«Природные хлорины, обладающие фотоиндуцированной антибактериальной, противоопухолевой активностью и диагностическим потенциалом» Брусов Сергей Сергеевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Известные структуры молекул природных хлорофиллов, включая хлорофилл а и бактериохлорофилл а, открывают широкие возможности для их направленной модификации с целью получения высокостабильных производных с улучшенными фотофизическими характеристиками, повышенной гидрофильностью, а также для создания конъюгатов с другими молекулами. Введение на периферию хлоринового макроцикла гетероциклических фрагментов, в том числе производных пиридина, азамакрогетероциклов, а также аминоалкильных групп и катионов переходных металлов во внутренние сферы субъединиц, позволяет реализовывать направленный синтез фармакологически активных соединений для различных биомедицинских применений. Одним из них является борьба с инфекционными заболеваниями, связанная с возрастающей резистентностью штаммов патогенных бактерий к антибиотикам широкого спектра действия, а также образование бактериальных биопленок, практически не поддающихся терапии с помощью антибиотиков. Новым способом воздействия на микробные патогены является фотодинамическая инактивация с помощью синглетного кислорода, генерируемого при облучении ФС. Наиболее устойчивыми к ФДТ являются грамотрицательные бактерии, что связано с низкой проницаемостью их внешней мембраны для красителей. Отрицательный заряд внешней поверхности бактериальных клеток определяет активное связывание с ними и, соответственно, выраженную антибактериальную активность катионных красителей. Оптимизация структуры хлориновых систем с одним или несколькими положительными зарядами, поглощающих свет в области 700-800 нм, позволяет повысить эффективность фотодинамической терапии локальных очагов инфекции за счет увеличения доли светового излучения, которое возбуждает находящиеся в тканях молекулы фотосенсибилизатора. Другим прикладным аспектом химии порфиринов и их гидрированных аналогов является разработка комплексонов различных металлов а основе природных хлоринов с азамакроциклами, в том числе цикленом, для создания контрастных агентов, позволяющих исследовать биологические ткани на различных глубинах и с высокой степенью разрешения, что существенно повышает эффективность ранней диагностики рака. Очевидно, что разработка универсальной платформы на основе природных хлоринов с азотсодержащими фрагментами позволит получать на ее основе инновационные препараты различного спектра действия.

Цель работы заключается разработке реализации направленного синтеза

модифицированных природных хлоринов, содержащих азотсодержащие заместители различной природы на периферии макроцикла, и создании на их основе моно- и

поликатионных субстанций, а также металлокомплексов для изучения

антибактериальных и диагностических свойств. Достижение поставленной цели требует решения ряда задач:

Получение производных хлоринов и бактериохлоринов с остатком никотиновой кислоты для создания на их основе катионных фотосенсибилизаторов, обладающих высокой антибактериальной активностью против биопленок.

Разработка состава готовой лекарственной формы (ГЛФ), содержащей в качестве активной субстанции 13³-N-(N-метилникотиноил) бактериопурпуринимид.

Оценка специфической антибактериальной активности ГЛФ катионного бактериопурпуринимида в отношении патогенных грамположительных бактерий Staphylococcus aureus и грамотрицательных бактерий Pseudomonas aeruginosa как на планктонных культурах и биопленках in vitro, так и на модели раневой инфекции in vivo.

Синтез катионного ФС на основе аминоалкиламида хлорина е₆ и изучение влияния положительного заряда на антимикробную и противоопухолевую активности.

Разработка универсального подхода к синтезу конъюгатов хлоринов и бактериохлоринов с модифицированным цикленом.

Оценка специфической антибактериальной активности природных хлоринов с поликатионным доменом на основе циклена.

Разработка методов синтеза комплексов циклен-хлориновых и бактериохлориновых конъюгатов с переходными металлами и изучение их физико-химических и фотофизических свойств спектральными методами, а также определение релаксивности Gd-комплекса с помощью магнитно-резонансной томографии. Научная новизна.

1. Впервые получены ИК-катионные фотосенсибилизаторы в хлориновом и бактериохлориновом рядах, у которых повышение эффективности фотоиндуцированной инактивации патогенов в локальных очагах инфекции достигается за счет увеличения глубины проникновения света в ткани при 700-800 нм.

