ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Платиносодержащие противоопухолевые средства являются представляют собой эффективные противоопухолевые препараты, используемые в 50% всех клинически применяемых химиотерапевтических схем. [Dalton Trans., 2010, 39, 8113-8127] Однако, координационные соединения Pt(II) легко подвергаются неселективному лигандному замещению на пути к месту опухоли, при этом, примерно 90% от введенного цисплатина дезактивируется в кровотоке за счет необратимого связывания с альбумином и другими белками плазмы, и всего лишь 1% (или меньше) связывается с намеченной мишенью, ядерной ДНК, что приводит к быстро возникающей лекарственной резистентности и тяжелым побочным эффектам от терапии. [Anti-Cancer Agents Med. Chem. 2007, 7, 3– 18] Одна из стратегий преодоления широко известных недостатков препаратов на основе Pt(II) заключается в использовании комплексов Pt(IV) в качестве пролекарств. Комплексы Pt(IV) имеют низкоспиновую октаэдрическую геометрию d6, и обладают потенциалом для преодоления многих проблем, связанных с платиносодержащими химиотерапевтическими средствами. [J. Med. Chem., 2007, 50, 3403–3411]. Однако, большинство разработанных пролекарств Pt(IV) быстро восстанавливается в сыворотке крови, и активность большинства пролекарств Pt(IV) почти полностью снижается во внеклеточной среде, и их потенциальные преимущества перед препаратами Pt(II) теряются [Cancer Res., 1990, 50, 4539–4545] Для разработки эффективных пролекарств Pt(IV), помимо продуманного дизайна, обеспечивающего высокое внутриклеточное проникновение препарата и его эффективность in vitro, требуется проведение экспериментов, показывающих реальный метаболизм препарата в клетке, сыворотке крови и живой системе. Также, как при использовании препаратов Pt(II), так и при использовании пролекарств Pt(IV) проблема общей токсичности препаратов ввиду низкой селективности к здоровым тканям остается на первом месте; в настоящий момент, актуальной задачей является разработка физико-химических средств контролируемого высвобождения препаратов в зоне злокачественного новообразования, не затрагивающего здоровые ткани. В настоящем проекте предложено решение проблемы низкой селективности платиновых препаратов, заключающееся в контролируемом высвобождении препаратов Pt(II) из пролекарств Pt(IV) под внешним физико-химическим воздействием. Суть подхода заключается в том, что в координационное окружение Pt(IV) вводят фотопоглотитель, способный под действием света переносить электроны к центру Pt(IV), тем самым ускоряя восстановление пролекарств Pt(IV) и высвобождение цитотоксических метаболитов Pt(II). Кроме того, введение фотоактивных веществ в координационное окружение Pt(IV) позволит сочетать в одном препарате как пролекарство Pt(IV), способное контролируемое высвобождать активный метаболит Pt(II) при облучении, так и фотосенсибилизатор – агент для фотодинамической терапии. Сочетание в одном препарате контролируемо высвобождаемого пролекарства Pt(IV) и агента для фотодинамической терапии представляет собой инновационных подход; дизайн и синтез предложенных пролекарств позволяет решить как проблему низкой селективности платиновой терапии, так и клеточной резистентности. Одним из ключевых ограничений применения фотодинамической терапии является ее низкая эффективность в гипоксичных условиях. Для решения проблемы низкой эффективности ФДТ в условиях гипоксии, в настоящем проекте впервые предложена разработка несимметричных коньюгатов Pt(IV), содержащие как фотосенсибилизирующие, так и кислородмиметические фрагменты в составе одной молекулы. Таким образом, в аэробных условиях препараты будут работать и как химиотерапевтические, и ФДТ агенты; в то время как в условиях гипоксии по-прежнему будут высвобождать цитотоксический агент под действием возбуждающего излучения. Контролируемое высвобождение пролекарств Pt(IV) подход позволит снизить цисплатин-резистентность опухолевых клеток, а также увеличить значительно селективность терапии к опухолевым клеткам. Кроме того, увеличение липофильности препаратов Pt(IV) по сравнению с исходными препаратами Pt(II) позволит значительно увеличить внутриклеточное проникновение химиотрапевтических средств, тем самым, увеличивая их эффективность, снижая побочные эффекты вследствие снижения эффективной дозы. При лечении глубоко расположенных опухолей фотосенсибилизатор должен поглощать свет в фототерапевтическом окне от 750 до 900 нм. Эти длины волн эффективно проникают в ткани, и обеспечивают эффективную передачу энергии от триплетного возбужденного состояния фотосенсибилизатора к молекулярному кислороду в основном состоянии. [J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 2695–2702]. В настоящем проекте предложен дизайн пролекарств Pt(IV), содержащих в качестве аксиальных лигандов фотопоглотители, поглощающих в околокрасной области >600нм. Данных подход позволит получить препараты, пригодные для терапии глубоколежащих опухолей. Таким образом, настоящий проект посвящен разработке фотоактивируемых пролекарств Pt(IV), способных под действием света высвобождать цитотоксические препараты Pt(II). Разрабатываемые в настоящем проекте препараты представляют собой фотохимиотерапевтические агенты, способные под действием возбуждающего излучения катализировать как выход цитотоксического агента из состава пролекарства, так и генерировать активные формы кислорода вследствие взаимодействия триплетных состояний фотопоглотителей с молекулярным кислородом.
