Біофізичні дослідження молекулярних механізмів дії хіміотерапевтичних препаратів. 2. Протимікробні та протималярійні препарати (Огляд)
Анотація
Актуальність. Отримання відомостей стосовно молекулярних механізмів дії біологічно активних сполук є необхідним кроком для розробки нових лікарських препаратів. Для встановлення механізмів взаємодії хіміотерапевтичних препаратів, які впливають на збудників інфекційних захворювань, з їх потенційними молекулярними мішенями у біооб’єктах необхідні розробка та застосування молекулярно-біофізичних експериментальних та теоретичних методів дослідження.
Мета роботи. Метою огляду є узагальнення багаторічного досвіду вивчення молекулярних механізмів дії хіміотерапевтичних препаратів у біофізичних відділах Фізико-технічного інституту низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України (ФТІНТ). У другій частині огляду представлено дані стосовно запропонованих механізмів дії низки протимікробних і протималярійних агентів.
Матеріали та методи. У комплексних дослідженнях було використано експериментальні методики м’якоіонізаційної мас-спектрометрії в поєднанні з комп’ютерним моделюванням методами квантової хімії.
Результати. Було досліджено модельні системи, які складалися з хіміотерапевтичного препарату та його молекулярних мішеней: протимікробних препаратів та компонентів біомембран, протималярійних препаратів та гема. На молекулярному рівні встановлено механізми дії цих хіміотерапевтичних агентів, які полягають у невалентних взаємодіях молекул або іонів препаратів з молекулами-мішенями з утворенням стабільних супрамолекулярних комплексів. Методи м’якоіонізаційної мас-спектрометрії дозволили зареєструвати невалентні комплекси лікарських препаратів з біомолекулами. Структурні, електронні та енергетичні характеристики цих комплексів встановлено квантово-хімічними розрахунками.
Висновки. Результати досліджень, які проводилися протягом кількох десятиріч у ФТІНТ, продемонстрували ефективність застосування молекулярно-біофізичних підходів до встановлення молекулярних механізмів дії хіміотерапевтичних препаратів. Отримані результати мають практичне значення для подальшої розробки лікарських засобів та способів їх застосування. Низку результатів включено до міжнародних баз даних.
Завантаження
Посилання
Mashkovskii, M. D. (2011) Lekarstvennye sredstva: posobie dlia vrachei [Medicines: A Handbook for Physicians]. Moskva: Novaia volna. (in Russian)
Gnatchenko, S. L. (Ed). (2010). Fiziko-tehnicheskij institut nizkih temperatur im. B.I. Verkina NAN Ukrainy. 50 let [Institute for Low Temperature Physics and Engineering of the NAS of Ukraine. 50 years]. Kiev: Naukova dumka. (in Russian)
Kosevich, M. V., Ryazanova, O. A., Pashynska, V. A. (2019). Biophysical investigations of molecular mechanisms of chemotherapeutic agents action. 1. Chemotherapeutic and antiviral agents (Review). Biophysical Bulletin, (42), 8 27. (in Russian) – In press.
Verkin, B. I., Yanson, I. K., Sukhodub, L. F., Teplitsky, A. B. (1985). Vsaimodejstviia biomolekul. Novye eksperimental’nye podhody i metody. [Interactions of biomolecules. New experimental approaches and methods]. Kiev: Naukova dumka. (in Russian)
Pokrovskiy V. A. (2012). Desorption mass spectrometry: physics, physical chemistry, surface chemistry. Visnyk Natsionalnoi Akademii Nauk Ukrainy [Visnyk of the National Academy of Sciences of Ukraine], (12), 28-43. (in Ukranian)
Sukhodub, L. F. (1995). Soft-ionization mass spectrometry study of deoxynucleoside bioclusters and deoxynucleoside-antitumor medicinal preparation clusters // Mass Spectrometry Reviews, 14(4-5), 235 254. doi:10.1002/mas.1280140402
Kosevich, M. V., Shelkovsky, V. S. (1993). A new type of graphite emitters for field ionization/field desorption mass spectrometry. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 7(9), 805-811. doi10.1002/rcm.1290070905
Kosevich, M. V., Pashinskaya, V. A., Shelkovsky, V. S. (1994). Direct identification of organic inclusions in graphite on the basis of field desorption mass spectrometry. Organic Mass Spectrometry, 29(9), 458-462. doi:10.1002/oms.1210290903
Kosevich, M. V. (1998) Low temperature secondary emission mass spectrometry. Cryobiological applications. European Mass Spectrometry, 4(4), 251 264. doi:10.1255/ejms.218
Blagoi, Yu. P., Sheina, G. G., Ivanov, A. Yu., Radchenko, E. D., Kosevich, M. V., Shelkovsky, V. S., Boryak, O. A., Rubin, Yu. V. (1999). Low-temperature experimental studies in molecular biophysics: a review. Low Temperature Physics, 25(10), 747 760. doi:10.1063/1.593810
National Center for Biotechnology Information, U.S. National Library of Medicine (2018). PubChem Compound Database. Retrieved from https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
Sukhodub, L. F., Kosevich, M. V., Shelkovskií, V. S., Volianskií, Iu. L. (1989). Mass-spectrometric analysis of an anti-microbial preparation decamethoxine. Antibiotiki i khimioterapiia, 34(11), 823 827.
