4,4а-дигидроксантоны как перспективные соединения для создания новых антимикробных препаратов

Р01: 10.37489/0235-2990-2019-64-11-12-3-7 ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

4,4а-дигидроксантоны как перспективные соединения для создания новых антимикробных препаратов

*В. В. ФРОЛОВА, С. В. ГУРИНА, Н. М. ЧЕРНОВ, И. П. ЯКОВЛЕВ

Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет, Санкт-Петербург

4,4A-Dihydroxanthones as Promising Compounds for Creation of New Antimicrobials

*V. V. FROLOVA, S. V. GURINA, N. M. CHERNOV, I. P. YAKOVLEV

Saint Petersburg State Chemical Pharmaceutical University, Saint Petersburg

С целью прогнозирования биологической активности новых производных 4,4а-дигидроксантона была использована компьютерная программа PASS (Prediction of Activity Spectra for Substances), позволяющая предсказать спектр биологической активности химических соединений на основе анализа взаимосвязей «структура—активность». Производные 4,4а-ди-гидроксантона были синтезированы на кафедре органической химии Санкт-Петербургского государственного химико-фармацевтического университета. В результате проведённого скрининга установлено, что 4,4а-дигидроксантоны могут проявлять антибактериальное, противогрибковое, противоопухолевое, противовирусное действие. Антимикробная активность полученных соединений была изучена в отношении грамположительных и грамотрицательных бактерий, а также грибов. Показано, что дигидроксантоны оказывали ингибирующее действие на грамположительные бактерии. Установлена взаимосвязь между строением производных и их противомикробной активностью. Наличие электроноакцепторных заместителей приводило к повышению активности, а электронодонорные заместители снижали антибактериальный эффект соединений. Было выявлено наиболее активное соединение — 5-бром-7-хлор-4,4а-дигидроксантон — обладающее активностью в отношении некоторых клинических штаммов стафилококков.

Ключевые слова: ксантоны, дигидроксантоны, противомикробная активность, структура—активность, клинические штаммы стафилококков, VITEK2 COMPACT60.

In order to predict the biological activity of the new derivatives of 4,4a-dihydroxanthone, the PASS (Prediction ofActivity Spectra for Substances) computer program was used. It allows predicting the biological activity spectrum of chemical compounds based on the analysis of structure—activity interrelation. Derivatives of 4,4a-dihydroxanthone were synthesized at the Department of Organic Chemistry of the Saint Petersburg State Chemical Pharmaceutical University. As a result of the screening, it was found that 4,4a-dihydroxanthones can exhibit antibacterial, antifungal, antitumor, and antiviral effects. Antimicrobial activity of the obtained compounds was studied against Gram-positive and Gram-negative bacteria, as well as fungi. Dihydroxanthones were shown to have an inhibitory effect on Gram-positive bacteria. Relationship between the structure of derivatives and their antimicrobial activity is established. The presence of electron-withdrawing substituents led to an increase in activity, and electron-donating substituents reduced the antibacterial effect of the compounds. The most active compound, 5-bromo-7-chloro-4,4a-dihydrox-anthone, was found to be active against certain clinical strains of staphylococci.

Keywords: xanthones, dihydroxanthones, antimicrobial activity, structure—activity, clinical strains of staphylococci, VITEK 2 COMPACT 60.

Введение

Ксантоны — многочисленная группа гетероциклических соединений природного и синтетического происхождения, интерес к которым вызван широким спектром оказываемого ими фармакологического действия (рис. 1). Они обладают антибактериальным, противогрибковым, противомалярийным, противоопухолевым, противовоспалительным, антиоксидант-ным, антигистаминным, кардиотоническим действием, а также стимулируют центральную нервную систему [1].

© Коллектив авторов, 2019

*Адрес для корреспонденции:

E-mail: Zhilyaeva.valeriya@phaiminnotech.com

8 1

5 4

Рис. 1. Структурная формула ксантона.

Гораздо менее изучены частично гидрированные производные ксантона — дигидроксантоны (рис. 2). Они представляют интерес в связи с их фармакологическими свойствами.

Рис. 2. Структурная формула 4,4а-дигидроксантона.

Из данных литературы известно, что в 1994 г. из гриба Emericella nidulans (Aspergillus nidulans) было выделено производное 4,4а-дигидроксанто-на — нидулалин А (рис. 3), а в 1997 г. из гриба Penicillium sp. были выделены два новых производных нидулалина А — F390B и F390C (см. рис. 3). Показано, что эти соединения обладают мощным цитотоксическим действием [2].

