Носкапин: Химический состав, свойства и биосинтез

Введение

Химическое соединение

Носкапин (также известный как наркотин, нектодон, носпен, анароктин и (устаревшее) опиан) — это бензилизохинолиновый алкалоид, относящийся к структурной подгруппе фталидеизохинолинов, выделенный из многочисленных видов семейства Papaveraceae (маковые). Он не обладает выраженным снотворным, эйфорическим или обезболивающим действием, благодаря чему имеет очень низкий потенциал вызывания зависимости. Этот препарат в основном используется из-за его противокашлевого (подавляющего кашель) эффекта.

Медицинское применение

Носкапин часто используется как противокашлевое средство. Однако голландская рекомендация 2012 года не советует его применение при остром кашле.

Взаимодействия

Носкапин может усиливать действие веществ, оказывающих центральное седативное воздействие, таких как алкоголь и снотворные. Препарат не следует принимать с ингибиторами моноаминооксидазы (ИМАО), поскольку могут возникнуть непредсказуемые и потенциально смертельные эффекты. Носкапин не следует принимать одновременно с варфарином, так как это может усилить его антикоагулянтное действие.

Биосинтез

Биосинтез носкапина в *P. somniferum* начинается с хоризминовой кислоты, которая синтезируется по шикиматному пути из эритрозы-4-фосфата и фосфоенолпирувата. Хоризминовая кислота является предшественником аминокислоты тирозина, источника азота в бензилизохинолиновых алкалоидах. Тирозин может подвергаться трансаминированию при участии PLP с образованием 4-гидроксифенилпирувиновой кислоты (4HPP), за которым следует декарбоксилирование при участии TPP с образованием 4-гидроксифенилацетальдегида (4HPAA). Тирозин также может быть гидроксилирован до 3,4-дигидроксифенилаланина (DOPA), после чего происходит декарбоксилирование при участии PLP с образованием дофамина. Синтаза норкоклаурина (NCS) катализирует реакцию Пиктета-Спенглера между 4HPAA и дофамином для синтеза (S)-норкоклаурина, обеспечивая формирование характерного бензилизохинолинового скелета. (S)-Норкоклаурин последовательно подвергается 6-O-метилированию (6OMT), N-метилированию (CNMT), 3-гидроксилированию (NMCH) и 4′-O-метилированию (4′OMT) с использованием кофакторов S-аденозилметионина (SAM) и NADP+ для метилирования и гидроксилирования соответственно. Эти реакции приводят к образованию (S)-ретикулина – ключевого промежуточного соединения в биосинтезе бензилизохинолиновых алкалоидов. Остальная часть биосинтетического пути носкапина в значительной степени регулируется единым биосинтетическим кластером из 10 генов. Далее следуют N-метилирование (TNMT) и два гидроксилирования (CYP82Y1, CYP82X2), которые поддерживаются SAM и O2/NADPH соответственно. Затем C13-спирт ацетилируется ацетилтрансферазой (AT1) с использованием ацетил-КоА. Другой цитохром P450 (CYP82X1) катализирует гидроксилирование C8, и вновь образовавшийся гемиаминаль спонтанно расщепляется, образуя третичный амин и альдегид. Гетеродимер метилтрансферазы (OMT2:OMT3) катализирует O-метилирование C4′, опосредованное SAM. Затем O-ацетильная группа удаляется карбоксилэстеразой (CXE1), образуя спирт, который немедленно реагирует с соседним C1-альдегидом с образованием гемиацеталя в новом пятичленном кольце. Очевидная противодействующая активность между AT1 и CXE1 позволяет предположить, что ацетилирование в данном контексте используется в качестве защитной группы, предотвращающей образование гемиацеталя до тех пор, пока эфир не будет ферментативно расщеплен. Наконец, NAD+-зависимая дегидрогеназа короткой цепи (NOS) окисляет гемиацеталь до лактона, завершая биосинтез носкапина. Носкапин и его синтетические производные, называемые носкапиноидами, известны своей способностью взаимодействовать с микротрубочками и ингибировать пролиферацию раковых клеток.