Sukhodub, L. F., Kosevich, M. V., Shelkovskií, V. S., Boriak, O. A., Volianskií, Iu. L., Moleva, V. I., Chumachenko, T. A. (1989). Identification of bis-quaternary ammonium compounds using mild ionization mass spectrometry. Antibiotiki i khimioterapiia, 35(2), 10 12. (in Russian)
Kosevich, M. V., Pashynska, V. A., Szilagyu, Z., Vekey, K., Shelkovsky, V. S., Blagoy, Yu. P. (1998). Stability of decamethoxinum dication as revealed by secondary-ion mass spectrometry. Visnyk Kharkivskoho Universytetu No 422. Biofizychnyi Visnyk [Biophysical Bulletin], (2), 15–23.
Pashynska, V. A., Kosevich, M. V., Van den Heuvel, H., Claeys, M. (2006). The effect of cone voltage on electrospray mass spectra of the bisquaternary ammonium salt decamethoxinum. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 20(5), 755 763. doi:10.1002/rcm.2371
Pashynska, V. A., Kosevich, M. V., Gomory, A., Vekey, K., Claeys, M., Chagovets, V. V., Pokrovskiy, V. A. (2015). Variable electrospray ionization and matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectra of the bisquaternary ammonium salt ethonium. Mass Spectrometry & Purification Techniques, 1(1), 103 (9p). doi:10.4172/2469-9861.1000103
Pokrovsky, V. A., Kosevich, M. V., Osaulenko, V. L., Chagovets, V. V., Pashynska, V. A., Shelkovsky, V. S., Karachevtsev, V. A., Naumov, A. Yu. (2005). Matrix-assisted laser desorption-ionization study of bisquaternary ammonium antimicrobial agent decamethoxinum in 2,5-dihydroxybenzoic acid. Mass-spektrometria, 2(3), 183 192.
Pashynska, V. A., Kosevich, M. V., Gomory, A., Szilagyu, Z., Vekey, K., Stepanian,, S. G. (2005). On the stability of the organic dication of the bisquaternary ammonium salt decamethoxinum under liquid secondary ion mass spectrometry. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 19(6), 785 797. doi:10.1002/rcm.1846
Kosevich, M. V., Pashinskaya, V. A., Stepanian, S. G., Shelkovsky, V. S., Orlov, V. V., Blagoy, Yu. P. (1999). Quantum chemical study of decamethoxinum and related dications. Visnyk Kharkivskoho Universytetu No 434. Biofizychnyi Visnyk [Biophysical Bulletin], (3), 31–38.
Pashinskaya, V. A., Kosevich, M. V., Stepanian, S. G. (1999). Application of quantum chemical calculations data in study on molecular mechanisms of activity of drugs based on bisquaternary ammonium salts. Visnyk Problem Biologii ta Mediciny, (1), 118–125. (in Russian)
Pashinskaya, V. A., Kosevich, M. V., Stepanian, S. G. (2000). Qiantum-mechanical study of structure of hydrated bisquaternary ammonium compound decamethoxinum. Visnyk Kharkivskoho Universytetu. Biofizychnyi Visnyk No 497 [Biophysical Bulletin], (7), 29–34. (in Russian)
Kosevich, M. V., Chagovets, V. V., Shelkovsky, V. S., Boryak, O. A., Orlov, V. V., Gomory, A., Vegh, P. (2007). Is there a “matrix suppression effect” under fast atom bombardment liquid secondary ion mass spectrometry of ionic surfactants in glycerol? Rapid Communications in Mass Spectrometry, 21(4), 466 478. doi:10.1002/rcm.2859
Shelkovsky, V. S., Kosevich, M. V., Boryak, O. A., Chagovets, V. V., Shmigol, I. V., Pokrovskiy, V. A. (2014). Monomer/dimer dependent modulation of reduction of the cationic dye methylene blue in negatively charged nanolayers as revealed by mass spectrometry. RSC Advances, 4(104), 60260 60269. doi:10.1039/C4RA09592H
Kosevich, M. V., Boryak, O. A., Chagovets, V. V., Pashynska, V. A., Orlov, V. V., Stepanian, S. G., Shelkovsky, V. S. (2007). “Wet chemistry” and crystallochemistry reasons for acidic matrix suppression by quaternary ammonium salts under MALDI conditions. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 21(11), 1813-1819. doi:10.1002/rcm.3020
Pahynska, V., Kosevich, M., Stepanian, S., Adamowicz, L. (2007). Noncovalent complexes of tetramethylammonium with chlorine anion and 2,5-dihydroxybenzoic acid as models of the interaction of quaternary ammonium biologically active compounds with their molecular targets. A theoretical study. Journal of Molecular Structure: THEOCHEM, 815(1-3), 55 62. doi:10.1016/j.theochem.2007.03.019
Lysytsia, A. V. (2002). Fizyko-khimichna kharakterystyka biolohichno aktyvnykh rechovyn za danymy chasoprolitnoi plazmovo-desorbtsiinoi mas-spektrometrii [Physico-chemical characterization of biologically active compounds by means of plasma desorption mass spectrometry]. (PhD dissertation). Retrieved from http://www.disser.com.ua/contents/42180.html (in Ukrainian)
Babaev, V. M., Musin, R. Z., Korochkina, M. G. (2012). Investigation of diterpenoid isosteviol ammonium derivatives by matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry. Mass-Spectrometria, 9(3), 175-180.