2. Разработана ГЛФ для N-метилпиридиниевого производного бактериопурпуринимида, содержащая в качестве вспомогательных веществ гидроксипропил--циклодекстрин (ГПЦД) и Твин -80, которые обеспечивают растворимость в воде и разрешены Фармакопеей.

3. Обнаружена возможность прямого нуклеофильного раскрытия пентанонового экзоцикла в феофорбиде и бактериофеофорбиде цикленом для получения модификационного ряда циклен-содержащих хлоринов и бактериохлоринов с различными заместителями в тетраазомакроцикле.

4. Получены моно- и поликатионные производные хлоринов и бактериохлоринов, содержащие алифитический и гетероциклические катионные домены, и дана оценка их фотоиндуцированной антимикробной активности.

5. Впервые получены комплексы с переходными металлами хлорин/бактериохлорин-цикленовых конъюгатов в качестве потенциальных тераностиков, сочетающих терапевтическую эффективность с возможностью неинвазивной диагностики в онкологии.

Практическая значимость. Разработаны фотоактивные субстанции катионных фотосенсибилизаторов на основе пурпурин- и бактериопурпуринимидов, которые будут использованы в фотодинамической терапии локальных очагов инфекции. Поглощение полученных пигментов в области 700-830 нм, где «прозрачность» тканей значительно выше и свет проникает на глубину до 2 см, позволит лечить очаги инфекции с глубокой инфильтрацией в дерму (трофические язвы, «диабетическая стопа»). На основании проведенных исследований разработан и запатентован катионный пурпуринимид, обладающий антибактериальной активностью, и его применение для фотодинамической инактивации бактериальных биопленок (Патент РФ № 2565450, 2015 г.), а также способ фотодинамической терапии локальных очагов инфекций с использованием катионного бактериопурпуринимида (Патент РФ № 2610566, 2017 г.). В настоящей работе получены производные природных хлоринов с цикленом в качестве возможных прекурсоров для введения в координационные сферы макроциклов атомов металлов для реализации различных видов диагностики, включая флуоресцентную диагностику (ФД) и магнитно-резонансную томографию (МРТ).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 3 статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК, 12 тезисов докладов (из них 6 представлены на международных конференциях), получены 2 патента РФ. Апробация работы. Результаты работы были представлены и обсуждены на: XV Международной научной конференции «High-Tech in Chemical Engineering» (Звенигород, 2014); 16-ой международной конференции «Laser Optics 2014» and 3-ем международном симпозиуме «Lasers in Medicine» (Санкт-Петербург, 2014); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Отечественные противоопухолевые препараты» (Москва, 2015); 4-ом Европейском

конгрессе по микробным биопленкам «Basic and Clinical Aspects» (Брно, Чехия, 2015); XII Международной конференции «Синтез и применение порфиринов и их аналогов» (ICPC-12) (Москва, 2016); XVI Международной научной конференции с элементами Школы молодых ученых (Москва, 2016); Юбилейных научных чтениях, посвященных 120-летию со дня рождения проф. Н.А. Преображенского (Москва, 2016); XX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Екатеринбург, 2016); Научной конференции «Фундаментальные химические исследования XXI-го века» (Москва, 2016); VII Молодёжной конференции ИОХ РАН (Москва, 2017); 16th International Photodynamic Association World Congress IPA (Coimbra, Portugal 2017); VI Всероссийской конференции с международным участием «Фотодинамическая терапия и фотодиагностика» (Ростов-на-Дону, 2017); 3-ей Российской конференции по медицинской химии (Казань, 2017). Личный вклад автора. Диссертантом выполнен весь объем синтетической части работы, проведены физико-химические и спектральные исследования, проанализирован массив данных, полученных в ходе биологических испытаний, сформулированы общие положения, выносимые на защиту, и выводы.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов, списка цитируемой литературы, включающего 73 источника. Работа изложена на 122 страницах печатного текста, содержит 44 рисунка, 28 схем и 6 таблиц.