Введение
Псорален (также называемый псораленом) является основным соединением в семействе природных органических соединений, известных как линейные фуранокумарины. Он структурно связан с кумарином за счет добавления конденсированного фуранового кольца и может рассматриваться как производное умбеллиферона. Псорален содержится в семенах Psoralea corylifolia, а также в обыкновенной смоковнице, сельдерее, петрушке, западноиндийском сатине и во всех цитрусовых. Он широко используется в ПУВА-терапии (псорален + УФА) при псориазе, экземе, витилиго и кожных Т-клеточных лимфомах; для этих целей обычно применяются такие препараты, как метоксален. Многие фуранокумарины чрезвычайно токсичны для рыб, и некоторые из них добавляют в реки в Индонезии для ловли рыбы.
Применение
Псорален является мутагеном и используется в исследованиях молекулярной биологии для этой цели. Псорален интеркалирует в ДНК и при воздействии ультрафиолетового излучения (UVA) может образовывать моноаддукты и ковалентные межцепочечные сшивки (ICL) с тиминами, преимущественно в 5'-TpA участках генома, индуцируя апоптоз. Терапия псораленом в сочетании с УФА (PUVA) может применяться для лечения гиперпролиферативных заболеваний кожи, таких как псориаз и некоторые виды рака кожи. К сожалению, само лечение PUVA повышает риск развития рака кожи. Важным применением псоралена является PUVA-терапия при кожных заболеваниях, таких как псориаз и, в меньшей степени, экзема и витилиго. Это основано на высокой способности псоралена поглощать УФ-излучение. Сначала псорален наносится для повышения чувствительности кожи, а затем применяется УФА-излучение для лечения заболевания. Псоралены также используются в фотоферезе, где их смешивают с выделенными лейкоцитами перед воздействием ультрафиолетового излучения. Несмотря на фотоканцерогенные свойства псоралена, он использовался в качестве активатора загара в солнцезащитных кремах до 1996 года. Псоралены применяются в ускорителях загара, поскольку псорален повышает чувствительность кожи к свету. У некоторых пациентов после загара с использованием активаторов загара, содержащих псорален, наблюдалась серьезная потеря кожи. Пациенты со светлой кожей в четыре раза чаще страдают от меланомы, чем пациенты с темной кожей. Дополнительное применение оптимизированных псораленов – для инактивации патогенов в компонентах крови. Синтетический аминопсорален, амотосален HCl, разработан для инактивации инфекционных патогенов (бактерий, вирусов, простейших) в тромбоцитарных и плазменных компонентах крови, предназначенных для переливания пациентам. Перед клиническим применением тромбоциты, обработанные амотосаленом, были протестированы и признаны неканцерогенными при использовании общепринятой модели мышей с нокаутом гена p53. В настоящее время эта технология регулярно используется в некоторых европейских центрах крови и недавно была одобрена в США.
Химия
Псорален интеркалирует в двойную спираль ДНК, где он оптимально расположен для образования одного или нескольких аддуктов с соседними пиримидиновыми основаниями, преимущественно тимином, при возбуждении ультрафиолетовым фотоном. Для определения констант связывания взаимодействия псоралена с ДНК используется несколько физико-химических методов. Классически две камеры, содержащие псорален и буферный раствор ДНК, разделены полупроницаемой мембраной; сродство псоралена к ДНК напрямую связано с концентрацией псоралена в ДНК-камере после достижения равновесия. Растворимость в воде важна по двум причинам: фармакокинетика, связанная с растворимостью препарата в крови, и необходимость использования органических растворителей (например, ДМСО). Псоралены также могут быть активированы облучением длинноволновым ультрафиолетовым светом. Хотя диапазон UVA является клиническим стандартом, исследования, показывающие, что UVB более эффективно формирует фотоаддукты, позволяют предположить, что его использование может привести к повышению эффективности и сокращению времени лечения. Фотохимически реактивными участками в псораленах являются алкеноподобные углерод-углеродные двойные связи в фурановом кольце (пятичленное кольцо) и пиронном кольце (шестичленное кольцо). При соответствующей интеркаляции рядом с пиримидиновым основанием реакция фотоциклоприсоединения с участием четырех центров может привести к образованию одного из двух моноаддуктов циклобутилового типа. Как правило, моноаддукты фурана образуются в большем количестве. Моноаддукт фурана может поглотить второй UVA-фотон, что приводит ко второму фотоциклоприсоединению с участием четырех центров на пиронном конце молекулы и, следовательно, к образованию диадукта или поперечной связи. Моноаддукты пирона не поглощают в диапазоне UVA и, следовательно, не могут образовывать поперечные связи при дальнейшем облучении UVA. Другой важной особенностью этого класса соединений является их способность генерировать синглетный кислород, хотя этот процесс конкурирует с образованием аддуктов и может быть альтернативным путем диссипации энергии возбужденного состояния. Исторически исследования псоралена были сосредоточены на взаимодействии с ДНК и РНК (в частности, на образовании межцепочечных сшивок). Однако было показано, что псорален также блокирует передачу сигнала рецептором ErbB2, который сверхэкспрессируется при некоторых агрессивных формах рака молочной железы. Синтетический производный бергаптена, 5-(4-феноксибутокси)псорален, демонстрирует перспективность в качестве иммуносупрессанта, ингибируя специфический калиевый канал. Его структура препятствует интеркаляции в ДНК, и он очень слабо образует синглетный кислород, значительно снижая нежелательную токсичность и мутагенность in vivo. Это имеет значение для лечения различных аутоиммунных заболеваний (например, рассеянного склероза, диабета 1 типа и ревматоидного артрита). Хотя модификация поверхности клеток и блокирование ионных каналов – два недавно открытых механизма действия, предстоит провести еще много исследований.
