IN SILICO-ПРОГНОЗ БИОЛОГИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА И ФАРМАКОКИНЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРОИЗВОДНЫХ АМИНОТИАДИАЗОЛА

IN SILICO PREDICTION OF THE BIOLOGICAL POTENTIAL AND PHARMACOKINETIC PROPERTIES OF AMINOTHIADIAZOLE DERIVATIVES

Minayeva Yelena

Candidate of Chemical Sciences, Associate professor of Organic Chemistry and Polymers department, Karaganda Buketov University,

 Kazakhstan, Karaganda

Madiyar Diana

4th-year student, Faculty of Chemistry, Karaganda Buketov University,

Kazakhstan, Karaganda

АННОТАЦИЯ

Проведён комплексный in silico-анализ шести модельных производных аминотиадиазола на основе природных аминокислот. Прогноз биологической активности, токсичности и фармакокинетических свойств осуществлён с использованием онлайн-платформ PASS Online, SwissADME и ProTox-II. Установлено, что 5,5'-(1-аминоэтан-1,2-диил)бис(1,3,4-тиадиазол-2-амин) и 5-(1-аминопропил)-1,3,4-тиадиазол-2-амин обладают наивысшим антидиабетическим потенциалом, при этом соединение 5-(1-аминопропил)-1,3,4-тиадиазол-2-амин также характеризуется противотуберкулёзной активностью, низкой токсичностью и благоприятными ADME-параметрами. Полученные результаты обосновывают перспективность синтеза данных соединений с целью дальнейших in vitro и in vivo исследований и разработки потенциальных лекарственных средств.

ABSTRACT

A comprehensive in silico analysis of six model amino-thiadiazole derivatives based on natural amino acids was carried out. The prediction of biological activity, toxicity, and pharmacokinetic properties was performed using the PASS Online, SwissADME, and ProTox-II web platforms. Compounds 5,5'-(1-aminoethane-1,2-diyl)bis(1,3,4-thiadiazol-2-amine) and 5-(1-aminopropyl)-1,3,4-thiadiazol-2-amine demonstrated the highest antidiabetic potential, with compound 5-(1-aminopropyl)-1,3,4-thiadiazol-2-amine also exhibiting antitubercular activity, low toxicity, and favorable ADME parameters. The obtained results justify the feasibility of synthesizing these compounds for further in vitro and in vivo studies and the development of potential drug candidates.

Ключевые слова: 1,3,4-тиадиазол,  производные аминокислот, in silico-прогноз, PASS Online, SwissADME, ProTox-II, антидиабетическое действие, токсичность, биодоступность.

Keywords: 1,3,4-thiadiazole, amino acid derivatives, in silico prediction, PASS Online, SwissADME, ProTox-II, antidiabetic activity, toxicity, bioavailability.

Введение

Производные 1,3,4-тиадиазола представляют собой перспективный класс гетероциклических соединений с широким спектром биологической активности. Согласно литературным данным, они проявляют противоопухолевые [1], противовоспалительные [2], противовирусные [3], противогрибковые [4], противосудорожные [5] и противотуберкулёзные свойства [6], что делает тиадиазольное ядро востребованным в медицинской химии.

Несмотря на устойчивый интерес к тиадиазольному фрагменту, разработка более эффективных и экономичных методов синтеза его производных остаётся актуальной задачей [7, 8]. Ранее синтез 2-амино-1,3,4-тиадиазолов проводился преимущественно с использованием N-замещённых аминокислот, включая N-ароильные и арилсульфонильные производные α-аминокислот [9]. Вместе с тем была показана возможность применения природных аминокислот с незамещённой аминогруппой в качестве кислотных компонентов для получения аминотиадиазольных производных [10].

Настоящее исследование направлено на оценку целесообразности синтеза производных аминотиадиазола на основе некоторых аминокислот и проведение их предварительного фармакологического скрининга с использованием методов in silico. В рамках работы была осуществлена комплексная виртуальная оценка модельных соединений с использованием платформ PASS Online, SwissADME и ProTox-II. Анализ включал прогноз спектра биологической активности, определение показателей биодоступности и токсикологического профиля, что позволило выявить наиболее перспективные структуры для последующего синтеза, а также in vitro и in vivo изучения.

Методы исследования

Для проведения in silico-скрининга были выбраны шесть аминотиадиазольных производных (соединения 1–6), представленных в таблице 1. Моделирование их структур осуществлялось с учётом доступности исходных реагентов и потенциальной реализуемости синтеза [10].

Таблица 1.

Структура и название модельных соединений

Для получения обобщённого представления о биологическом потенциале, фармакокинетических характеристиках и токсикологическом профиле изучаемых соединений на раннем этапе исследований была проведена комплексная in silico-оценка с использованием трёх специализированных онлайн-платформ: PASS Online, SwissADME и ProTox-II.

