Ξενοβιοτικοί και διατροφικοί παράγοντες στην αντιμετώπιση των χρόνιων επιπλοκών του ζακχαρώδους διαβήτη

Abstract

Diabetes mellitus is a metabolic disease in which the body’s ability to regulate blood glucose levels goes awry, either from defects in the secretion or in the activity of the hormone insulin. Today, the worldwide prevalence of diabetes is taking pandemic dimensions. People with diabetes are vulnerable to late onset complications such as retinopathy, nephropathy and neuropathy that are largely responsible for the morbidity and mortality observed in patients. The direct economic cost of diabetes is about 10 percent of the total health care budget, and approximately 90 percent of the total direct cost is needed for the treatment of the devastating diabetic complications. Under hyperglycemic conditions, there is an increased flux through the polyol pathway, accounting for greater than 30% of glucose metabolism. Aldose reductase (ALR2) which is the first enzyme of the polyol metabolic pathway that converts glucose to sorbitol, was first found to be implicated in the etiolology of the long-term diabetic complications. Its inhibition by aldose reductase inhibitors (ARIs) has been gaining attention over the last decades from the pharmaceutical community as a promising pharmacotherapeutic target. In the present work, the design, synthesis and pharmacochemical approach of novel chemotypes as well as the preparation of Ligustrum japonicum and Olea europaea leaf extracts are studied as potent ARIs. The design of new compounds was based on the elongation of the methylene chain as well as the bioisosteric replacement of the carboxylic acid moiety of known pyrrolyl-acetic acid derivatives with that of non-classical isosteric groups. All the targets compounds as well as the leaf extracts were tested in vitro for their potential to inhibit the enzyme ALR2. A number of them were found to be strong inhibitors. In order to define the selectivity between enzymes with similar amino acid sequence, the inhibitory activity of compounds (which were found as effective ARIs) and leaf extracts towards aldehyde reductase (ALR1) were also examined. Furthermore, the antioxidant potential of novel chemotypes was calculated by their ability to interact with the stable 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) free radical. For selected synthesized compounds their ability to prevent lipid peroxidation of DOPC liposomes was assessed. Additionally, in the more active compound the measurement of antioxidant activity in the cellular system of intact erythrocytes exposed to peroxyl radicals generated by thermal degradation of the azoinitiator 2,2'-azobis(2-amidinopropane) hydrochloride (AAPH) was studied. The ‘drug-likeness’ of the novel ARIs was assessed on the basis of their structural properties by applying the Lipinski’s ‘rule of five’, and moreover the topological polar surface area (TPSA) as additional molecular descriptor. For all the drug candidates studied, none of the criteria was violated, thus predicting their good oral bioavailability. Finally, regarding the in silico studies the low energy conformations of the target compounds were determined and conclusions were reached comparing molecular distances between atoms of compounds and their ability to inhibit ALR2.

Ο σακχαρώδης διαβήτης αποτελεί μία από τις ταχέως εξελισσόμενες νόσους του σύγχρονου τρόπου ζωής. Πρόκειται για μεταβολική πάθηση, η οποία χαρακτηρίζεται από την εμφάνιση υπεργλυκαιμίας είτε ως αποτέλεσμα απουσίας ή μερικής έκκρισης ινσουλίνης, είτε εξαιτίας μειωμένης ευαισθησίας στην έκκριση ινσουλίνης. Αρκετοί βιοχημικοί μηχανισμοί έχουν ενοχοποιηθεί ότι εμπλέκονται στην εμφάνιση των χρόνιων επιπλοκών της νόσου εξαιτίας της παρατηρούμενης υπεργλυκαιμίας. Ανάμεσα σε αυτούς εξέχουσα θέση κατέχει η ενεργοποίηση της μεταβολικής οδού των πολυολών. Το πρώτο ένζυμο της οδού αυτής, η αναγωγάση της αλδόζης (ALR2) και ιδιαίτερα η αναστολή της από ενώσεις (ARIs) έχει απασχολήσει έντονα την επιστημονική κοινότητα, στην κατεύθυνση αντιμετώπισης των χρόνιων επιπλοκών της νόσου. Ωστόσο, ιδιαίτερες δυσκολίες αντιμετωπίζονται για το σχεδιασμό και την ανάπτυξη εκλεκτικών αναστολέων οι οποίοι δεν θα εμφανίζουν συγγένεια με την αναγωγάση των αλδεϋδών (ALR1), η οποία αποτελεί ομόλογο προς την ALR2 ένζυμο και δρα ως αποτοξινωτικό μέσο στις τοξικές προς τον οργανισμό αλδεΰδες. Στην παρούσα εργασία πραγματοποιούνται i) η σύνθεση και η φαρμακοχημική μελέτη νέων χημειοτύπων, ο σχεδιασμός των οποίων βασίστηκε σε σειρά γνωστών αναστολέων της αναγωγάσης της αλδόζης, παραγώγων πυρρολυλο-οξικών οξέων, καθώς και ii) η μελέτη εκχυλισμάτων φύλλων των Ligustrum japonicum και Olea europaea της οικογένειας Oleaceae με πιθανή χρησιμότητα στην αντιμετώπιση των χρόνιων επιπλοκών του σακχαρώδους διαβήτη. Εξετάζεται η ικανότητα των τελικών ενώσεων και των εκχυλισμάτων να αναστέλλουν in vitro την αναγωγάση της αλδόζης, ALR2. Για τις τελικές ενώσεις που εμφανίζουν σημαντική ικανότητα αλληλεπίδρασης με την αναγωγάση της αλδόζης, εξετάζεται η ικανότητα τους να αναστέλλουν το ομόλογο ένζυμο της αναγωγάσης των αλδεϋδών, ALR1, προκειμένου να προσδιοριστεί η εκλεκτικότητα τους. Το ίδιο διερευνάται και στην περίπτωση των εκχυλισμάτων. Ελέγχεται το αντιοξειδωτικό δυναμικό των τελικών ενώσεων με βάση την ικανότητα τους να αλληλεπιδρούν με τη σταθερή ελεύθερη ρίζα του 2,2-διφαινυλο-1-πικρυλυδραζυλίου (DPPH). Επίσης, σε επιλεγμένες δραστικές ενώσεις, προσδιορίζεται η ικανότητα in vitro αναστολής της λιπιδικής υπεροξείδωσης DOPC λιποσωμάτων, και σε μία από αυτές εκτιμάται η δυναμικότητα της να αναστέλλει την αιμόλυση ερυθροκυττάρων, απομονωμένων από επίμυες. Εκτιμώνται φυσικοχημικές και μοριακές ιδιότητες, που υποδεικνύουν τα φαρμακοχημικά χαρακτηριστικά των νέων φαρμακομορίων (drug-likeness). Τέλος, στα πλαίσια in silico μελέτης πραγματοποιήθηκαν υπολογισμοί των διαμορφώσεων ελάχιστης ενέργειας των τελικών ενώσεων και εξήχθησαν συμπεράσματα από τη σύγκριση υπολογισθέντων μοριακών αποστάσεων μεταξύ των ατόμων και της ικανότητας αναστολής της ALR2.