|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Гетероаннелированные аналоги порфиразинов для терапии и диагностики онкологических заболеванийНИР
Heteroannelated analogs of porphyrazines for therapy and diagnostics of oncological diseases
- Руководитель НИР: Дубинина Т.В.
- Ответственные исполнители: Горбунова Е.А., Косов А.Д.
- Участники НИР: Агранат А.С., Антонец А.А., Белоусов М.С., Бурцев И.Д., Еремеев Р.О.
- Подразделение: НИЛ биоэлементоорганической химии
- Срок исполнения: 14 августа 2023 г. - 30 июня 2026 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 23-73-10076
- Номер ЦИТИС: 123090100057-2
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Живые системы, медицинские технологии, медицинская химия и новые лекарственные средства
- Приоритеты и перспективы НТР Российской Федерации согласно Стратегии НТР РФ: переход к высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения
- ПН России: Индустрия наносистем
- Направление технологического прорыва России: Медицинские технологии и лекарственные средства
- Критическая технология России: Нано-, био-, информационные, когнитивные технологии
-
Рубрики ГРНТИ:
- 61.39.43 Макрогетероциклические красители
-
Ключевые слова:
координационная химия, порфиразины, фотосенсибилизаторы
porphyrazines, coordination chemistry, photosensitizers -
Описание:
Цель проекта – разработка подходов к получению новых фотосенсибилизаторов введением в молекулу тетра и трипиррольных соединений – порфиразинов и субпорфиразинов гетероароматических фрагментов, обладающих выраженными флуоресцентными свойствами, при этом гетероатомы являются дополнительными сайтами проведения структурных модификаций, необходимых в том числе для кватернизации и получения солюбилизированных форм новых фотосенсибилизаторов.
-
Abstract:
Photodynamic therapy of oncological diseases has found wide application as an alternative to chemotherapy. The main advantages of photodynamic therapy are non-invasiveness and lack of resistance to the drugs used. The main active substance in photodynamic therapy is active oxygen, which is produced in the presence of substances - photosensitizers and targets such targets as the walls of blood vessels of tumor cells, the plasma membrane and intracellular structures. The relevance of obtaining new photosensitizers and their solubilized forms is due to the fact that photosensitizers, which are currently used for photodynamic therapy of oncological diseases, with simultaneous fluorescent imaging of tumors, have a number of disadvantages - this is a low intensity of radiation absorption in the range of the highest transparency of biological tissues and a high tendency to aggregation in aqueous solutions. The objectives of this Project are to obtain water-soluble forms of new photosensitizers that are in the most disaggregated (monomerized) state and have intense absorption in the range of the “transparency window” of biological tissues. In addition, the resulting photosensitizers must have intense fluorescence in order to realize the possibility of tumor visualization. This Project provides for two approaches to achieve the stated goals. The first approach involves the use of synthetic organic chemistry and coordination chemistry methods to modify the structures of photosensitizers in order to improve their properties. The modification will be carried out by introducing heterocyclic fragments: pyrazine, carbazole, and pyrido[1,2-a]benzimidazole. These molecules are distinguished by the presence of nitrogen atoms, on which structural changes can be easily carried out, namely alkylation and quaternization. In addition, carbazole and pyrido[1,2-a]benzimidazole are bright fluorophores, that is, the presence of these fragments in the molecule will increase the fluorescence quantum yield of the target molecules. Pyrazine fragments increase the resistance of photosensitizers to oxidation by oxygen. In order to solve the problem of aggregation, new heteroannelated boron subporphyrazines will be obtained, which, due to their non-planar, cone-shaped structure, practically do not aggregate in solution. Heteroannelation will help to eliminate the main drawback of these compounds - absorption in the range of 550-570 nm, which does not provide the required radiation penetration depth in many cases during a PDT session. The second approach involves the use of colloidal and medicinal chemistry methods to obtain truly monomeric molecules in aqueous solutions that are able to exhibit a photodynamic effect, and can also be selectively delivered to the tumor without undergoing early phagocytosis (which is possible due to the presence of large hydrophobic macrorings in the molecules). For this purpose, micellar solutions and microemulsions will be used. The use of microemulsions makes it possible to minimize the amount of surfactant used for solubilization. The novelty of the Project lies in the combination of the use of previously undescribed photosensitizers and previously unused solubilization techniques for these classes of compounds. For each photosensitizer, the Project provides for the following stages of research: (1) Synthesis, including preparation of starting dinitriles and identification; (2) Study of photochemical and fluorescent properties; (3) Selection of solubilization technique; (4) Study of cytotoxicity (dark and after irradiation). The result of the Project will be selected hit compounds that will show the greatest efficiency and can be further investigated in experiments to determine in vivo cytotoxicity.