Исследование культур гавайского изолята Phoma sp. привело к открытию симметричных ди-меров 4,4а-дигидроксантона — фомалевона А и фомалевона С (рис. 4). У них обнаружена антибактериальная активность в отношении Bacillus subtilis и Staphylococcus aureus. Фомалевон С также проявил противогрибковую активность в отношении Aspergillusflavus и Fusarium verticillioides [3].

На кафедре органической химии Санкт-Петербургского государственного химико-фармацевтического университета (СПХФУ) ведётся синтез 4,4а-дигидроксантонов и изучение их физико-химических свойств [4]. Структурное сходство синтетических 4,4а-дигидроксантонов с соединениями природного происхождения — ниду-лалином А и фомалевоном А и С, обладающими цитотоксическим и противомикробным действием, — делает данный класс соединений перспективным для изучения биологической активности.

Поэтому на первом этапе исследования целью является изучение противомикробной активности производных дигидроксантона, установление связи структура—активность и выявление наиболее активного соединения.

Материал и методы

На кафедре органической химии СПХФУ были синтезированы новые производные 4,4а-дигидроксантона с разными заместителями в ароматическом кольце (рис. 5) [4].

Для прогнозирования и определения предполагаемой биологической активности производных 4,4а-дигидроксанто-нов использовали компьютерную программу PASS (Prediction of Activity Spectra for Substances), которая позволяет предсказать спектр биологической активности химических соединений на основе анализа взаимосвязей «структура—активность».

Антимикробную активность данных производных исследовали методом двукратных серийных разведений в жидких питательных средах с последующим высевом на плотные питательные среды [5]. Определяли минимальные ингибирующие цид-

Рис. 3. Нидулалин и его производные.

ОН О он

Фомалевон А

ОН о он

Н3С Фомалевон С

Рис. 4. Фомалевон А и фомалевон С.

О О

Рис. 5. Структурная формула синтезированных производных 4,4а-дигидроксантона.

ные (МЦК) и статические концентрации (МСК) соединений. В качестве тест-культур использовали грамположительные бактерии Staphylococcus aureus ATCC 6538, S.aureus Д1404, резистентный к бензилпенициллину, метициллинорезистентный штамм S.aureus (MRSA), Staphylococcus haemolyticus, Bacillus cereus АТСС 10702, Mycobacterium sp. К8, Corynebacterium glutamicum H-46 и грамотрицательную бактерию Escherichia coli АТСС 25922. Для определения противогрибковой активности использовали дрожжи Candida albicans РКПГУ401.

Результаты

В результате проведённого скрининга с помощью программы PASS установлено, что 4,4а-ди-гидроксантоны обладают противоопухолевым, противовирусным, антибактериальным, противогрибковым действием, а также ингибируют высвобождение гистамина.

При исследовании противомикробной активности на первом этапе в качестве тест-культур использовали S.aureus, B.cereus, Mycobacterium sp., C.glutamicum, E.coli и Candida albicans.

В качестве препаратов сравнения были выбраны антибиотики ванкомицин, обладающий

выраженной антистафилококковой активностью и доксициклин, схожий по структуре с дигидрок-сантонами.

Все синтезированные производные дигид-роксантона оказались малоактивны в отношении грамотрицательной культуры Е.соН и дрожжей С.аШсат (МЦК 125-250 мкг/мл).

При исследовании антимикробного действия производных в отношении З.аыгвш установлено, что соединение I (5-бром-7-хлор-4,4а-дигидрок-сантон) оказывало выраженное статическое (МСК — 2 мкг/мл) и цидное (МЦК — 4 мкг/мл) антистафилококковое действие, схожее с активностью ванкомицина (МЦК — 2 мкг/мл) и превышающее активность доксициклина (МЦК — 8 мкг/мл) (табл. 1).

Соединения к (5,7-дибром-4,4а-дигидроксан-тон) и о (5-бром-6,7-диметил-4,4а-дигидроксан-тон) оказывали заметное статическое и цидное действие на стафилококк (МСК — 4 мкг/мл, МЦК — 8-16 мкг/мл), схожее с действием доксициклина (табл. 1).

