Drug repositioning as an approach to search for potential pharmacological chaperones of human glucocerebrosidase
Authors: Емельянов А.К. , Тюрин А.А. , Белых Е.А. , Пчелина С.Н. , Рычков Г.Н. 
Published: February 2024

Наиболее распространенным фактором повышенного риска развития болезни Паркинсона (БП) являются мутации в гене глюкоцереброзидазы (GBA). В гомозиготном, а также в компаундном гетерозиготном состоянии мутации в данном гене приводят к снижению ферментативной активности глюкоцереброзидазы (ГЦ), повышению уровня её субстрата гексозилсфингозина (HexSph) как в клетках мозга, так и периферической крови, и развитию наследственного заболевания, относящегося к классу лизосомных болезней накопления болезни Гоше (БГ). В литературе всё чаще встречается обсуждение использования фармакологических шаперонов (ФШ) ГЦ для терапии как GBA-БП, так и нейропатических форм БГ. Целью проводимого исследования являлось выявление среди широкого круга известных лекарственных препаратов потенциальных ФШ наиболее распространенной мутантной формы N370S ГЦ, не являющихся конкурентными ингибиторами фермента. Исследования проводили методами молекулярного моделирования в два этапа, используя сконструированную нами ранее атомарную модель мутантной формы ГЦ N370S. Сначала провели виртуальный скрининг 2089 одобренных к применению в клинической практике химических соединений, в результате которого были отобраны 26 соединений, обладающих наименьшей величиной расчётной оценочной функции, характеризующей сродство к белку. Данные препараты принадлежали к различным фармакологическим группам, из которых для дальнейшего исследования выбрали 6, приём которых в клинической практике возможен длительное время. Стабильность шести комплексов ГЦ с отобранными химическими соединениями проверяли методом молекулярной динамики с явным учётом водного окружения. Рассчитанная методом MMGBSA свободная энергия связывания четырёх соединений (олопатадин, флавинмононуклеотид, ребамипид, бенфотиамин ) ≤ -35 ккал/моль. Наибольшая вероятность проникновения через гематоэнцефалический барьер, прогнозируемая вэб-сервером ADMET, у препаратов Olopatadine (на уровне 17%) и Benfotiamine (на уровне 12%). Таким образом, в результате проведённого исследования из расширенной базы одобренных к применению лекарственных препаратов были выбраны потенциальные фармакологические шапероны ГЦ, способность которых повышать её ферментативную активность, а также снижать уровень субстрата HexSph требует дальнейшего изучения.

Mutations in the glucocerebrosidase (GBA) gene are the most common risk factor for developing Parkinson’s disease (PD). In the homozygous, as well as in the compound heterozygous state, mutations in this gene lead to a decrease in the enzymatic activity of glucocerebrosidase (GC), an increase in the level of its substrate hexosylsphingosine (HexSph) both in brain cells and peripheral blood, and the development of a hereditary disease belonging to the class lysosomal storage disease Gaucher disease (GD). The literature is increasingly discussing the use of GC pharmacological chaperones (PC) for the treatment of both GBA-PD and neuropathic forms of GD. The aim of the study was to identify among a wide range of known drugs potential PC of the most common mutant form of N370S GC, which are not competitive inhibitors of the enzyme. The studies were carried out by molecular modeling methods in two stages, using the atomic model of the N370S GC mutant form that we constructed earlier. First, a virtual screening of 2089 chemical compounds approved for use in clinical practice was carried out, as a result of which 26 compounds were selected that have the smallest value of the calculated evaluation function characterizing protein affinity. These drugs belonged to different pharmacological groups, of which 6 were selected for further study, which can be taken in clinical practice for a long time. The stability of six complexes of GC with selected chemical compounds was checked by the method of molecular dynamics with explicit allowance for the aqueous environment. The free energy of binding of four compounds (flavin mononucleotide, rebamipide, benfotiamine, olopatadine) calculated by the MMGBSA method is less than -35 kcal/mol. The highest probability of penetration through the blood-brain barrier, predicted by the ADMET web server, for the Olopatadine (at 17%) and Benfotiamine (at 12%) Thus, as a result of the study, potential pharmacological chaperones of GC were selected from an expanded database of approved drugs for use, the ability of which to increase its enzymatic activity, as well as to reduce the level of the HexSph substrate requires further study.