Платформа PASS Online применяется для прогнозирования потенциальных видов биологической активности на основе структурной формулы соединений с использованием байесовского алгоритма. Значения вероятности активности (P_a) и неактивности (P_i) позволяют выделить значимые направления при условии P_a > P_i [11].

Сервис SwissADME позволяет оценить физико-химические свойства, фармакокинетические параметры и соответствие соединений правилам «доказательной» медицинской химии (включая эмпирические правила Липинского и Вебера), а также предсказывает такие показатели, как молекулярная масса, липофильность, TPSA, растворимость, степень всасывания в ЖКТ и биодоступность [12].

Платформа ProTox-II используется для прогнозирования острой пероральной токсичности (LD₅₀), а также риска гепатотоксичности, мутагенности, канцерогенности и других токсикологических эффектов на основе моделей машинного обучения, обученных на обширной базе данных. Прогноз осуществляется в соответствии с критериями Глобально согласованной системы классификации и маркировки химических веществ (GHS), разработанной Организацией экономического сотрудничества и развития (OECD) [13], что обеспечивает стандартизированный и международно признанный подход к оценке токсичности соединений.

Результаты исследования и их обсуждение

Прогноз биологической активности с использованием PASS Online

С целью оценки потенциала новых производных аминотиадиазола (1–6) в качестве биологически активных соединений было проведено in silico прогнозирование спектра их предполагаемой фармакологической активности с использованием онлайн-сервиса PASS Online. Полученные результаты показали, что модификация аминокислотных остатков с образованием тиадиазольного фрагмента приводит к появлению новых направлений биологической активности по сравнению с исходными аминокислотами.

Так, соединение 5-(аминометил)-1,3,4-тиадиазол-2-амин (1) продемонстрировало прогнозируемую активность против микобактерий (P_a = 0,727), а также в отношении болезни Паркинсона (P_a = 0,716). Соединение 5-(1-амино-2-(1H-индол-3-ил)этил)-1,3,4-тиадиазол-2-амин (2) проявило потенциальную антидиабетическую активность с вероятностью P_a = 0,780. Для модельного соединения 4-(2-амино-2-(5-амино-1,3,4-тиадиазол-2-ил)этил)фенол (3) также отмечена высокая вероятность противодиабетического действия (Pa = 0,813). Соединение 1-(4-амино-4-(5-амино-1,3,4-тиадиазол-2-ил)бутил)гуанидин (4) характеризовалось комплексным биологическим потенциалом: активностью в заживлении слизистых оболочек (P_a = 0,738), противодиабетическим действием (P_a = 0,735), а также высокой вероятностью ингибирования омптина (P_a = 0,807). Соединение 5,5'-(1-аминоэтан-1,2-диил)бис(1,3,4-тиадиазол-2-амин) (5) продемонстрировало наивысшую среди всех исследуемых соединений вероятность антидиабетической активности (P_a = 0,936). Соединение 5-(1-аминопропил)-1,3,4-тиадиазол-2-амин (6) показало прогнозируемое антидиабетическое действие (P_a = 0,914), а также потенциальную противотуберкулёзную активность (P_a = 0,509).

Таким образом, результаты in silico прогноза с использованием платформы PASS Online показали, что все исследуемые производные аминотиадиазола (1–6) обладают выраженным фармакологическим потенциалом, в частности, антидиабетической активностью, которая была зафиксирована для большинства соединений с высокой вероятностью (P_a > 0,7). Особенно следует выделить соединения 5 и 6, продемонстрировавшие наивысшие значения вероятности антидиабетического действия, P_a = 0,936 и P_a = 0,914 соответственно. Кроме того, ряд соединений проявил дополнительную биологическую активность. Полученные данные указывают на многофункциональность синтезируемых структур и их потенциал в качестве лидирующих соединений для дальнейших фармакологических исследований, особенно с целью разработки новых антидиабетических и антимикобактериальных средств.

Прогноз острой токсичности с использованием онлайн-платформы ProTox-II

С использованием онлайн-сервиса ProTox-II была проведена оценка предполагаемой острой токсичности исследуемых соединений на модели крыс при пероральном введении. В таблице 2 представлены расчётные значения LD₅₀, характеризующие острую токсичность гипотетических соединений при пероральном введении.

Таблица 2.

Прогнозируемая острая пероральная токсичность (LD₅₀, мг/кг) соединений 1–6

Результаты in silico прогноза острой токсичности показали, что значения LD₅₀ для исследуемых соединений 1–6 находятся в пределах 1000–2580 мг/кг, что соответствует 4-му (средняя токсичность) и 5-му (низкая токсичность) классам по классификации GHS.