Platinum-containing anticancer agents are effective anticancer drugs used in 50% of all clinically used chemotherapy regimens. [Dalton Trans., 2010, 39, 8113-8127] However, Pt(II) coordination compounds easily undergo non-selective ligand substitution on the way to the tumor site, while approximately 90% of the administered cisplatin is deactivated in the bloodstream due to irreversible binding to albumin and other plasma proteins, and as little as 1% (or less) binds to its intended target, nuclear DNA, leading to rapidly emerging drug resistance and severe side effects from therapy. [Anti-Cancer Agents Med. Chem. 2007, 7, 3–18] One strategy to overcome the well-known shortcomings of Pt(II) based drugs is to use Pt(IV) complexes as prodrugs. The Pt(IV) complexes have a low spin d6 octahedral geometry and have the potential to overcome many of the problems associated with platinum-containing chemotherapeutic agents. [J. Med. Chem., 2007, 50, 3403–3411]. However, most of the developed Pt(IV) prodrugs are rapidly reduced in serum, and the activity of most Pt(IV) prodrugs is almost completely reduced in the extracellular environment, and their potential advantages over Pt(II) drugs are lost [Cancer Res., 1990, 50, 4539–4545] To develop effective Pt(IV) prodrugs, in addition to a well-thought-out design that ensures high intracellular penetration of the drug and its effectiveness in vitro, experiments are required to show the actual metabolism of the drug in the cell, blood serum, and living system. Also, both when using Pt(II) preparations, and when using Pt(IV) prodrugs, the problem of the general toxicity of drugs due to low selectivity to healthy tissues remains in the first place; At the moment, an urgent task is to develop physical and chemical means of controlled release of drugs in the area of a malignant neoplasm that does not affect healthy tissues. In the present project, a solution to the problem of low selectivity of platinum drugs is proposed, which consists in the controlled release of Pt(II) drugs from Pt(IV) prodrugs under external physicochemical influence. The essence of the approach is that a photoabsorber is introduced into the Pt(IV) coordination environment, which is capable of transferring electrons to the Pt(IV) center under the action of light, thereby accelerating the reduction of Pt(IV) prodrugs and the release of cytotoxic Pt(II) metabolites. In addition, the introduction of photoactive substances into the Pt(IV) coordination environment will make it possible to combine in one preparation both a Pt(IV) prodrug capable of controlled release of the active Pt(II) metabolite upon irradiation, and a photosensitizer agent for photodynamic therapy. The combination in one formulation of a controlled-release Pt(IV) prodrug and a photodynamic therapy agent represents an innovative approach; The design and synthesis of the proposed prodrugs makes it possible to solve both the problem of low selectivity of platinum therapy and cell resistance. One of the key limitations of the use of photodynamic therapy is its low efficiency in hypoxic conditions. To solve the problem of low efficiency of PDT under hypoxic conditions, in this project, for the first time, we proposed the development of asymmetric Pt(IV) conjugates containing both photosensitizing and oxygen mimetic fragments in one molecule. Thus, under aerobic conditions, drugs will work as both chemotherapeutic and PDT agents; while under hypoxic conditions, they will still release the cytotoxic agent under the action of excitatory radiation. The controlled release of Pt(IV) prodrugs will reduce the cisplatin resistance of tumor cells, as well as significantly increase the selectivity of therapy for tumor cells. In addition, an increase in the lipophilicity of Pt(IV) preparations compared to the original Pt(II) preparations will significantly increase the intracellular penetration of chemotherapeutic agents, thereby increasing their effectiveness, reducing side effects due to a decrease in the effective dose. When treating deep-seated tumors, the photosensitizer must absorb light in the phototherapy window of 750 to 900 nm. These wavelengths effectively penetrate tissues, and provide efficient energy transfer from the triplet excited state of the photosensitizer to molecular oxygen in the ground state. [J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 2695–2702]. In this project, we propose the design of Pt(IV) prodrugs containing photoabsorbers as axial ligands that absorb >600 nm in the near-red region. This approach will make it possible to obtain drugs suitable for the treatment of deep-lying tumors. Thus, this project is devoted to the development of photoactivated Pt(IV) prodrugs capable of releasing cytotoxin under the action of light.
