Представлен анализ научных статей, посвященных методам изучения механизмов биотрансформации лекарственных препаратов на моделях in vitro и in vivo. Проведен поиск литературного материала, посвященного изучению биотрансформации ксенобиотиков в живом организме. Рассмотрены основные химические процессы, которые определяют направления метаболических трансформаций. Предложены методы оценки метаболической стабильности ксенобиотиков in vitro на основе клеток или субклеточных фракций, которые служат моделями процессов, протекающих в живом организме.
Биотрансформация играет важную роль в определении фармакокинетических свойств таких параметров как пероральная биодоступность, лекарственное взаимодействие, клиренс и период полувыведения. Выявление биохимических аспектов нарушений метаболизма ксенобиотиков при различных заболеваниях способствует направленному синтезу новых препаратов.
Химическая модификация ксенобиотика путем биотрансформации может изменить его биологические эффекты. Однако в большинстве случаев биотрансформация прекращает фармакологические эффекты лекарства и снижает токсичность ксенобиотиков.
Еще одно важное обстоятельство, перспективное для направленного поиска новых лекарственных средств, — необходимость создания условий, в которых вещество, способное воздействовать прямо или опосредованно на ту или иную рецепторную систему, доставляется в те органы и ткани, где такое взаимодействие может эффективно реализоваться.
Характеристика механизмов биотрансформации ксенобиотиков
Биотрансформация относится к процессу, при котором липофильные, ксенобиотические или эндобиотические химические вещества превращаются в организме в результате ферментативных реакций в более гидрофильные продукты [1].
Метаболизм ксенобиотиков проходит в две фазы. В ходе первой фазы окислительно-восстановительного или гидролитического превращения молекула вещества обогащается полярными функциональными группами, что делает ее реакционноспособной и более растворимой в воде. В этих окислительных реакциях обычно участвуют монооксигеназа цитохрома P450 (часто сокращенно CYP), НАДФН и кислород [2].
Во второй фазе проходят синтетические процессы конъюгации промежуточных продуктов метаболизма с эндогенными молекулами, в результате чего образуются полярные соединения, которые выводятся из организма с помощью специальных механизмов экскреции [3].
В метаболизме ксенобиотиков принимают участие энзимы почек, легких, кожи, ЖКТ и других тканей, но наиболее интенсивно в этом процессе участвуют ферменты печени [4].
Внутри клетки печени основными субклеточными компонентами, содержащими трансформирующие ферменты, являются микросомы эндоплазматического ретикулума и растворимая фракция цитоплазмы (цитозоль). В митохондрии, ядро и лизосомы содержат небольшой уровень трансформирующей активности [5].
Очень часто индивидуальные различия в действии лекарственных веществ обусловлены их метаболизмом. Происходит это вследствие изменения активности ферментов, трансформирующих лекарственные вещества, что, в основном, бывает связано с мутацией генов, контролирующих синтез данных ферментов. [6].
Вариабельность терапевтического и побочного действия лекарств зависит от многих причин и прежде всего:
– количества и чувствительности рецепторов на поверхности клеток к фармакологическим препаратам,
– специфичности рецепторов к препарату,
– генетической потенции (возможностей организма) к производству энзимов I и II фаз и скорости биотрансформации ксенобиотиков.
Контроль за перечисленными параметрами метаболизма крайне сложен и на практике для оценки индивидуальных возможностей биотрансформации лекарств используют тесты по определению концентрации препарата в крови, периода полувыведения препарата и скорости экскреции препарата.
Методы оценки метаболической стабильности in vitro
Оптимальными методами оценки метаболической стабильности являются тестовые системы in vitro на основе клеток или субклеточных фракций, которые служат моделями процессов, протекающих в живом организме. Тест-системы позволяют достаточно точно определить метаболиты органических соединений, не требуя при этом использования большого количества лабораторных животных [7].
При метаболическом фенотипировании, проводя соответствующие биохимические реакции, исследуют, какие ферменты или изоферменты метаболизируют соединение. Для этого анализа используются отдельные рекомбинантные изоферменты цитохрома (CYP) человека. Их получают путем клонирования кДНК генов CYP человека и трансфекции с использованием бакуловируса в клетки насекомых в культуре или клонирования в бактерии [7].
Для оценки окисления фазы I метаболизирующим материалом чаще всего являются микросомы печени. Они содержат ферменты, которые связаны с мембраной эндоплазматического ретикулума в клетках. Микросомы печени содержат CYP и другие метаболизирующие ферменты, которые являются главными ферментами фазы I и играют немаловажную роль в клиренсе лекарств.
Для совокупного анализа стабильности веществ в реакциях I и II фаз метаболизма используют фракцию печени S9 – надосадочную жидкость, полученную центрифугированием гомогената печени. Преимущество данного препарата заключается в том, что в своем составе он содержит также микросомальные ферменты, такие как сульфотрансфераза, алкогольдегидрогеназа и N-ацетилтрансфераза. Это особенно полезно для соединений, имеющих группы, которые склонны к метаболическим реакциям, катализируемым данными ферментами [8].
При охвате более широкого диапазона метаболизирующих ферментов для оценки микросомальных и экстрамикросомальных (например, цитозольных, митохондриальных) метаболических реакций используют гепатоциты. Эти клетки печени содержат совокупность всех метаболизирующих ферментов. Однако они значительно дороже вышеперечисленных методов. К тому же гепатоциты следует использовать в течение нескольких часов, после этого их активность уменьшится [9].
Перспективным альтернативным методом подобных исследований, лишенным вышеозначенных недостатков, является представление животной клетки как единой биологической системы посредством стехиометрической модели метаболической сети клетки in silico. На сегодня уже созданы для применения модели метаболизма различных клеток, в том числе и гепатоцитов [10, с. 86-94].
Заключение
Исследования механизмов биотрансформации используются для раскрытия токсического действия веществ, совершенствования методов диагностики, профилактики и лечения развивающихся вследствие такого воздействия заболеваний.
Так как в настоящее время известны ферментативные реакции превращения большинства классов органических соединений, то принципы метаболизма ксенобиотиков и ферменты, принимающие участие в этих процессах, с успехом используются для синтеза органических веществ.
Таким образом, особенно актуален систематический анализ процессов метаболизма различных ксенобиотиков в филогенетическом и онтогенетическом аспектах и метаболизма лекарственных веществ в органах и тканях человека и животных.
Библиографическая ссылка
Манджиева А.А., Лукина П.А., Вечкитов Р.С., Аветисова И.В. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ БИОТРАНСФОРМАЦИИ КСЕНОБИОТИКОВ IN VITRO // Материалы МСНК "Студенческий научный форум 2024". – 2021. – № 8. – С. 22-23;URL: https://publish2020.scienceforum.ru/ru/article/view?id=434 (дата обращения: 25.04.2024).