-
Планируемые результаты:
В результате выполнения настоящего Проекта будут получены следующие практически значимые результаты: Будут разработаны подходы к созданию новых перспективных фотосенсибилизаторов, содержащих гетероароматические фрагменты, способных интенсивно поглощать в диапазоне наибольшей прозрачности биологических тканей (600-900 нм), что сделает их применимыми для лечения глубоко залегающих опухолей. Кроме того, за счет введения в молекулу новых фотосенсибилизаторов гетероциклов – мощных флуорофоров (карбазол, и пиридо[1,2-а]бензимидазол) планируется повысить выход флуоресценции целевых макроциклов для их использования в флуоресцентной визуализации опухоли. Для снижения агрегации и получения молекул, которые могут быть эффективны в тераностике (терапия+диагностика) онкологических заболеваний будет получена серия гетероаннелированных субпорфиразиновых комплексов бора – неплоских молекул, не склонных к агрегации. В результате выполнения Проекта будут не просто получены новые фотосенсибилизаторы, но и будут подобраны условия их солюбилизации – то есть получения форм, пригодных для дальнейшего изучения цитотоксичности как in vitro, так и in vivo. Включение молекул-фотосенсибилизаторов в «контейнеры»-переносчики (то есть мицеллы или капли микроэмульсии) будет способствовать не только достижению растворимости, но и увеличению селективности поступления фотосенсибилизатора в опухоль. В полном соответствии с мировым уровнем исследований в области медицинской химии будет осуществлен синтез новых соединений, наработаны экспериментальные образцы, проведено определение in vitro фотохимических характеристик полученных фотосенсибилизаторов с целью определения механизма действия и эффективности. Будет установлена корреляция между структурами гибридов и проявляемой активностью (SAR) и произведен отбор наиболее перспективных по своим показателям соединений и наиболее эффективных методик их солюбилизации.
-
Научный задел:
Отработана методика синтеза ди- и тетрациано-карбазолов, а также получено несколько незамещенных по периферии макрокольца карбазол-аннелированных порифразинов [M.Belousov et al., Bulletin of the Chemical Society of Japan, 2023, 10.1246/bcsj.20220319; Macroheterocycles, 2022, 15(2), 85-89]. Методом химической ловушки показано, что карбазол-аннелированные порфиразины способны генерировать синглетный кислород. Руководителем Проекта и основными исполнителями – Горбуновой Е.А. и Косовым А.Д. [E.A. Gorbunova, A.D. Kosov et al. Journal of Photochemistry & Photobiology, A: Chemistry, 2022, 426, 113747] продемонстрирован фотодинамический эффект полилактидных мицелл, содержащих комплексы фталоцианинов. Исследование проводилось in vitro на примере клеточной линии HeLa. В качестве положительного контроля использовалась натриевая соль хлорина е6 (Се6). Соединение Се6 является водорастворимым производным хлорина е6, активного соединения нескольких высокоэффективных фотосенсибилизаторов (Фотодитазин, Фотолон), используемых в настоящее время в клинической практике. Соединение Ce6 показало умеренную темновую токсичность в клетках HeLa; его доза IC50 составляет 13.4 мкМ. Мицеллы с комплексами показали более выраженную темновую токсичность; их значения IC50 составили около 1.3-1.4 мкМ. Показано, что облучение светом (λ > 630 нм) без добавления исследуемых соединений не влияет на жизнеспособность клеток в текущих экспериментальных условиях. Соединение Ce6 обладает высокой фототоксичностью в клетках HeLa; его доза IC50 составляет 0.7 мкМ. Мицеллы с комплексом Cl8PcLuOAc показали значительно более эффективное фототоксическое действие – IC50 составила 0.22 мкМ. Мицеллы с комплексом Cl16PcLuOAc показали еще более эффективное фототоксическое действие (IC50 = 0.11 мкМ).