В настоящем проекте предложен дизайн, синтез, физико-химическое и биологическое исследование новых пролекарств Pt(IV), содержащих в качестве аксиальных лигандов фотопоглотители, способные при облучении катализировать восстановление пролекарств Pt(IV) в Pt(II). Результатом выполнения проекта ожидается получение фотоактивных пролекарств Pt(IV), способных контролируемо высвобождать цисплатин под действием возбуждающего излучения, и оказывать дополнительный цитотоксический эффект путем генерации АФК в месте локального облучения. Предложенный подход к дизайну контролируемо высвобождаемых лекарственных средств из пролекарств Pt(IV) является перспективным, полученные пролекарства Pt(IV) будут нетоксичны к здоровым тканям, стабильны в физиологических условиях, при этом, под действием внешнего локального облучения в месте злокачественного новообразования, будут высвобождать цитотоксический агент в сочетании с фотосенсибилизатором; применение предложенных лекарственных средств обеспечит локальное контролируемое действие как цитотоксического агента, так и фотодинамической терапии. Ожидается, что разработанные в ходе настоящего проекта фотоактивные пролекарства будут значительно превосходить в терапевтической эффективности используемый в клинической практике цисплатин. Предложенный в настоящем проекте подход, заключающийся в контролируемой фотоактивации нетоксичных пролекарств позволит свести к минимуму тяжелые побочные эффекты химиотерапии, значительно снизить воздействие химиотерапии на здоровые ткани, обеспечить локальное высвобождение цитотоксического агента в месте облучения. Варьирование природы фотосенсибилизатора и длины волны возбуждающего излучения, его проникающей способности позволит применять разработанные в ходе выполнения проекта препараты как для терапии как поверхностных злокачественных новообразований, так и полостных опухолей. В настоящем проекте будут разработаны пролекарства Pt (IV) с фотоактивными лигандами, поглощающих в «окне оптической прозрачности» биологических тканей от 650 до 850 нм. В настоящий момент, в литературе описан лишь 1 пример пролекарства Pt(IV) с фотоактивным лигандом, попадающим в вышеуказанную область. В ходе проекта будут выполнены работы от синтеза коньюгатов до испытания их фотохимитерапевтической эффективности in vivo. Настоящий проект представляет собой полноценное исследование по разработке химиотерапевтического агента с контролируемым высвобождением; ожидаемые результаты являются перспективными для медицинской химии и онкологии.