Таким образом, анализ продемонстрировал, что изучаемые модельные соединения характеризуются низким или средним уровнем токсичности и не проявляют активности в отношении иммунотоксичности, мутагенности, а также взаимодействия с гормональными рецепторами. Полученные данные указывают на перспективность изучаемых соединений для дальнейшего синтеза, фармакологической оценки и разработки потенциальных лекарственных средств.

Оценка лекарственной пригодности с использованием SwissADME

Биодоступность соединений оценивалась с использованием сервиса SwissADME в соответствии с эмпирическими правилами, предложенными Липинским и Вебером. В таблице 3 представлены данные, позволяющие оценить потенциальную пероральную биодоступность производных 1-6 на основе указанных эмпирических критериев.

Таблица 3.

Ключевые параметры соединений 1–6 для оценки биодоступности

Примечание к таблице 3. MW – молекулярная масса (г/моль); HBD – число доноров водородной связи; HBA – число акцепторов водородной связи; TPSA – топологическая полярная поверхность; MLOGP – коэффициент распределения в системе октанол-вода; RB – число подвижных (вращающихся) связей.

Результаты анализа, проведённого с использованием онлайн-платформы SwissADME для шести исследуемых соединений, позволяют оценить их потенциал в качестве лекарственных средств. Показатели молекулярной массы, числа доноров и акцепторов водородных связей, полярной поверхности (TPSA), коэффициента липофильности (MLOGP) и числа вращающихся связей (RB) были проанализированы на основе правил Липинского и Вебера.

У большинства соединений молекулярная масса составляет менее 500 г/моль, а число доноров и акцепторов водородных связей не превышает 5, что указывает на потенциально хорошую биодоступность. Хотя показатель TPSA в отдельных случаях (например, у соединений 4 и 5) оказался повышенным, для остальных соединений он оставался в пределах 140 Ų, что свидетельствует о высокой вероятности хорошего всасывания в кишечнике. Значения MLOGP отражают различный уровень липофильности соединений, что может влиять на их бионакопление и проницаемость через клеточные мембраны. Число вращающихся связей не превышало 6, что соответствует допустимым значениям с точки зрения структурной гибкости молекул. В целом, с позиции ADME-свойств исследуемые соединения представляют собой подходящие исходные структуры для дальнейшей разработки потенциальных лекарственных средств.

Выбор лидирующего соединения

Анализ in silico результатов, полученных с использованием платформ PASS Online, SwissADME и ProTox-II, позволил выделить наиболее перспективные производные аминотиадиазола для дальнейших исследований.

С точки зрения биологической активности, наивысшую вероятность антидиабетического действия продемонстрировали соединения 5 (P_a = 0,936) и 6 (P_a = 0,914). При этом соединение 6 также проявило потенциальную противотуберкулёзную активность (P_a = 0,509), что указывает на его многоцелевую фармакологическую значимость.

По результатам оценки токсичности (ProTox-II) оба соединения относятся к веществам с низкой токсичностью (5-й класс), что является благоприятным фактором для дальнейшей разработки. Оценка лекарственной пригодности (SwissADME) показала, что оба соединения соответствуют правилам Липинского, имеют допустимые значения TPSA и MLOGP, а также оптимальное число вращающихся связей, что предполагает их хорошую пероральную биодоступность.

Сопоставление полученных данных позволяет рассматривать соединение 6 как наиболее перспективного кандидата (lead compound) для дальнейшей разработки благодаря сочетанию высокой антидиабетической активности, дополнительного противотуберкулёзного потенциала, низкой токсичности и благоприятных фармакокинетических характеристик. Соединение 5 также может быть предложено в качестве альтернативного лидирующего соединения с узконаправленным, но выраженным антидиабетическим действием.

Выводы

Проведённый комплексный in silico-анализ шести модельных производных аминотиадиазола с использованием онлайн-платформ PASS Online, SwissADME и ProTox-II показал, что модификация аминокислотных остатков с замыканием тиадиазольного фрагмента способствует формированию новых направлений биологической активности, в частности выраженной антидиабетической и дополнительной противомикобактериальной. Наибольший потенциал выявлен у соединений 5 и 6, продемонстрировавших наивысшие значения вероятности антидиабетического действия (P_a = 0,936 и P_a = 0,914 соответственно), причём соединение 6 также проявило прогнозируемую противотуберкулёзную активность (Pa = 0,509). Результаты оценки токсичности показали, что все исследуемые структуры относятся к веществам с низким или средним уровнем токсичности (4–5 классы по классификации GHS) и не обладают иммунотоксичностью, мутагенностью или способностью взаимодействовать с гормональными рецепторами. Данные SwissADME-анализа подтвердили соответствие большинства соединений правилам Липинского и Вебера, а также наличие благоприятных фармакокинетических характеристик, что указывает на их потенциально высокую биодоступность. По совокупности показателей соединение 6 определено в качестве основного лидирующего кандидата для дальнейшего синтеза и последующих in vitro и in vivo исследований, а соединение 5 – как перспективный альтернативный вариант.