National Center for Biotechnology Information (2018). PubChem Compound Database; Decamethoxine; CID=162291. Retrieved from https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/162291
Pashinskaya, V. A., Kosevich, M. V., Gomory, A., Vekey, K., Korzovskaya, O., Lisetskiy, L. N., Blagoy, Yu. P. (1999). Mass spectrometry investigation of noncovalent complexes of bisquaternary ammonium salts with phospholipids. Visnyk Kharkivskoho Universytetu No 450. Biofizychnyi Visnyk [Biophysical Bulletin], (4), 59–62. (in Russian)
Korzovskaya, O. V., Pashinskaya, V. A., Kosevich, M. V., Lisetski, L. N. (1999). Interaction of antimicrobial agents decamethoxinum and aethonium with model membranes. Visnyk Kharkivskoho Universytetu No 450. Biofizychnyi Visnyk [Biophysical Bulletin], (4), 35–39.
Pashinskaya, V. A. (2000). Interactions of bisquaternary ammonium compounds with components of biological membranes. (PhD dissertation). Retrieved from http://disser.com.ua/content/13690.html (in Russian)
Pashynskaya, V. A., Kosevich, M. V., Gomory, A., Vashchenko, O. V., Lisetski, L. N. (2002). Mechanistic investigation of the interaction between bisquaternary antimicrobial agents and phospholipids by liquid secondary ion mass spectrometry and differential scanning calorimetry. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 16(18), 1706–1713. doi:10.1002/rcm.771
Vashchenko, O., Pashynska, V., Kosevich, M., Panikarska, V., Lisetski, L. (2011). Lyotropic mesophase of hydrated phospholipids as model medium for studies of antimicrobial agents activity. Molecular Crystals and Liquid Crystals, 547(1), 155/[1845]–163[1853]. doi:10.1080/15421406.2011.572038
Pashynska, V. A., Kosevich, M. V., Van den Heuvel, H., Cuyckens, F., Claeys, M. (2004). Study of non-covalent complexes formation between the bisquaternary ammonium antimicrobial agent decamethoxinum and membrane phospholipids by electrospray ionization and collision- induced dissociation mass spectrometry. Visnyk Kharkivskoho Universytetu No 637. Biofizychnyi Visnyk [Biophysical Bulletin], (14), 123–130.
Pashynska, V. A., Kosevich, M. V., Gomory, A., Vekey, K. (2012). Investigations of the formation of noncovalent complexes between antimicrobial agent ethonium with membrane phospholipids by electrospray ionization mass spectrometry. Mass-Spectrometria, 9(2), 121–128.
Kasian, N. A., Pashynska, V. A., Vashchenko, O. V., Krasnikova, A. O., Gomory, A., Kosevich, M. V., Lisetski, L. N. (2014). Probing of the combined effect of bisquaternary ammonium antimicrobial agents and acetylsalicylic acid on model phospholipid membranes: differential scanning calorimetry and mass spectrometry studies. Molecular BioSystems, 10(12), 3155–3162. doi:10.1039/c4mb00420e
Pashynska, V., Boryak, O., Kosevich, M. V., Stepanian, S., Adamovicz, L. (2010). Competition between counterions and active protein sites to bind bisquaternary ammonium groups. A combined mass spectrometry and quantum chemistry model study. European Physical Journal D, 58(3), 287 296. doi:10.1140/epjd/e2010-00125-5.