- Добавил в систему: Дубинина Татьяна Валентиновна
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 14 августа 2023 г.-30 июня 2024 г. | Гетероаннелированные аналоги порфиразинов для терапии и диагностики онкологических заболеваний |
| Результаты этапа: В рамках первого этапа выполнения Проекта получена серия неописанных ранее тетра и трипиррольных фотосенсибилизаторов, содержащих гетероциклические фрагменты: пиразин, карбазол, пиридо[1,2-a]бензимидазол. Наиболее интенсивной флуоресценцией обладают пиразин-аннелированые субпорфиразины бора (f ~ 0.30), которые ввиду отсутствия цитотоксичности по данным in vitro исследований, могут рассматриваться как потенциальные флуорофоры для флуоресцентной диагностики. Наиболее высокие значения выходов генерации синглетного кислорода продемонстрировали карбазол- и пиридо[1,2-a]бензимидазол-анелированные порфиразины, вплоть до = 0.60. Кроме того данные соединения обладают максимумами поглощения (Q полоса расположена в диапазоне 700-750нм) целиком находящимися в области окна прозрачности биологических тканей, что важно для повышения эффективности работы фотосенсибилизатора в фотодинамической терапии. Показана возможность генерации пиридо[1,2-a]бензимидазол-анелированными порфиразины не только синглетного кислорода, но и супероксид анион-радикала. С этой целью использована реакция взаимодействия супероксид анион-радикала с красителя нитро синего тетразолия. Обнаружена конкуренция фотопроцессов I и II типов. Проведена эффективная солюбилизация гидрофобных карбазол-аннелированных комплексов с привлечением метода внедрения в микроэмульсии Cremophor EL. Наибольшая эффективность солюбилизации и мономеризации наблюдалась для N-2-этилгексил-замещенного карбазол-аннелированного порфиразина, что связано с присутствием в его структуре длинных алкильных фрагментов, повышающих сродство соединения к масляной фазе. Продемонстрировано накопление пиридо[1,2-a]бензимидазол-аннелированных порфиразинов в клеточной линии HCT116 (рак толстой кишки). Обнаружен быстрый фотоиндуцированный некроз клеток НСТ116 вследствие фотовозбуждения 633 нм лазером конфокального микроскопа с последующим детектированием проникновения пропидия иодида в клетки. Для кватернизованных комплексов пиридо[1,2-a]бензимидазол-аннелированных порфиразинов при низкой темновой цитотоксичности обнаружены высокие значения фотоцитотоксичности вплоть до IC50=180 нM. Полученные характеристики лучше, чем у хлорина e6, активного компонента широко используемых препаратов для ФДТ. Полученные результаты доложены на конференциях Ломоносов 2024 (Москва, 12-26 апреля 2024) и «Актуальные проблемы органической химии» (15–21 марта 2024, «Шерегеш»). Приняты к печати 2 статьи в журналах Journal of Photochemistry & Photobiology, A: Chemistry (IF=4.3, Q2) и Biochemistry (Moscow), Supplement Series B: Biomedical Chemistry. Опубликовано 2 статьи: Journal of Photochemistry & Photobiology, A: Chemistry 454 (2024) 115745. DOI: 10.1016/j.jphotochem.2024.115745 и Материалы XII Международного конгресса «Фотодинамическая терапия и фотодиагностика», 2023 г., Москва. Biomedical Photonics. 2023;12(4s): с.32-33. | ||
| 2 | 1 июля 2024 г.-30 июня 2025 г. | Гетероаннелированные аналоги порфиразинов для терапии и диагностики онкологических заболеваний |
| Результаты этапа: (1) В рамках второго этапа выполнения Проекта разработан эффективный четырехстадийный подход к синтезу 3-трет-бутил-7,8-дицианопиридо[1,2-a]бензимидазола исходя из имид 4-бром-5-нитрофталиевой кислоты. Проведена успешная оптимизация условий последней стадии внутримолекулярной восстановительной циклизации. Получены с высокими выходами (~80%) 6-галоген-замещенные (бром и иод) дицианокарбазолы путем электрофильного замещения в дицианокарбазоле. Все полученные ароматические нитрилы охарактеризованы методами ЯМР, ИК спектроскопии и масс-спектрометрии. Исследования проводились руководителем Проекта – Дубининой Т.В. и исполнителями Проекта Белоусовым М.С., Косовым А.Д. и Горбуновой Е.А. (2) На основе 3-трет-бутил-7,8-дицианопиридо[1,2-a]бензимидазола получены неописанные ранее пиридо[1,2-а]бензимидазол-аннелированные порфиразины цинка и алюминия. Обнаружено, что использование стандартных условий, дававших хорошие результаты для цинкового комплекса (кипящий изоамиловый спирт (tкип.