In silico аналіз механізмів реалізації анальгетичного та протизапального ефектів алкоксипохідних 1,4-бензодіазепіну
Альтернативна назва
In silico analysis of the mechanisms of implementation of analgesic and anti-inflammatory effects of 1,4-benzodiazepine alkoxy derivatives
Вантажиться...
Дата
2025
Науковий керівник
Укладач
Редактор
Назва журналу
ISSN
E-ISSN
Назва тому
Видавець
Анотація
Акішева А.С. In silico аналіз механізмів реалізації анальгетичного та протизапального ефектів алкоксіпохідних 1,4-бензодіазепіну.
Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 091 Біологія – Одеський національний університет імені І. І. Мечникова, Одеса, 2025.
Дисертаційна робота присвячена визначенню механізмів анальгетичного та протизапального ефектів алкоксіпохідних 1,4бензодіазепіну методами молекулярного докінгу та молекулярної динаміки іn silico.
Для реалізації мети і виконання завдань роботи було проведено in vitro дослідження визначення протизапальної активності пропоксазепаму (новітнього перспективного інноваційного анальгетичного препарату ряду алкоксіпохідних 1,4-бензодіазепіну) та ряду дослідів in silico, спрямованих на ідентифікацію механізмів взаємодій пропоксазепаму та деяких похідних 1,4бенздіазепіну з білковими мішенями, що задіяні в процесах запалення та болю. Дослідження відбувались у два етапи.
Перший етап роботи був спрямований на дослідження протизапальної активності пропоксазепаму та похідних 1,4-бензодіазепіну in vitro шляхом аналізу їхнього захисного впливу на стабільність бичачого сироваткового альбуміну за умов термічної денатурації. Додатково провели ідентифікацію особливостей взаємодії досліджуваних лігандів з людським сироватковим альбуміном із застосуванням програмного пакета iGEMDOCK v2.1, використовуючи структурні дані білків, отримані з бази біологічних макромолекул. За визначенням ІС₅₀ для досліджуваних сполук констатували, що похідні 1,4-бензодіазепіну проявляють протективний ефект проти термічної денатурації БСА, при цьому діазепам і пропоксазепам за ІС₅₀ перевершують референтний протизапальний препарат ібупрофен майже вдвічі, хоча поступаються йому за максимальним ефектом. Сполуки з вільною гідроксигрупою в положенні 3 (оксазепам та 3-
гідроксипропоксазепам) демонструють меншу активність, що може бути пов’язано з їхньою здатністю зв’язуватися з БСА. Отримані результати дозволяють висловити припущення: похідні 1,4-бензодіазепіну здатні запобігати термічній денатурації БСА, що може бути пов’язано з їхньою взаємодією зі специфічними сайтами зв’язування. Тому далі було проведено докінг-аналіз пропоксазепаму з людським сироватковим альбуміном (ЛСА), що дозволило глибше зрозуміти механізми його дії та доповнити результати in vitro дослідження протизапальних властивостей похідних 1,4бензодіазепіну. За результатами докінг аналізу можна стверджувати, що енергія зв’язування з діазепановим сайтом ЛСА для пропоксазепаму є найвищою серед досліджуваних сполук. Ці результати підтверджують участь сироваткового альбуміну в реалізації протизапальної дії пропоксазепаму.
Другим етапом дослідження став аналіз взаємодії (in silico аналіз) пропоксазепаму з рецепторами, які залучені в периферичній та центральній анальгетичній дії. Досліджуваними білками стали рецептор брадикініну, циклооксигеназа-1, циклооксигеназа -2, потенціалзалежні калієві канали (Kv), рецептор N-метил-D-аспартату (NMDA рецептор), альфа адренорецептор, фосфодіестераза 4 (PDE4), ванілоїдний рецептор підродини потенціалзалежних транзиторних рецепторів типу 1 (TRPV1) та канабіноїдний рецептор (CB1). Для проведення in silico аналізу застосовувалося програмне забезпечення з відкритим доступом, а також пробні версії комерційних програм, зокрема iGEMDOCK v2.1, AutoDock, AutoDock Vina, Schrödinger Maestro Glide і PlayMolecule. Структурні дані білків були отримані з відкритої бази RCSB PDB, а їх підготовка здійснювалася за допомогою програмного забезпечення Molecular Graphics Laboratory (MGL). Тривимірні структури досліджуваних лігандів завантажувалися з відкритої бази даних PubChem. Оптимізація геометрії лігандів проводилася за допомогою програми Avogadro (v1.2.0).