Vashenko, O. V., Pashinskaya, V. A., Kosevich, M. V., Boryak, O. A., Kasyan, N. A. (2010). Study of joint action of bisquaternary ammonium compounds and organic acids on model phospholipid membranes. Biophysical Bulletin, 25(2), 44–61. (in Russian)
Vashchenko, O. V., Pashynska, V. A., Kosevich, M. V., Panikarskaya, V. D., Lisetski, L. N. (2010). Modulation of bisquaternary ammonium agents affect on model biomembranes by complex formation with an organic anion. Biopolymers and Cell, 26(6), 472–477. (in Russian)
Pashynska, V. A., Kosevich, M. V., Gomory, A., Vekey, K. (2013). Model mass spectrometric study of competitive interactions of antimicrobial bisquaternary ammonium drugs and aspirin with membrane phospholipids. Biopolymers and Cell, 29(2), 157–162. doi:10.7124/bc.000814
Vashenko, O. V., Kasian, N. A., Pashynska, V. A., Kosevich, M. V., Sadchenko, A. O., Tishko, D. N., Tishko, T. V., Titar, V. P., Lisetski, L. N. (2015). Intermolecular interaction of decamethoxinum and acetylsalicylic acid in systems of various complexity levels. Biophysical Bulletin, 34(2), 5–15.
National Center for Biotechnology Information (2018). PubChem Compound Database; Ethonium; CID=30869. Retrieved from https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/30869
Pashynska, V.A., Van den Heuvel, H., Claeys, M., Kosevich, M. V. (2004). Characterization of noncovalent complexes of antimalarial agents of the artemisinin-type and FE(III)-heme by electrospray mass spectrometry and collisional activation tandem mass spectrometry. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 15(8), 1181–1190. doi:10.1016/j.jasms.2004.04.030
Pashynska, V., Stepanian, S., Gomory, A., Vekey, K., Adamowicz, L. (2015). Competing intermolecular interactions of artemisinin-type agents and aspirin with membrane phospholipids: Combined model mass spectrometry and quantum-chemical study. Chemical Physics, 455, 81–87. doi:10.1016/j.chemphys.2015.04.014
Das, A. K. (2017). Anticancer effect of antimalarial artemisinin compounds. Anticancer Research, 37(11), 5995–6003.
Pashynska, V. A. (2009). Mass spectrometric study of intermolecular interactions between the artemisin-type agents and nucleobases. Biophysical Bulletin, 22(1), 20–28.
Shelkovsky, V.S. (2015). Utilization of redox and aggregation properties of methylene blue dye in nanobiophysical investigations. Biophysical Bulletin, 33(1), 5-29.
Kosevich, M. V., Boryak, O. A., Orlov, V. V., Shelkovsky, V. S., Chagovets, V. V., Stepanian, S. G., Karachevtsev, V. A., Adamowisz, L. (2006). Evaluation of the reduction of imidazophenazine dye derivatives under fast atom bombardment mass spectrometric conditions. Journal of Mass Spectrometry, 41(1), 113 123. doi:10.1002/jms.974
Kosevich, M. V., Chagovets, V. V., Shmigol, I. V., Snegir, S. V., Boryak, O. A., Orlov, V. V., Shelkovsky, V. S., Pokrovskiy, V. A., Gomory, A. (2008). Sensitivity of redox reactions of dyes to variations of conditions created in mass spectrometric experiments. Journal of Mass Spectrometry, 43(10), 1402–1412. doi:10.1002/jms.1421
Kosevich, M. V., Boryak, O. A., Chagovets, V. V., Shelkovsky, V.S., Pokroveky, V. A. (2016). Chapter Seven: Interactions of biologically active redox-sensitive dyes with nanomaterials: mass spectrometric diagnostics. In V. A. Karachevtsev (Ed.), Nanobiophysics: Fundamentals and Applications (pp. 193–233). Singapore: Pan Stanford Publishing.
Chagovets, V. V., Kosevich, M. V., Stepanian, S. G., Boryak, O. A., Shelkovsky, V. S., Orlov, V. V., Leontiev, V. S., Pokrovskiy, V. A., Adamowicz, L., Karachevtsev, V. A. (2012). Noncovalent interaction of methylene blue with carbon nanotubes: theoretical and mass spectrometry characterization. Journal of Physical Chemistry C, 116(38), 20579−20590. doi:10.1021/jp306333c
Shelkovsky, V. S., Kosevich, M. V., Boryak, O. A., Zobnina, V. G., Plokhotnichenko, A. M. Redox interactions of methylene blue with cysteine amino acid as a possible mechanizm of biological action of the dye. Biophysical Bulletin, 1(37), 30-41. (in Russian) doi:10.26565/2075-3810-2017-37-04
Karachevtsev, V. A. (Ed.). (2016). Nanobiophysics: Fundamentals and Applications. Singapore: Pan Stanford Publishing.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