= 130°C) и 1,8-диазабицикло(5.4.0)ундец-7-ен (ДБУ) в качестве основания) не привело к желаемым результатам. В связи с этим подобраны условия для воспроизводимого формирования алюминиевого комплекса: апротонный растворитель (ТХБ) в сочетании со слабонуклеофильным основанием (ДБУ). (3)Синтезированы неописанные ранее карбазол-аннелированные порфиразины цинка и субпорфиразины бора, в том числе, содержащие в качестве заместителей «тяжелые» атомы галогенов для увеличения выходов генерации синглетного кислорода. Кроме того впервые получен биядерный субфталоцианин бора, содержащий трет-бутильные группы по периферии макрокольца и жесткий карбазольный линкер. Чистота и строение полученных соединений подтверждены различными физико-химическими методами анализа, включая ЯМР спектроскопию (на ядрах 1Н, 13С и в случае субпорфиразинов – 11В), двумерную ЯМР спектроскопию, масс-спектрометрию высокого разрешения (в положительных и отрицательных ионах), ИК спектроскопию (нарушенного полного внутреннего отражения на поверхности алмаза). Для спектров 11В характерно наличие сигнала при -14 -15 м.д., что отвечает ближайшему координационному окружению из трех атомов азота для центрального иона В3+. ИК спектры регистрировались с целью показать наличие СООН групп у соответствующих карбазолоцианинов и аксиальных атомов хлора. К примеру, связь B-Cl характеризуется наличием колебаний в диапазоне 717-834 см-1. Исследования проводились руководителем Проекта – Дубининой Т.В. и исполнителями Проекта Белоусовым М.С., Косовым А.Д. и Агранат А.А. (4)Методом импульсного флеш-фотолиза показана возможность образования новых триплетных состояний и соответственно возможность генерации синглетного кислорода синтезированными соединениями. Выход генерации синглетного кислорода рассчитан с использованием люминесценции синглетного кислорода в ближней ИК области. Выявлены следующие закономерности. Вычислены константы тушения кислорода kq = 6×108 М-1 для всех соединений, что близко к значению константы скорости диффузии в данном растворителе с учетом спин-статистического фактора 1/9. Для карбазолоцианинов цинка и карбазол-аннелированных субпорфиразинов бора: при введении атомов-галогенов в положение 6 карбазольного гетероцикла наблюдается увеличение выхода генерации синглетного кислорода в ряду заместителей: H<Br<I Увеличение выхода генерации синглетного кислорода достигается при переходе от центрального иона цинка к алюминию. Кроме того выходы генерации синглетного кислорода немного возрастают при переходе от карбазол-аннелированных субпорфиразинов бора (максимальное значение =0.42) к карбазол-аннелированным порфиразинам цинка (максимальное значение =0.53). Это обусловлено увеличением скорости интеркомбинационной конверсии из возбужденного синглетного в триплетное состояние, сопровождающимся увеличением заселенности триплетного состояния, что облегчает формирование синглетного кислорода. Таким образом, наибольшие значения демонстрируют галоген-замещенные карбазол-аннелированные порфиразины цинка и тетранатриевая соль карбазол-аннелированного порфиразина цинка с карбоксильными группами. И именно эти соединения были исследованы на предмет проявления фотодинамического эффекта in vitro. Время жизни флуоресценции для полученных гетероаннелированных порфиразинов составляет ~ 2.6 нс. Слабую флуоресценцию и малое время жизни флуоресценции можно объяснить расширенной ароматической π-системой молекул (по сравнению с незамещенным фталоцианином цинка ZnPc), а также наличием объемных заместителей, способствующих увеличению колебательной релаксации. Показано, что наиболее яркими флуорофорами являются карбазол-аннелированные субпорфиразины бора (субкарбазолоцианины) (вплоть до Φfl = 0.24). Данное значение превышает полученное для выбранного в качестве стандарта фталоцианина цинка. Как и в случае карбазол-аннелированных порфиразинов цинка, наблюдается снижение выходов флуоресценции при переходе к галоген-замещенным аналогам (sCbzB > BrSCbzBCl > ISCbzBCl). С привлечением метода термолинзовой спектроскопии для пиразин-аннелированных субпорфиразинов бора показана возможность безызлучательной релаксации с выделением тепла. Это перспективно для фототермической терапии онкологических заболеваний. Важно отметить, что проявленный эффект более выражен, чем в случае арил-замещенных фталоцианиновых комплексов. Исследования проводились исполнителями Проекта Еремеевым Р.