The biosynthesis of noscapine in P. somniferum begins with chorismic acid, which is synthesized via the shikimate pathway from erythrose 4 phosphate and phosphoenolpyruvate. Chorismic acid is a precursor to the amino acid tyrosine, the source of nitrogen in benzylisoquinoline alkaloids. Tyrosine can undergo a PLP mediated transamination to form 4 hydroxyphenylpyruvic acid (4 HPP), followed by a TPP mediated decarboxylation to form 4 hydroxyphenylacetaldehyde (4 HPAA). Tyrosine can also be hydroxylated to form 3,4 dihydroxyphenylalanine (DOPA), followed by a PLP mediated decarboxylation to form dopamine. Norcoclaurine synthase (NCS) catalyzes a Pictet Spengler reaction between 4 HPAA and dopamine to synthesize (S) norcoclaurine, providing the characteristic benzylisoquinoline scaffold. (S) Norcoclaurine is sequentially 6 O methylated (6OMT), N methylated (CNMT), 3 hydroxylated (NMCH), and 4′ O methylated (4′OMT), with the use of cofactors S adenosyl methionine (SAM) and NADP+ for methylations and hydroxylations, respectively. These reactions produce (S) reticuline, a key branchpoint intermediate in the biosynthesis of benzylisoquinoline alkaloids. The remainder of the noscapine biosynthetic pathway is largely governed by a single biosynthetic 10 gene cluster. An N methylation (TNMT) and two hydroxylations (CYP82Y1, CYP82X2) follow, aided by SAM and O2/NADPH, respectively. The C13 alcohol is then acetylated by an acetyltransferase (AT1) using acetyl CoA. Another cytochrome P450 enzyme (CYP82X1) catalyzes the hydroxylation of C8, and the newly formed hemiaminal spontaneously cleaves, yielding a tertiary amine and aldehyde. A methyltransferase heterodimer (OMT2:OMT3) catalyzes a SAM mediated O methylation on C4′. The O acetyl group is then cleaved by a carboxylesterase (CXE1), yielding an alcohol which immediately reacts with the neighboring C1 aldehyde to form a hemiacetal in a new five membered ring. The apparent counteractivity between AT1 and CXE1 suggests that acetylation in this context is employed as a protective group, preventing hemiacetal formation until the ester is enzymatically cleaved. Finally, an NAD+ dependent short chain dehydrogenase (NOS) oxidizes the hemiacetal to a lactone, completing noscapine biosynthesis. Noscapine, and its synthetic derivatives called noscapinoids, are known to interact with microtubules and inhibit cancer cell proliferation

Анализ структуры

Лактонное кольцо нестабильно и раскрывается в щелочной среде. Обратная реакция протекает в кислой среде. Связь (C1−C3′), соединяющая два оптически активных атома углерода, также неустойчива. В водном растворе серной кислоты при нагревании происходит диссоциация на котарнин (4-метокси-6-метил-5,6,7,8-тетрагидро[1,3]диоксоло[4,5-g]изохинолин) и опиевую кислоту (6-формил-2,3-диметоксибензойную кислоту). При восстановлении носкапина цинком/HCl связь C1−C3′ насыщается, и молекула распадается на гидрокотарнин (2-гидроксикотарнин) и меконин (6,7-диметоксиизобензофуран-1(3H)-он).

История

Носкапин был впервые выделен и охарактеризован при химическом разложении и изучении свойств в 1803 году под названием "наркотин" Жаном-Франсуа Дерзне, французским химиком из Парижа. В 1831 году Пьер Жан Робике, другой французский химик, доказал, что наркотин и морфин – различные алкалоиды. В период с 1815 по 1835 год Пьер Жан Робике в течение более 20 лет проводил серию исследований, направленных на усовершенствование методов выделения морфина, а также в 1832 году выделил еще один важный компонент сырого опиума, который он назвал кодеин – соединение, широко используемое и в настоящее время, получаемое из опиума.