Структура
Большинство фуранокумаринов можно рассматривать как производные псоралена или ангелицина. Псорален и его производные часто называют линейными фуранокумаринами, поскольку они обладают линейной химической структурой. Важными линейными фуранокумаринами являются ксантотоксин (также называемый метоксаленом), бергаптен, императорин и нодакенетин. Структура псоралена была первоначально установлена путем идентификации продуктов его реакций разложения. Он проявляет типичные реакции лактона кумарина, такие как раскрытие цикла под действием щелочи с образованием кумариновой кислоты или производного кумариновой кислоты. Перманганат калия вызывает окисление фуранового кольца, а другие методы окисления приводят к образованию фуран-2,3-карбоновой кислоты.
Синтез
Псорален трудно синтезировать, поскольку умбеллиферон замещается в 8-м положении, а не в желаемом 6-м положении. Бензофуран преимущественно реагирует в фурановом кольце, а не в бензольном. Однако 7-гидроксипроизводное 2,3-дигидробензофурана (также называемое кумараном) замещается в желаемом 6-м положении, что позволяет осуществить следующий синтез кумариновой системы посредством реакции Гаттермана-Коха, за которой следует конденсация Перкина с использованием уксусного ангидрида. Затем синтез завершается дегидрированием пятичленного кольца с образованием фуранового кольца.
Биосинтез
Псорален происходит от кумаринов в шикиматном пути; его биосинтез показан на рисунке ниже. Ароматическое кольцо в соединении 6 активируется в орто-положениях к гидроксильной группе и алкилируется соединением 5, являющимся алкилирующим агентом. Диметил-аллильная группа в соединении 7 затем подвергается циклизации с фенольной группой с образованием соединения 8. Эта трансформация катализируется цитохром P450-зависимой монооксигеназой 17 (псорален-5-монооксигеназой) при участии кофакторов (NADPH) и молекулярного кислорода. На рисунке ниже показан биосинтетический путь образования псоралена. Второй P450-зависимый монооксигеназный фермент (псораленсинтаза) затем отщепляет соединение 10 (в форме соединения 11) от соединения 8, образуя соединение 1. Этот путь не включает гидроксилированные промежуточные соединения, и предполагается, что расщепление инициируется радикальной реакцией.
Ремонт аддукта ДНК псоралена
Лечение ПУВА приводит к образованию как межцепочечных сшивок ДНК (ICL), так и моноаддуктов. Сшивки ICL, индуцированные псораленом, обладают высокой генотоксичностью для активно реплицирующихся клеток. Ковалентная связь препятствует продвижению репликационной вилки. Таким образом, разъединение ICL необходимо для возобновления репликации. Начальные этапы репарации обычно включают разрезы в одной родительской цепи с обеих сторон от сшивки. После этого репарация повреждения может происходить точным или неточным способом. Точный способ репарации сшивок – гомологичная рекомбинационная репарация (HRR). Этот процесс включает замену поврежденной информации с использованием неповрежденной информации из другой гомологичной хромосомы в той же клетке. Клетки *Escherichia coli* с дефицитом HRR обладают высокой чувствительностью к ПУВА по сравнению с клетками дикого типа. HRR представляется эффективным. У *E. coli*, даже одна или две нерепарированные сшивки достаточны для инактивации клетки, однако клетка дикого типа способна репарировать и, следовательно, восстанавливаться после 53–71 псораленовых сшивок. У диких дрожжей рекомбинационные события, связанные с удалением сшивок посредством HRR, преимущественно представляют собой некороссинговую конверсию генов. Псораленовые сшивки в ДНК вирусов также удаляются посредством рекомбинационной репарации, как это происходит в клетках, инфицированных вирусом SV40, и в клетках, инфицированных вирусом простого герпеса. Один из неточных способов репарации псораленовых сшивок, по-видимому, использует ДНК-полимеразу для заполнения пробела, образованного в цепи с двумя разрезами. Этот процесс неточен, поскольку комплементарная неразрезанная цепь все еще содержит часть сшивки и, следовательно, не может служить адекватной матрицей для точного репаративного синтеза. Неточный репаративный синтез может вызывать мутации. Моноаддукты псоралена в матричной цепи ДНК также могут вызывать неточный обход репликации (транслезионный синтез), который может приводить к мутациям. У фага T4 увеличение частоты мутаций, наблюдаемое после лечения ПУВА, оказалось связано с транслезионным синтезом, осуществляемым ДНК-полимеразой дикого типа, вероятно, из-за несовершенной способности корректуры.
Анализ структур нуклеиновых кислот
Псоралены способны обратимо сшивать двойные спирали нуклеиновых кислот, и поэтому широко применяются для анализа взаимодействий и структур как ДНК, так и РНК.