О., Бурцевым И.Д., Горбуновой Е.А. и Агранат А.С. (5) С использованием реакции восстановления NBT супероксид анион-радикалом (O2•–), который генерируется фотосенсибилизатором под действием света, показано, что трет-бутил-замещенный пиридо[1,2-a]бензимидазол-аннелированный порфиразин более склонен к генерации супероксид анион-радикалов, чем использовавшийся в качестве стандарта фталоцианин цинка. Введение «тяжелых» атомов галогенов способствует снижению склонности к генерации O2•–. Это может быть объяснено конкуренцией фотопроцессов первого и второго типа, в результате которых формируется O2•– и синглетный кислород соответственно. Исследования проводились исполнителями Проекта Горбуновой Е.А., Белоусовым М.С. и Агранат А.С. (6) Карбазол-аннелированные субпорфиразины цинка (незамещенные по периферии макрокольца и галоген-замещенные) солюбилизированы с использованием двух методов: внедрения в мицеллы на основе блок-сополимера (1) и включения в микроэмульсии (2). С помощью спектроскопии поглощения и флуоресцентной спектроскопии показано, что наилучшей мономеризации (50%) удается достичь при использовании блок-сополимера поликапролактон105 полиэтиленгликоль90 (пКЛ105 - пЭО90) (1-метод введения в мицеллы). В случае микроэмульсий удалось достичь наибольшей степени мономеризации с использованием микроэмульсий Crempohor EL/касторовое масло с SOR = 0.9. Исследования проводились руководителем Проекта – Дубининой Т.В. и исполнителями Проекта Горбуновой Е.А. и Белоусовым М.С. (7) Наиболее перспективным оказалась формуляция с использованием микроэмульсий Crempohor EL/касторовое масло с SOR = 0.9 и использованием в качестве фотосенсибилизаторов карбазол-аннелированного порфиразина цинка и его бром-замещенного производного. Обнаружено, что микроэмульсии проявляют высокие субмикромолярные значения фотоцитотоксичности на линии клеток HCT116 (вплоть до IC50=0.33±0.03µM). Значения темновой цитотоксичности оказались на порядок ниже, чем для микроэмульсий на основе кватернизованных пиридо[1,2-a]бензимидазол аннелированных порфиразинов цинка (получены на первом этапе выполнения Проекта). Исследования проводились руководителем исполнителями Проекта Дубининой Т.В. и исполнителями Агранат А.С. и Антонец А.А. (8) Результаты, полученные в рамках выполнения Проекта, опубликованы в виде трёх статей в журнале Макрогетероциклы (Macroheterocycles 2024 17(3) 205-212, DOI: 10.6060/mhc245880d), Journal of Porphyrins and Phthalocyanines (DOI: 10.1142/S1088424625500531) и Dyes and Pigments (Dyes and Pigments, Volume 241, 2025, 112868, DOI:10.1016/j.dyepig.2025.112868). Данные проведенного перед экспериментальными исследованиями обзора литературы опубликованы в статье в журнале New Journal of Chemistry (New Journal of Chemistry, 2024, 48, 19723, DOI: 10.1039/D4NJ04430D). Кроме того результаты опубликованы в виде тезисов докладов XXVIII Всероссийская конференции молодых ученых-химиков (с международным участием), 15-17 апреля 2025 года, г. Нижний Новгород и Ломоносов 2025, 11 - 25 апреля 2025 года, Москва, Междисциплинарной всероссийской молодежной научной школе-конференция с международным участием «Молекулярный дизайн биологически активных веществ: биохимические и медицинские аспекты», Казань, 16-20 сентября 2024, XXII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии. 7-12 октября 2024 г, Федеральная территория "Сириус" и International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024”, St Petersburg, Russia, September 2-6, 2024. | ||
| 3 | 1 июля 2025 г.-30 июня 2026 г. | Гетероаннелированные аналоги порфиразинов для терапии и диагностики онкологических заболеваний |
| Результаты этапа: | ||
Прикрепленные к НИР результаты
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".