Список литературы:

1. Trafalis D. T., Sagredou S., Dalezis P., Voura M., Fountoulaki S., Nikoleousakos N., Almpanakis K., Deligiorgi M. V., Sarli V. Anticancer activity of triazolo-thiadiazole derivatives and inhibition of AKT1 and AKT2 activation // Pharmaceutics. – 2021. – Vol. 13, № 4. – P. 493. – DOI: https://doi.org/10.3390/pharmaceutics13040493.
2. Cristina A., Leonte D., Vlase L., Bencze L. C., Imre S., Marc G., Apan B., Mogosan C., Zaharia V. Synthesis, characterization and biological evaluation of imidazo[2,1-b][1,3,4]thiadiazole derivatives as anti-inflammatory agents // Molecules. – 2018. – Vol. 23. – Article No. 2425. – DOI: https://doi.org/10.3390/molecules23102425.
3. Gan X., Hu D., Chen Z., Wang Y., Song B. Synthesis and antiviral evaluation of novel 1,3,4-oxadiazole/thiadiazole-chalcone conjugates // Bioorg. Med. Chem. Lett. – 2017. – Vol. 27. – P. 4298–4303. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.bmcl.2017.08.038.
4. Jin R., Liu J., Zhang G., Li J., Zhang S., Guo H. Design, synthesis, and antifungal activities of novel 1,2,4-triazole Schiff base derivatives // Chem. Biodivers. – 2018. – Vol. 15. – Article No. e1800263. – DOI: https://doi.org/10.1002/cbdv.20180026.
5.  Dogan H. N., Duran A., Rollas S., Sener G., Uysal M. K., Gulen D. L. Synthesis of new 2,5-disubstituted-1,3,4-thiadiazoles and preliminary evaluation of anticonvulsant and antimicrobial activities // Med. Chem. – 2002. – Vol. 10. – P. 2893–2898. – DOI: https://doi.org/10.1016/S0968-0896(02)00143-8.
6. Quintana C., Klahn A. H., Artigas V., Fuentealba M., Biot C., Halloum I., Kremer L., Arancibia R. Cyrhetrenyl and ferrocenyl 1,3,4-thiadiazole derivatives: Synthesis, characterization, crystal structures, and in vitro antitubercular activity // Inorg. Chem. Commun. – 2015. – Vol. 55. – P. 48–52. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.inoche.2015.03.008.
7. Hu Y., Li C.-Y., Wang X.-M., Yang Y.-H., Zhu H.-L. 1,3,4-Thiadiazole: Synthesis, reactions, and applications in medicinal, agricultural, and materials chemistry // Chem. Rev. – 2014. – Vol. 114, № 10. – P. 5572–5610. – DOI: https://doi.org/10.1021/cr400131u.
8. Kokovina T. S., Gadomsky S. Y., Terentiev A. A., Sanina N. A. A novel approach to the synthesis of 1,3,4-thiadiazole-2-amine derivatives // Molecules. – 2021. – Vol. 26, № 17. – Article No. 5159. – DOI: https://doi.org/10.3390/molecules26175159.
9. Epishina M. A., Kulikov A. S., Ignat’Ev N. V., Schulte M., Makhova N. N. Synthesis of 5-alkyl-2-amino-1,3,4-thiadiazoles and α,ω-bis(2-amino-1,3,4-thiadiazol-5-yl)alkanes in ionic liquids // Mendeleev Commun. – 2011. – Vol. 21. – P. 331–333. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.mencom.2011.11.013.
10. Minayeva Ye. V., Onayeva Z. M., Sugralina L. M., Salkeyeva L. K., Omasheva A. V. One-pot synthesis of 5-(aminomethyl)-1,3,4-thiadiazol-2-amine from glycine and its in silico evaluation as a potential antibacterial agent // Proceedings of the 17th Sagynov Readings: International Scientific and Practical Conference “Integration of Education, Science and Industry” (in 3 volumes). Volume 3. – Karaganda: Publishing House of KarTU, 2025. – P. 700–702.
11. Poroikov V. V., Filimonov D. A., Gloriozova T. A., Lagunin A. A., et al. Computer-aided prediction of biological activity spectra for organic compounds: the possibilities and limitations // Russ. Chem. Bull. – 2019. – Vol. 68, № 12. – P. 2143–2154.
12. Daina A., Michielin O., Zoete V. SwissADME: a free web tool to evaluate pharmacokinetics, drug-likeness and medicinal chemistry friendliness of small molecules // Sci. Rep. – 2017. – Vol. 7. – Article No. 42717.
13. Drwal M. N., Banerjee P., Dunkel M., et al. ProTox: A web server for the in silico prediction of rodent oral toxicity // Nucleic Acids Res. – 2014. – Vol. 42. – P. 3–8.