Згідно отриманих результатів пропоксазепам продемонстрував низьку спорідненість до циклооксигеназ, що зумовлено слабкими взаємодіями у неспецифічних сайтах зв’язування. Водночас він проявив антагоністичний ефект щодо брадикінінового рецептора 1-го типу. Дослідження молекулярного докінгу показало, що пропоксазепам має найвищу енергію зв’язування з Kv7.2 серед аналізованих сполук, перевищуючи референтний ретигабін, а також добре взаємодіє з Kv3.1. Він демонструє помірну афінність до α1A-адренорецепторів та високу спорідненість до PDE4, що вказує на його потенціал як інгібітора цього ферменту. Крім того, пропоксазепам має найвищу афінність до CB1-рецептора серед досліджених бензодіазепінів, що відкриває перспективи для його подальшого вивчення як ліганда CB1R.
Проведені дослідження in silico дають підстави припустити, що, поряд з іншими механізмами периферичної анальгетичної дії, пропоксазепам може взаємодіяти з рецепторами брадикініну, потенціалзалежними калієвими каналами Kv7.2, Kv3.1, NMDA рецептором та фосфодіестеразою 4. На підставі отриманих результатів досліджень поглиблені знання про молекулярні механізми реалізації протизапальної та анальгетичної дії алкоксіпохідних 1,4-бензодіазепіну через їхній вплив на білкові молекули.
Akisheva A.S. In silico analysis of the mechanisms of implementation of analgesic and anti-inflammatory effects of 1,4-benzodiazepine alkoxy derivatives. Qualification scientific work in the form of a manuscript. Manuscript for the degree of Candidate of Biological Sciences (Doctor of Philosophy) in the specialty 091 Biology - Odesa I. I. Mechnikov National University, Odesa, 2025. The work is devoted to determining the mechanisms of analgesic and antiinflammatory effects of 1,4-benzodiazepine alkoxy derivatives by the methods of molecular docking and molecular dynamics in silico. To achieve the goal and objectives of the study, an in vitro study of the antiinflammatory activity of propoxazepam (promising innovative analgesic drug of the alkoxy derivatives of 1,4-benzodiazepine series) and a number of in silico experiments were conducted to identify the mechanisms of interactions of propoxazepam and some 1,4-benzodiazepine derivatives with protein targets involved in the processes of inflammation and pain. The studies were carried out in two stages. The first stage of the work was aimed at studying the anti-inflammatory activity of propoxazepam and 1,4-benzodiazepine derivatives in vitro by analyzing their protective effect on the stability of bovine serum albumin under thermal denaturation conditions. Additionally, the interaction features of the studied ligands with human serum albumin were identified using the iGEMDOCK v2.1 software package, using protein structural data obtained from the biological macromolecules database. According to the determination of IC₅₀ for the studied compounds, it was found that 1,4-benzodiazepine derivatives exhibit a protective effect against thermal denaturation of BSA, with diazepam and propoxazepam surpassing ibuprofen by almost two times in IC₅₀, athough they are inferior to it in terms of maximum effect. Compounds with a free hydroxy group in position 3 (oxazepam and 3-hydroxypropoxazepam) demonstrate lower activity, which may be associated with their ability to bind to BSA. The results obtained allow us to make assumptions: 1,4-benzodiazepine derivatives are able to prevent thermal denaturation of BSA, which may be associated with their interaction with specific binding sites. Therefore, a docking analysis of propoxazepam with human serum albumin (HSA) was further performed, which allowed us to better understand the mechanisms of its action and supplement the results of the in vitro study of the anti-inflammatory properties of 1,4-benzodiazepine derivatives. According to the results of the docking analysis, it can be stated that the binding energy to the diazepane site of LSA for propoxazepam is the highest among the studied compounds. These results confirm the participation of serum albumin in the implementation of the anti-inflammatory effect of propoxazepam. The second stage of the study was the analysis of the interaction (in silico