При исследовании антимикробной активности в отношении В.свгвыз установлено, что соединения к (5,7-дибром-4,4а-дигидроксантон), I (5-бром-7-хлор-4,4а-дигидроксантон) и о (5-бром-6, 7 - диметил- 4, 4а-дигидроксантон) оказывали выраженное цидное действие (МЦК — 8 мкг/мл, 4 мкг/мл и 4 мкг/мл, соответственно), схожее с препаратами сравнения. Соединение # (5,7-диб-ром-6-метокси-4,4а-дигидроксантон) проявляло умеренное подавляющее действие на В.свгвыБ в концентрации 16 мкг/мл. Остальные дигид-роксантоны были менее активны (МЦК — 32-125 мкг/мл) (см. табл. 1).

Выявлено, что производные 4,4а-дигидрок-

Таблица 1. Противомикробная активность производных 4,4а-дигидроксантона в отношении грамположи-тельных бактерий

Производные 4,4а- Минимальная ингибирующая концентрация, мкг/мл

дигидроксантона S.aureus B.cereus Mykobacterium sp. C.glutamicum

MCK МЦК MCK МЦК MCK МЦК MCK МЦК

A 8 32 — 62,5 — 16 32 62,5

B 8 32 — 32 8 32 32 62,5

C 16 32 — 32 16 32 32 62,5

D 62,5 125 — 62,5 16 32 32 62,5

E 32 62,5 — 32 — 62,5 — 125

F 62,5 125 62,5 125 — 62,5 — 125

G 62,5 250 62,5 125 16 32 — 62,5

H 62,5 250 — 62,5 32 62,5 62,5 125

I 16 32 — 62,5 — 62,5 — 62,5

J 32 62,5 — 32 — 16 16 32

K 4 8 — 8 — 2 4 8

L 2 4 — 4 1 2 2 4

M 16 32 — 32 8 16 32 62,5

N 4 32 16 32 — 8 16 32

O 4 16 — 4 4 8 8 16

P — 62,5 — 62,5 — 62,5 — 62,5

Q 4 32 — 16 — 8 8 16

Ванкомицин — 2 — 2 — 2 — 2

Доксициклин 0,5 8 0,5 4 0,25 1 0,25 2

Рис. 6. Структурная формула соединений г и s.

Таблица 2. Противомикробная активность производных 4,4а-дигидроксантона r и s

Тест-микроорганизмы Минимальная ингибирующая концентрация, мкг/мл

Соединение r Соединение s Ванкомицин

МСК МЦК МСК МЦК МСК МЦК

S.aureus 8 16 4 8 — 2

B.cereus — 4 — 4 — 2

Mycobacterium sp. — 4 — 4 0,5 1

C.glutamicum 8 16 4 8 — 2

E.coli — 500 — 500 — —

C.albicans 125 250 63 125

сантона k (5,7-дибром-4,4а-дигидроксантон) и l (5-бром-7-хлор-4,4а-дигидроксантон) оказывали выраженное статическое (МСК — 1—4 мкг/мл) и цидное (МЦК — 2—8 мкг/мл) действие на Mycobacterium sp. и Corynebacterium glutamicum, сравнимое с ванкомицином и доксициклином. Остальные соединения были менее активны (МЦК — 16-125 мкг/мл) (см. табл. 1).

Установлена закономерность между строением дигидроксантонов и антимикробной активностью в отношении грамположительных культур.

Наличие электроноакцепторных заместителей приводило к повышению активности, а электроно-донорные заместители снижали антимикробный эффект соединений. Введение в седьмое положение хлора, брома, фтора или нитрогруппы незначительно увеличивало антимикробную активность соединений. Метильная группа в шестом и седьмом положениях снижала антимикробный эффект. Введение метоксигруппы в седьмое положение незначительно увеличивало активность. Введение в молекулу дигидроксантона второго галогена, а именно брома в 5-е положение, увеличивало антимикробную активность соединений в 10 раз.

Было выявлено наиболее активное соединение в отношении грамположительных культур — 5-бром-4-диметил-7-хлор-4,4а-дигидроксантон.

С помощью дальнейшей химической модификации активного соединения были получены два новых производных дигидроксантона — r и s (рис. 6) и изучена их антимикробная активность (табл. 2).

Модифицированные соединения также оказались малоактивны в отношении E. coli (МЦК —

500 мкг/мл) и дрожжей C.albicans (МЦК — 125-250 мкг/мл).

В отношении грамположительных культур производные проявили умеренную активность.

На следующем этапе исследования была изучена противомикробная активность наиболее активных соединений k, l, r, s в отношении клинических штаммов стафилококков: S.aureus Д1404 (резистентный к бензилпенициллину), метицил-линорезистентный S.aureus (MRSA) и S.epider-midis (устойчивый к бензилпенициллину, цефок-ситину, эритромицину, гентамицину, левофлок-сацину, норфлоксацину) (табл. 3).

