10.1002/cncr.33002. Epub 2020 Jun 12. PMID: 32530506.
17. Alfieri JA, Martin AD, Takeda J, Kondoh G, Myles DG, Primakoff P. Infertility in female mice with an oocyte-specific knockout of GPI-anchored proteins. J Cell Sci. 2003 Jun 1; 116(Pt 11):2149-55. doi: 10.1242/jcs.00430. Epub 2003 Apr 8. PMID: 12692150.
18. Kim JW, Park HJ, Chae SK, Ahn JH, DO GY, Choo YK, Park JJ, Jung BD, Kim SU, Chang KT, Koo DB. Ganglioside GD1a promotes oocyte maturation, furthers preimplantation development, and increases blastocyst quality in pigs. J Reprod Dev. 2016 Jun 17;62(3):249-55. doi: 10.1262/jrd.2015-083. Epub 2016 Feb 9. PMID: 26860251; PMCID: PMC4919288.
19. Babchia N, Calipel A, Mouriaux F, Faussat AM, Mascarelli F. The PI3K/Akt and mTOR/P70S6K signaling pathways in human uveal melanoma cells: interaction with B-Raf/ERK. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2010 Jan;51(1):421-9. doi: 10.1167/iovs.09-3974. Epub 2009 Aug 6. PMID: 19661225.
20. Sie KK, Li J, Ly A, Sohn KJ, Croxford R, Kim YI. Effect of maternal and postweaning folic acid supplementation on global and gene-specific DNA methylation in the liver of the rat offspring. Mol Nutr Food Res. 2013 Apr;57(4):677-85. doi: 10.1002/mnfr.201200186. Epub 2013 Mar 6. PMID: 23463647.
21. Bian A, Ma Y, Zhou X, Guo Y, Wang W, Zhang Y, Wang X. Association between sarcopenia and levels of growth hormone and insulin-like growth factor-1 in the elderly. BMC Musculoskelet Disord. 2020 Apr 7;21(1):214. doi: 10.1186/s12891-020-03236-y. PMID: 32264885; PMCID: PMC7140321.
22. Ullah A, Jahan S, Razak S, Pirzada M, Ullah H, Almajwal A, Rauf N, Afsar T. Protective effects of GABA against metabolic and reproductive disturbances in letrozole induced polycystic ovarian syndrome in rats. J Ovarian Res. 2017 Sep 15;10(1):62. doi: 10.1186/s13048-017-0359-7. PMID: 28915843; PMCID: PMC5603011.
23. Liu JH, Patel B, Collins G. Central Causes of Amenorrhea. 2016 Mar 1. In: Feingold KR, Anawalt B, Boyce A, Chrousos G, de Herder WW, Dungan K, Grossman A, Hershman JM, Hofland HJ, Kaltsas G, Koch C, Kopp P, Korbonits M, McLachlan R, Morley JE, New M, Purnell J, Singer F, Stratakis CA, Trence DL, Wilson DP, editors. Endotext [Internet]. South Dartmouth (MA): MDText.com, Inc.; 2000-. PMID: 25905176.
24. Lanza di Scalea T, Pearlstein T. Premenstrual Dysphoric Disorder. Psychiatr Clin North Am. 2017 Jun;40(2):201-216. doi: 10.1016/j.psc.2017.01.002. Epub 2017 Mar 1. PMID: 28477648.
25. Tanaka E, Baba N, Toshida K, Suzuki K. Evidence for 5-HT2 receptor involvement in the stimulation of preovulatory LH and prolactin release and ovulation in normal cycling rats. Life Sci. 1993;52(7):669-676. PMID: 8429759. doi:10.1016/0024-3205(93)90459-g
26. Rossi AG, Sawatzky DA, Walker A, Ward C, Sheldrake TA, Riley NA, Caldicott A, Martinez-Losa M, Walker TR, Duffin R, Gray M, Crescenzi E, Martin MC, Brady HJ, Savill JS, Dransfield I, Haslett C. Cyclin-dependent kinase inhibitors enhance the resolution of inflammation by promoting inflammatory cell apoptosis. Nat Med. 2006 Sep;12(9):1056-64. doi: 10.1038/nm1468. Epub 2006 Sep 3. Erratum in: Nat Med. 2006 Dec;12(12):1434. Dosage error in article text. PMID: 16951685.
27. Aka JA, Mazumdar M, Chen CQ, Poirier D, Lin SX. 17beta-hydroxysteroid dehydrogenase type 1 stimulates breast cancer by dihydrotestosterone inactivation in addition to estradiol production. Mol Endocrinol. 2010 Apr;24(4):832-45. doi: 10.1210/me.2009-0468. Epub 2010 Feb 19. PMID: 20172961; PMCID: PMC5417535.
28. Zheng S, Wu H, Wang F, Lv J, Lu J, Fang Q, Wang F, Lu Y, Zhang S, Xu Y, Bao Q, Xie C, Yin Z. The oncoprotein HBXIP facilitates metastasis of hepatocellular carcinoma cells by activation of MMP15 expression. Cancer Manag Res. 2019 May 16;11:4529-4540. doi: 10.2147/CMAR.S198783. PMID: 31191014; PMCID: PMC6529033.
29. Yang L, Froio RM, Sciuto TE, Dvorak AM, Alon R, Luscinskas FW. ICAM-1 regulates neutrophil adhesion and transcellular migration of TNF-alpha-activated vascular endothelium under flow. Blood. 2005 Jul 15;106(2):584-92. doi: 10.1182/blood-2004-12-4942. Epub 2005 Apr 5. PMID: 15811956; PMCID: PMC1635241.
30. Baszczuk A, Kopczynski Z, Kopczynski J, Cymerys M, Thielemann A, Bielawska L, Banaszewska A. Impact of administration of folic acid on selected indicators of inflammation in patients with primary arterial hypertension. Postepy Hig Med Dosw (Online). 2015 Apr 7;69:429-35. doi: 10.5604/17322693.1148336. PMID: 25897102.
31. Michalakis K, Mintziori G, Kaprara A, Tarlatzis BC, Goulis DG. The complex interaction between obesity, metabolic syndrome and reproductive axis: a narrative review. Metabolism. 2013 Apr;62(4):457-78. doi: 10.1016/j.metabol.2012.08.012. Epub 2012 Sep 20. PMID: 22999785.
32. О.А.Громова, Андреева Е.Н., И.Ю.Торшин, Тапильская Н.И., Уварова ЕВ. Системнобиологический анализ ролей марганца в акушерстве и гинекологии: репродуктивное здоровье женщины, регуляция менструального цикла и профилактика пороков развития плода. Вопросы гинекологии, акушерства и перинатологии. 2020; 19(1): 103-113. DOI: 10.20953/1726-1678-20201-103-113 [Gromova O.A., Andreeva E.N., Torshin I.Yu., Tapil'skaya N.I., Uvarova E.V. A systemic biological analysis of the role of manganese in obstetrics and gynaecology: women's reproductive health, menstrual cycle regulation and prevention of fetal malformations. Vopr. ginekol. akus. perinatol. (Gynecology, Obstetrics and Perinatology). 2020; 19(1): 103-113. (In Russian). DOI: 10.20953/1726-1678-2020-1-103-113]