Коллектив проекта имеет существенный научный задел в области органической , медицинской химии и фотохимии. Коллектив имеет многолетний опыт разработки лекарственных препаратов от молекулярного дизайна до исследований in vivo [Krasnovskaya et al. Journal of Medicinal Chemistry 2020, 63, 21, 13031-13063] и доклинических исследований [Journal of Medicinal Chemistry 2014, 57 (14), pp 6252–6258]. Коллектив проекта имеет опыт разработки биологически активных пролекарств Pt(IV), изучения их противопухолевого действия и внутриклеточного метаболизма. [Krasnovskaya et al. Dalton Trans., 2021,50, 7922-7927] [Spector et al. Int J Mol Sci. 2021 Apr 7;22(8):3817] Коллектив проекта опыт исследования сложных фотохимических процессов с участием органических красителей и биомакромолекул. [Dyes and Pigments, Volume 195, November 2021, 109675] [Dyes and Pigments Volume 191, July 2021, 109354] Коллектив проекта имеет опыт электрохимической детекции активных форм кислорода с использованием платинизированного наноэлетрода in vitro И In vivo [Anal. Chem. 2020, 92, 12, 8010–8014. Также, лаборатория оборудована для изучения фотоиндуцированных процессов в клетках, опухолевых моделях – сфероидах, и in vivo. Ранее, в лаборатории проводилась детекция фотоиндуцированного высвобождения активных форм кислорода флавинмононуклеотидом в опухолевых моделях-сфероидах и in vivo [Scientific Reports volume 9, Article number: 9679 (2019)] Коллектив проекта имеет опыт совместной работы и реализации сложных научных задач. Ранее коллективном проекта были успешно разработаны фотоактивные пролекарства Pt(IV) с аксиальными лигандами, представляющих собой производные рибофлавина. Было проведено полное физико-химическое исследование, изучены механизмы фотовосстановления пролекарств, доказана их эффективность и способность к фотоиндуцированному фотовосстановлению в живых системах. По результатам работы заявлен патент на противоопухолевое средство с контролируемым фотовысвобождением.
-
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 13 мая 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Фотоактивируемые пролекарства Pt(IV) для терапии злокачественных новообразований |
Результаты этапа: За первый год выполнения проекта разработаны синтетические подходы к получению пролекарств Pt(IV) с фотопоглотителями в качестве аксиальных лигандов, поглощающие в синей, желтой и красной областях спектра. Варьирование свойств аксиального лиганда позволяет настраивать длину поглощения коньюгата, его фотохимические свойства и, как следствие, его потенциальное применение. Получено пять пролекарств Pt(IV) с бордипиррометеновыми фотопоглотителями (BODIPY) в аксиальном положении, представляющими собой перспективные агенты для фотоконтролируемой химиотерапии. Проведено физико-химическое исследование разработанных лигандов и координационных соединений, для ряда разработанных лигандов и координационных соединений исследованы их фотохимические свойства, показана их способность образовывать синглетный кислород и действовать как агенты для фотодинамической терапии. Также, в первый год выполнения проекта нами разработан перспективный препарат Рибоплатин для комбинированной химиотерапии/фотодинамической терапии, представляющий собой пролекарство цисплатина с тетраацетилрибофлавином в аксиальном положении. Проведено исследование физико-химических свойств разработанного препарата, его фотохимической и биологической активности. Проведено изучение механизма фотовосстановления разработанного пролекарства. Показано, что фотопереноса электрона с возбужденного состояния фотопоглотителя на центр Pt(IV) возможен как из синглетного, так и из и триплетных возбужденных состояний. Показано, что фотовосстановление пролекарства происходит через образование флавосемихинового радикала. Показано, что разработанный препарат является истинным пролекарством, высвобождающим цисплатин при облучении синим светом. Доказано, что Рибоплатин является фоточувствительным пролекарством, способным к высвобождению цисплатина даже при дозе 0.12 Дж/см2. Также показано, что фотовосстановление Рибоплатина не требует участия восстановительных агентов в отличии от описанных в литературе аналогов, что было подтверждено методами ВЭЖХ, время-коррелированного счета фотонов и флеш-фотолиза. Показано, что Рибоплатин способен генерировать синглетный кислород, что делает его перспективным агентом как