Рекреационное использование

В нескольких странах поступают отдельные сообщения о рекреационном употреблении безрецептурных лекарственных средств, которые легко доступны в местных аптеках без назначения врача. Эффекты, проявляющиеся примерно через 45-120 минут после приема, схожи с эффектами декстрометорфана и алкогольного опьянения. В отличие от декстрометорфана, носкапин не является антагонистом NMDA-рецепторов.

Носкапин в героине

Носкапин может сохраняться в процессе производства героина и обнаруживается в уличном героине. Это полезно для правоохранительных органов, так как количество примесей может помочь установить источник изъятых наркотических средств. В 2005 году в Льеже, Бельгия, средняя концентрация носкапина составляла около 8%. Носкапин также использовался для идентификации потребителей наркотиков, употребляющих уличный героин одновременно с назначенным диаморфином. Поскольку диаморфин в уличном героине идентичен фармацевтическому диаморфину, анализ примесей – единственный способ определить факт употребления уличного героина. Другими примесями, обнаруживаемыми в образцах мочи вместе с носкапином, являются папаверин и ацетилкодеин. Носкапин метаболизируется в организме и редко обнаруживается в моче в неизменном виде, вместо этого присутствуя в виде основных метаболитов – котарнина и меконина. Для обнаружения используются газовая хроматография-масс-спектрометрия или жидкостная хроматография-масс-спектрометрия (ЖХМС), но также могут применяться и другие аналитические методы.

Клинические испытания

Эффективность носкапина в лечении некоторых гематологических злокачественных новообразований изучалась в клинической практике. Индукция полиплоидии носкапином наблюдалась in vitro в лимфоцитах человека при высоких концентрациях (>30 мкМ); однако, низкие уровни системного воздействия, например, при использовании средств от кашля, не представляются генотоксичными. Механизм индукции полиплоидии носкапином, предположительно, связан с повреждением веретена деления или слиянием клеток.

Носкапин Биосинтез Реконструкция

Многие ферменты носкапинового биосинтетического пути были идентифицированы благодаря обнаружению 10-генного кластера, напоминающего оперон, под названием HN1. В 2016 году биосинтетический путь носкапина был воссоздан в клетках дрожжей, что позволило синтезировать препарат без необходимости сбора и очистки из растительного сырья. В 2018 году весь носкапиновый путь был воссоздан и реализован в дрожжах из простых молекул. Кроме того, была оптимизирована экспрессия белков в дрожжах, что позволило увеличить производство носкапина в 18 000 раз. Есть надежда, что эта технология может быть использована для производства фармацевтических алкалоидов, таких как носкапин, которые в настоящее время вырабатываются растениями в слишком малых количествах для массового производства, что позволит сделать их доступными терапевтическими препаратами.

Противоопухолевые производные

Носкапин сам по себе является антимитотическим средством, поэтому его аналоги обладают большим потенциалом в качестве новых противораковых препаратов. Разработаны аналоги, проявляющие выраженный цитотоксический эффект за счет модифицированного 1,3-бензодиоксольного фрагмента. Кроме того, были синтезированы N-алкиламино-, 1,3-диинильные, 9-винилфенильные и 9-арилиминопроизводные носкапина. Механизм их действия основан на ингибировании тубулина.