С помощью анализатора VITEK 2 COMPACT 60 была проведена видовая идентификация клинических штаммов стафилококков и обнаружено, что S.epidermidis с точностью 99% относится к S.haemolyticus.

Соединения проявили умеренную активность в отношении клинического золотистого стафилококка Д1404, резистентного к бензилпе-нициллину. МЦК составила 16-32 мкг/мл, как и у одного из препаратов сравнения — доксицик-лина (МЦК — 32 мкг/мл).

На метициллинорезистентный стафилококк оказало выраженное действие соединение 5-бром-4-диметил-7-хлор-дигидроксантон (l) и 5,7-дибромдигидроксантон (k) (МСК — 4 мкг/мл, МЦК — 8 мкг/мл), схожее с действием ванкоми-цина (МЦК — 4 мкг/мл) и превышающее по активности доксициклин (МЦК — 32 мкг/мл).

Соединение 5-бром-4-диметил-7-хлор-диги-дроксантон (l) проявило выраженную активность в отношении гемолитического стафилококка, ус-

Таблица 3. Противомикробная активность производных дигидроксантона в отношении клинических штаммов стафилококка

Соединение

Минимальная ингибирующая концентрация, мкг/мл

S.aureus Д1404

MRSA

МСК

МЦК

МСК

МЦК

S.haemolyticus

МСК

МЦК

16

0,5

K

16

32

R

16

32

16

32

16

16

16

Ванкомицин

Доксициклин

0,5

32

32

8

4

8

1

L

4

8

2

4

8

2

4

S

4

4

2

4

4

1

8

тойчивого к ряду антибиотиков (МЦК — 1 мкг/мл), превышающую активность ванкоми-цина и доксициклина.

Заключение

5-Бром-4-диметил-7-хлор-дигидроксантон (l) был выбран как перспективный антимикробный агент.

Суммируя вышесказанное, можно сделать вывод, что получен новый перспективный класс противомикробных агентов — 4,4а-дигидрок-

ЛИТЕРАТУРА

1. Pinto M.M.M., Sousa M.E., Nascimento M.S.J. Xanthone Derivatives: New Insights in Biological Activities. Curr Med Chem 2005; 12: 2517-2538.

2. Kye-Simeon Masters, Brase S. Xanthones from Fungi, Lichens, and Bacteria: The Natural Products and Their Synthesis. Chem Rev 2012; 112 (Suppl 7): 3717-3776. doi: 10.1021/cr100446h.

3. Shim S.H., Baltrusaitis J., Gloer J.B., Wicklow D.T. Phomalevones A.-C. Dimeric and Pseudodimeric Polyketides from a Fungicolous Hawaiian

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ:

Фролова Валерия Владимировна — аспирант кафедры микробиологии СПХФУ, Санкт-Петербург

Гурина Светлана Владимировна — к. б. н., доцент кафедры микробиологии СПХФУ, Санкт-Петербург

сантонов. Дальнейшее изучение данных соединений и их модификация позволит повысить их эффективность.

Грант Комитета по науке и высшей школе (КНВШ) — конкурс грантов для студентов ВУЗов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, аспирантов ВУЗов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, 2018 год, ПСП № 18729, тема гранта «Производные 4,4а-дигидроксантона в создании новых противомикробных средств».

Isolate of Phoma sp. (Cucurbitariaceae). J Nat Prod 2011; 74 (Suppl 3): 395-401. doi: 10.1021/np100791b.

4. Chernov N.M., Shutov R.V., Sharoyko V.V., Kuz'mich N.N., BelyakovA.V., Yakovlev IP. Synthetic Route to 4,4a- and 3,4-Dihydroxanthones through [4+2] Cycloaddition and Base-Assisted Sigmatropic Rearrangement. Eur J Org Chem 2017; 19: 2836-2841. doi.org/10.1002/ejoc.201700310.

5. Руководство по проведению доклинических исследований лекарственных средств. Часть первая. М.: Гриф и К, 2012. — 944 с. / Rukovodstvo po provedenijyu doklinicheskikh issledovanij lekarstven-nykh sredstv. Chast' pervaya. M.: Grif i K, 2012; 944. [in Russian]

Чернов Никита Максимович — к. х. н., научный сотрудник лаборатории синтеза СПХФУ, Санкт-Петербург Яковлев Игорь Павлович — д. х. н., зав. кафедрой органической химии СПХФУ, профессор кафедры органической химии СПХФУ, Санкт-Петербург