для фотоактивируемой химиотерапии, так и для фотодинамической терапии. Исследования цитотоксичности показали, что Рибоплатин прекрасно реагирует на облучение, с возрастанием цитотоксичности до/после облучения в 12 раз. При этом, без облучения Рибоплатин менее токсичен, чем цисплатин, в то время как при облучении его токсичность по сравнению с цисплатином возрастает до 3 раз. Дополнительные исследования цитотоксичности показали высокую светочувствительность препарата, и его токсичность даже при малых дозах облучения. Также показано, что внутриклеточное накопление препарата является фоточувствительным, доказано изменение внутриклеточного распределения и увеличение количество накопленного коньюгата под действием синего света. Таким образом, за первый год выполнения проекта нами были разработаны перспективные пролекарства Pt(IV), представляющие собой химиотерапевтические агенты с контролируемой фотоактивацией. Полученные в ходе первого года выполнения проекта результаты соответствуют мировому уровню, разработанные в ходе первого года выполнения проекта фотоактивные коньюгаты представляют интерес для медицинской химии как химиотерапевтические агенты с контролируемым высвобождением, сочетающие в себе эффективность платиносодержащий химиотерапии, фотодинамической терапии, наряду с низкой токсичностью в отсутствии внешнего стимула. | ||
2 | 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Фотоактивируемые пролекарства Pt(IV) для терапии злокачественных новообразований |
Результаты этапа: За второй год выполнения проекта впервые были получены пролекарства Pt(IV) тройного действия Pt-1-Pt-2, содержащие тетраацетилрибофлавин в аксиальном положении, потенциально способные к контролируемой фотоактивации с высвобождением цисплатина, фотоконтролируемой генерации АФК, а также содержащих дополнительный биологически активный фрагмент НСПВП или векторный фрагмент малеимида. Также, было разработано 8 фотоактивируемых пролекарств с лигандами-фотопоглотителями BODIPY в аксиальном положении. Так, впервые было получено пролекарство Pt-3 с BODIPI в аксиальном положении, содержащее тяжелые атомы брома, потенциально способное под действием света не только высвобождать цисплатин, но и образовывать цитотоксические активные формы кислорода (АФК). Также, впервые было получено водорастворимое БИК-поглощающее пролекарство Pt-5, содержащее полярные фрагменты тетраэтиленгликоля, способное образовывать стабильные водные растворы концентрацией 10-3 М в присутствии 1% ДМСО. Повышенная водорастворимость пролекарства Pt-5 делает данное соединение доступным для исследования в живых системах in vivo. Также, впервые было получено БИК-поглощающее пролекарство Pt(IV) Pt-6 с фрагментом нового стирил-BODIPY 22 с конденсированной ароматической системой в аксиальном положении. В ходе второго этапа проекта был разработан новый подход к введению органических лигандов в аксиальное положение пролекарств Pt(IV), заключающийся в медь-катализируемом азид-алкиновом циклоприсоединении. Подобрана оптимальная каталитическая система для проведения клик-реакции между алкином – аксиальным лигандом и азидсодержащем комплексом платины. Введение BODIPY в аксиальное положение пролекарств Pt(IV) с помощью клик-реакции оказалось более эффективным подходом, чем широко используемый метод на основе создания карбаматной связи, так как позволяет получать целевые пролекарства Pt(IV) с более высокими выходами и за меньшее количество стадий. Используя разработанный подход, было впервые получено БИК-поглощающее пролекарство Pt(IV) двойного действия Pt-9, потенциально способное под действием красного света высвобождать цисплатин и генерировать АФК. Гипоксия является маркером опухолевых заболеваний. В ходе второго года проекта было разработано пролекарство Pt-10, аксиальный лиганд которого содержит чувствительный к гипоксии фрагмент 2-нитроимидазола. Данное пролекарство потенциально является не только БИК-поглощающим агентом фотоконтролируемой химиотерапии, но и потенциально способно накапливаться в гипоксических областях ввиду необратимого восстановления аксиального лиганда. Исследование фотоиндуцированного высвобождения цисплатина из разрабатываемых пролекарств проводилось методом ВЭЖХ-МС, а также с помощью электрохимической детекции высвобождения цисплатина в облучаемом растворе. В ходе второго этапа выполнения проекта исследовано фотоиндуцированное