analysis) of propoxazepam with receptors involved in peripheral and central analgesic action. The studied proteins were bradykinin receptor, cyclooxygenase-1, cyclooxygenase-2, voltage-gated potassium channels (Kv), N-methyl-D-aspartate receptor (NMDA receptor), alpha adrenoreceptor, phosphodiesterase 4 (PDE4), vanilloid receptor of the transient receptor potential subfamily 1 (TRPV1) and cannabinoid receptor (CB1). For the in silico analysis, open access software was used, as well as trial versions of commercial programs, in particular iGEMDOCK v2.1, AutoDock, AutoDock Vina, Schrödinger Maestro Glide and PlayMolecule. The structural data of the proteins were obtained from the open RCSB PDB database, and their preparation was carried out using the Molecular Graphics Laboratory (MGL) software. The three-dimensional structures of the studied ligands were downloaded from the open database PubChem. Ligand geometry optimization was performed using the Avogadro program (v1.2.0) According to the results obtained, propoxazepam demonstrated low affinity for cyclooxygenases, which is due to weak interactions in nonspecific binding sites. At the same time, it showed antagonistic effect on the bradykinin receptor type 1. Molecular docking studies showed that propoxazepam has the highest binding energy to Kv7.2 among the analyzed compounds, exceeding the reference retigabine, and also interacts well with Kv3.1. It demonstrates moderate affinity for α1A-adrenoceptors and high affinity for PDE4, which indicates its potential as an inhibitor of this enzyme. In addition, propoxazepam has the highest affinity for the CB1 receptor among the studied benzodiazepines, which opens up prospects for its further study as a CB1R ligand. In silico studies suggest that, along with other mechanisms of peripheral analgesic action, propoxazepam may interact with bradykinin receptors, voltagegated potassium channels Kv7.2, Kv3.1, NMDA receptor, and phosphodiesterase 4. Based on the results of the studies, knowledge about the molecular mechanisms of the implementation of the anti-inflammatory and analgesic effects of 1,4benzodiazepine alkoxy derivatives through their effects on protein molecules has been deepened.
Akisheva A.S. In silico analysis of the mechanisms of implementation of analgesic and anti-inflammatory effects of 1,4-benzodiazepine alkoxy derivatives. Qualification scientific work in the form of a manuscript. Manuscript for the degree of Candidate of Biological Sciences (Doctor of Philosophy) in the specialty 091 Biology - Odesa I. I. Mechnikov National University, Odesa, 2025. The work is devoted to determining the mechanisms of analgesic and antiinflammatory effects of 1,4-benzodiazepine alkoxy derivatives by the methods of molecular docking and molecular dynamics in silico. To achieve the goal and objectives of the study, an in vitro study of the antiinflammatory activity of propoxazepam (promising innovative analgesic drug of the alkoxy derivatives of 1,4-benzodiazepine series) and a number of in silico experiments were conducted to identify the mechanisms of interactions of propoxazepam and some 1,4-benzodiazepine derivatives with protein targets involved in the processes of inflammation and pain. The studies were carried out in two stages. The first stage of the work was aimed at studying the anti-inflammatory activity of propoxazepam and 1,4-benzodiazepine derivatives in vitro by analyzing their protective effect on the stability of bovine serum albumin under thermal denaturation conditions. Additionally, the interaction features of the studied ligands with human serum albumin were identified using the iGEMDOCK v2.1 software package, using protein structural data obtained from the biological macromolecules database. According to the determination of IC₅₀ for the studied compounds, it was found that 1,4-benzodiazepine derivatives exhibit a protective effect against thermal denaturation of BSA, with diazepam and propoxazepam surpassing ibuprofen by almost two times in IC₅₀, athough they are inferior to it in terms of maximum effect. Compounds with a free hydroxy group in position 3 (oxazepam and 3-hydroxypropoxazepam) demonstrate