Противовоспалительные эффекты

Интересно, что различные исследования показали, что носкапин обладает противовоспалительным действием и значительно снижает уровни провоспалительных факторов, таких как интерлейкин 1β (IL 1β), IFN γ и IL 6. В связи с этим, в другом исследовании Khakpour и др. изучили влияние носкапина на воспаление, вызванное каррагенаном, у крыс. Они обнаружили, что носкапин в дозе 5 мг/кг массы тела, введенный через три часа после инъекции каррагенана, оказывает наиболее выраженный противовоспалительный эффект. Более того, они показали, что степень снижения воспаления при этой дозе носкапина сопоставима с таковой при применении индометацина – известного и стандартного противовоспалительного препарата. Кроме того, Shiri и др. пришли к выводу, что носкапин предотвращает прогрессирование воспаления, индуцированного брадикинином, в лапе крысы, за счет антагонизма к рецепторам брадикинина. В дополнение к этому, Zughaier и др. оценили противовоспалительные эффекты бромированного носкапина. Было показано, что бромированная форма носкапина ингибирует секрецию цитокина TNF α и хемокина IP 10/CXCL10 из макрофагов, тем самым уменьшая воспаление, не влияя на выживаемость макрофагов. Более того, бромированный производный носкапина проявляет активность, примерно в 5–40 раз более высокую, чем у носкапина. Опять же, этот бромированный производный также ингибирует Toll-подобные рецепторы (TLR), фактор некроза опухоли α (TNF α) и NO в макрофагах человека и мыши, не вызывая токсичности. Кроме того, бромированный носкапин обладает выраженной противовоспалительной активностью в моделях септического воспаления, ингибирует воспалительные факторы в зависимости от дозы и предотвращает высвобождение TNF α и NO в макрофагах человека и мыши. Другое исследование, посвященное воспалительным заболеваниям кишечника (язвенному колиту) и колоректальному раку, показало, что носкапин обладает выраженным противовоспалительным эффектом, который может значительно снизить уровни провоспалительных факторов, таких как IL 1β, IFN γ и IL 6, по сравнению с контрольной группой. Кроме того, было обнаружено, что наночастицы хитозана, содержащие производные бромированного носкапина, способны уменьшать уровни провоспалительных цитокинов, таких как IL 1β, IFN γ и IL 6, а также воспаление в слизистой оболочке толстой кишки.

Interestingly, various studies have indicated that noscapine has anti inflammatory effects and significantly reduces the levels of proinflammatory factors such as interleukin 1β (IL 1β), IFN c, and IL 6. In this regard, in another study, Khakpour et al. examined the effect of noscapine against carrageenan induced inflammation in rats. They found that noscapine at a dose of 5 mg/kg body weight in three hours after the injection has the most antiinflammatory effects. Moreover, they showed that the amount of inflammation reduction at this dose of noscapine is approximately equal to the indomethacin as a known and standard anti inflammatory medication. Furthermore, Shiri et al. concluded that noscapine prevented the progression of bradykinin induced inflammation in the rat's foot by antagonising bradykinin receptors. In addition, Zughaier et al. evaluated the anti inflammatory effects of brominated noscapine. The brominated form of noscapine has been shown to inhibit the secretion of the cytokine TNF α and the chemokine IP 10/CXCL10 from macrophages, thereby reducing inflammation without affecting macrophage survival. Furthermore, the bromated derivative of noscapine has about 5 to 40 times more potent effects than noscapine. Again, this brominated derivative also inhibits toll like receptor (TLR), tumour necrosis factor α (TNF α), and NO in human and mous macrophages without causing toxicity. Furthermore, brominated noscapine has potent anti inflammatory activity in models of septic inflammation, inhibits inflammatory factors in a dose dependent manner, and prevents the release of TNF α and NO in human and mouse macrophages. Another study on inflammatory bowel disease (ulcerative colitis) and colon cancer found that noscapine had an excellent anti inflammatory effect that could significantly decrease the levels of proinflammatory factors such as IL 1β, IFN c, and IL 6, compared to the control group. Additionally, it has been found that chitosan nanoparticles containing brominated noscapine derivatives could reduce proinflammatory cytokines such as IL 1β, IFN c, and IL 6 and inflammation within colon mucosal tissue.