высвобождение цисплатина из пролекарства 13*. Согласно данным ВЭЖХ-МС, пролекарство 13* показало способность полностью восстанавливаться под действием синего света 450 нм мощностью 32 мВт/см2 за два часа, при этом, фотораспад пролекарства сопровождался накоплением цисплатина в растворе. Светоиндуцированное высвобождение цисплатина из пролекарств 13* и Pt-7 было также изучено методом циклической вольтамперометрии с использованием платинированного наноэлектрода. При облучении растворов пролекарств 13* и Pt-7 синим светом в течение 45 минут наблюдалось постепенное высвобождение цисплатина. Также, в ходе второго этапа выполнения проекта были определены фотохимические характеристики ряда разработанных в ходе выполнения проекта лигандов – фотопоглотителей и пролекарств на их основе. Исследовано время жизни флуоресценци, а также определены квантовые выходы синглетного пролекарств Pt(IV) 13*, Pt-3, Pt-4, Pt-6 и Pt-9 и соответствующих лигандов 10*, 6, 22, 29, 30. Установлено снижение квантового выхода флуоресценции для всех пролекарств по сравнению с соответствующими лигандами, позволяющее предположить внутримолекулярный перенос электрона с синглетного или короткоживущего триплетного состояния лиганда на центр Pt(IV) в процессе фотоактивации. Для галогенсодержащих BODIPY 29 и 30, а также для соответствующих пролекарств Pt-3 и Pt-9 была показана кинетика гибели триплетного состояния с использованием флеш-фотолиза. Близкие значения констант скорости гибели триплетных состояний пролекарств Pt(IV) и аксиальных лигандов позволяют предположить, что в отсутствие донора электронов триплетное состояние 2,6-дибром-BODIPY не участвует в фотовосстановлении пролекарств Pt(IV). Для пролекарств Pt(IV) Pt-3, Pt-9 и лигандов 29, 30 была показана способность образовывать синглетный кислород при облучении, что подтверждает способность данных лигандов и пролекарства Pt(IV) выступать в качестве ФДТ-агентов. Фотоактивируемые лекарственные препараты должны проявлять минимальную токсичность в темноте, при этом, высвобождать активный компонент при действии облучения. Для пролекарств Pt(IV) тройного действия Pt-1 и Pt-2 была показана фототоксичность на клеточной линии эпителия лёгкого WI-26 при облучении светом 450 нм (1 Дж/см2). Пролекарства продемонстрировали высокие индексы фототоксичности, что подтверждает возможность их контролируемой фотоактивации. Также, была исследована фототоксичность пролекарств Pt(IV) 13* и Pt-7 с BODIPY в аксиальном положении при облучении синим светом. Пролекарства оказывали значительный цитотоксический эффект в микромолярном диапазоне при облучении, при этом в темноте оба пролекарства показали отсутствие токсичности. Для БИК-поглощающих пролекарств Pt-5 и Pt-9 также показана фототоксичность при облучении светом 660 нм, что подтверждает их фотоиндуцированное цитотоксическое действие. На втором этапе выполнения проекта была также проведен обзор литературы, посвященной дизайну, синтезу, биологическому действию и терапевтической эффективности за последние 5 лет. Тщательный анализ литературных данных позволил определить наиболее эффективные синтетические стратегии, позволяющие повысить терапевтическую эффективность пролекарств Pt(IV) по сравнению с используемыми в клинической практике препаратами Pt(II). Обзор литературы «Пролекарства Pt(IV) как альтернатива препаратам Pt(II): синтез и биологическое действие» опубликован в журнале Russian Chemical Reviews (Q1, фактор 7,46). Также, коллективом проекта опубликована статья «Photoinduced Reduction of Novel Dual-Action Riboplatin Pt(IV) Prodrug» в журнале ACS applied materials & interfaces (Q1, IF 10,38) посвященной дизайну и исследованию разработанного коллективом проекта препарата Рибоплатина, а также фотоиндуцированного высвобождения цисплатина из пролекарства, детектируемое в реальном времени в клеточных моделях-сфероидах. Также, результаты выполнения проекта были отображены в ряде СМИ [https://xn--80aa3ak5a.xn--p1ai/journal/na-yarkoy-storone-kak-svet-pomogaet-uchenym-upravlyat-lekarstvami/] [https://misis.ru/news/8481/] [https://iz.ru/1503169/andrei-korshunov/dorozhe-platiny-v-rf-razrabotali-malotoksichnoe-lekarstvo-protiv-raka]. | ||
3 | 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. | Фотоактивируемые пролекарства Pt(IV) для терапии злокачественных новообразований |
Результаты этапа: |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".