lower activity, which may be associated with their ability to bind to BSA. The results obtained allow us to make assumptions: 1,4-benzodiazepine derivatives are able to prevent thermal denaturation of BSA, which may be associated with their interaction with specific binding sites. Therefore, a docking analysis of propoxazepam with human serum albumin (HSA) was further performed, which allowed us to better understand the mechanisms of its action and supplement the results of the in vitro study of the anti-inflammatory properties of 1,4-benzodiazepine derivatives. According to the results of the docking analysis, it can be stated that the binding energy to the diazepane site of LSA for propoxazepam is the highest among the studied compounds. These results confirm the participation of serum albumin in the implementation of the anti-inflammatory effect of propoxazepam. The second stage of the study was the analysis of the interaction (in silico analysis) of propoxazepam with receptors involved in peripheral and central analgesic action. The studied proteins were bradykinin receptor, cyclooxygenase-1, cyclooxygenase-2, voltage-gated potassium channels (Kv), N-methyl-D-aspartate receptor (NMDA receptor), alpha adrenoreceptor, phosphodiesterase 4 (PDE4), vanilloid receptor of the transient receptor potential subfamily 1 (TRPV1) and cannabinoid receptor (CB1). For the in silico analysis, open access software was used, as well as trial versions of commercial programs, in particular iGEMDOCK v2.1, AutoDock, AutoDock Vina, Schrödinger Maestro Glide and PlayMolecule. The structural data of the proteins were obtained from the open RCSB PDB database, and their preparation was carried out using the Molecular Graphics Laboratory (MGL) software. The three-dimensional structures of the studied ligands were downloaded from the open database PubChem. Ligand geometry optimization was performed using the Avogadro program (v1.2.0) According to the results obtained, propoxazepam demonstrated low affinity for cyclooxygenases, which is due to weak interactions in nonspecific binding sites. At the same time, it showed antagonistic effect on the bradykinin receptor type 1. Molecular docking studies showed that propoxazepam has the highest binding energy to Kv7.2 among the analyzed compounds, exceeding the reference retigabine, and also interacts well with Kv3.1. It demonstrates moderate affinity for α1A-adrenoceptors and high affinity for PDE4, which indicates its potential as an inhibitor of this enzyme. In addition, propoxazepam has the highest affinity for the CB1 receptor among the studied benzodiazepines, which opens up prospects for its further study as a CB1R ligand. In silico studies suggest that, along with other mechanisms of peripheral analgesic action, propoxazepam may interact with bradykinin receptors, voltagegated potassium channels Kv7.2, Kv3.1, NMDA receptor, and phosphodiesterase 4. Based on the results of the studies, knowledge about the molecular mechanisms of the implementation of the anti-inflammatory and analgesic effects of 1,4benzodiazepine alkoxy derivatives through their effects on protein molecules has been deepened.
Опис
Ключові слова
алкоксипохідні-1,4-бензодіазепіну, пропоксазепам, аналіз молекулярного докінгу, докінг, біль, запалення, протизапальні засоби, анальгетична дія, протизапальна дія, протизапальна активність, нестероїдні протизапальні препарати (НПЗП), сироватковий альбумін, рецептори болю, біологічна активність, 1,4-benzodiazepine-alkoxy-derivatives, propoxazepam, molecular docking analysis, docking, pain, inflammation, anti-inflammatory agents, analgesic effect, anti-inflammatory effect, anti-inflammatory activity, NSAIDs, serum albumin, pain receptors, biological activity, 091 Біологія та біохімія
Бібліографічний опис
Акішева А. С. In silico аналіз механізмів реалізації анальгетичного та протизапального ефектів алкоксипохідних 1,4-бензодіазепіну : дис. … д-ра філос. : 091 Біологія 09 Біологія / А. С. Акішева ; наук. керівник О. А. Макаренко, В. Б. Ларіонов ; Одес. нац. ун-т імені І. І. Мечникова. – Одеса, 2025. – 159 с.
DOI
ORCID:
УДК
547.972.3:577.322.21:004.942:615.213:615.211