Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема борьбы со злокачественными новообразованиями остается одной из приоритетных для современного общества. Согласно официальным данным ежегодно в России каждый час злокачественные опухоли поражают 57 человек. В связи с этим разработка новых подходов к лечению онкологических заболеваний чрезвычайно актуальна.
Основными методами лечения в онкологии являются хирургическое вмешательство, лучевая терапия и химиотерапия. Однако в последнее десятилетие все большее распространение получают новые методы, среди которых следует отметить фотодинамическую терапию (ФДТ) и борнейтронозахватную терапию (БНЗТ) рака, которые являются примерами бинарной терапии, когда два раздельно введенных нетоксичных агента (фотосенсибилизатор или соединение бора, с одной стороны, и лазерное излучение или поток тепловых нейтронов, с другой стороны) при встрече в клетке-мишени генерируют цитотоксические вещества, приводящие к разрушению жизненно важных структур раковых клеток и их гибели.
В настоящее время применяются в клинике или находятся на разных стадиях клинических испытаний фотосенсибилизаторы (ФС) различных классов (порфирины и их металлокомплексы, хлорины, бензопорфирины, фталоцианины и др.). Среди них особый интерес представляют природные хлорофиллы и их производные с интенсивным поглощением в красной и ближней ИК-области спектра, поскольку их терапевтическое окно поглощения (660 - 800 нм) открывает новые возможности для диагностики и лечения злокачественных новообразований. Свет с подобной длиной волны проникает в ткань на глубину до 20 мм, что позволяет проводить лечение глубокозалегающих и пигментированных опухолей.
Выбор природных пигментов для создания новых ФС обусловлен рядом причин, включая их распространенность в природе, интенсивное поглощение в длинноволновой области спектра, возможность химической модификации боковых заместителей, структурную близость к эндогенным порфиринам, что предполагает низкий уровень токсичности подобных соединений и быстрое выведение из организма.
Однако сами хлорины и бактериохлорины имеют ограниченное применение в качестве ФС из-за высокой гидрофобности, низкой химической и фотостабильности, умеренной селективности накопления в раковых клетках. Это диктует необходимость создания устойчивых производных хлоринов и бактериохлоринов с улучшенными спектральными характеристиками, повышенной гидрофильностью для растворимости в полярных растворителях и воде, обладающих значительной тропностью к опухолям.
Представленная работа посвящена решению этих задач и является дальнейшим развитием основополагающих научных исследований, проведенных ранее в МИТХТ им. М.В. Ломоносова на кафедре химии и технологии тонких органических соединений в области химии порфиринов и родственных соединений, и выполнена по теме фундаментальных научных исследований № 1Б-4-355 «Разработка химических и биотехнологических методов модификации биологически активных соединений с целью моделирования жизненно важных процессов в природе».
Работа выполнялась при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты РФФИ № 04-03-33064, 06-03-32459, 07-03-00452, 09-03-00701, 09-03-12203-офи-м), аналитической ведомственной целевой программы (проект 2.1.1/2889) «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы) и гранта INTAS № 01-0461.
Целью работы является разработка методов направленной химической модификации хлорофилла а (Хл а) и бактериохлорофилла а (Бхл а) с целью улучшения их фотофизических характеристик, синтеза конъюгатов с другими классами соединений и получения ФС с интенсивным поглощением в ближнем ИК-диапазоне для бинарных методов терапии в онкологии.
Поставленная проблема имеет комплексный характер, что потребовало решения следующих экспериментальных задач:
-
Разработка способов получения производных Хл а и Бхл а с дополнительными кислород- и азотсодержащими шестичленными циклами.
-
Направленная модификация заместителей в пиррольных кольцах A и С природных хлорофиллов.
-
Разработка методов синтеза амфифильных ФС на основе природных хлоринов и бактериохлоринов, включая положительно заряженные, а также нейтральные гидрофильные производные.
-
Создание конъюгатов хлоринов и бактериохлоринов с полиэдрическими соединениями бора для эффективной доставки атомов бора в опухоль с целью использования в БНЗТ и комбинированной (БНЗТ-ФДТ) рака.
-
Разработка способов синтеза конъюгатов природных хлоринов с углеводами для рецептор-опосредованного эндоцитоза ФС в опухоль.
-
Проведение необходимых фотофизических и биологических испытаний и выбор наиболее перспективных ФС для ФДТ и БНЗТ рака.
Научная новизна. Разработана новая стратегия функционализации природных хлоринов, позволяющая получать высокореакционноспособные производные Хл а и Бхл а для их последующей химической модификации.
Осуществлен синтез новых N-аминоциклоимидов в ряду Хл а. Впервые получены N-гидрокси- и N-аминоциклоимиды в ряду Бхл а и показана возможность их дальнейшей модификации.
Предложены новые методы химической модификации пиррола А в бактериохлориновом макроцикле, позволяющие получать амфифильные производные с гидроксилсодержащими заместителями, а также показана перспективность этих соединений в качестве эффективных ФС для ФДТ рака.
Впервые получены катионные ФС в ряду Бхл а и показана их антимикробная фотодинамическая активность.
Разработаны методы синтеза конъюгатов природных хлоринов с молекулами других классов, базирующиеся на современных реакциях органической химии, включая “click chemistry” (Cu-катализируемое 1,3-диполярное циклоприсоединение терминальных алкинов с азидами), палладий-катализируемые реакции (реакция Соногаширы), реакции кросс-сочетания (метатезис олефинов) и др.
Впервые получены борсодержащие конъюгаты и гликоконъюгаты в ряду Бхл а.
Практическая значимость. Разработаны универсальные подходы к созданию новых высокоэффективных фотосенсибилизаторов на основе природных пигментов.
Предложен новый способ получения гидразидов в ряду Бхл а, обладающих высокой фотодинамической активностью.
Проведен биологический скрининг различных производных в ряду Хл а и Бхл а и отобраны наиболее перспективные соединения для проведения предклинических испытаний на экспериментальных животных с глубокозалегающими и пигментированными опухолями, трудно поддающимися лечению с использованием ныне существующих ФС.
Разработан новый высокоэффективный инфракрасный ФС на основе N-алкоксибактериопурпуринимида для ФДТ меланомы и создана его наноструктурированная инъекционная форма.
Получены водорастворимые производные хлоринов и бактериохлоринов, которые используются в практической работе биологов, связанной с изучением направленного внутриклеточного транспорта фотосенсибилизаторов.
Разработан эффективный способ доставки борных полиэдров в опухоль путем связывания с хлоринами и бактериохлоринами. Высокое накопление борсодержащих конъюгатов как в раковых клетках, так и в опухолях у экспериментальных животных делает этот способ перспективным для БНЗТ рака.
Получен модификационный ряд гликоконъюгатов на основе природных хлоринов и показана перспективность использования некоторых из них в ФДТ рака.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Методы синтеза и свойства циклических имидов и их производных в ряду
хлоринов и бактериохлоринов.
-
Способ получения амфифильных бактериохлоринов с гидроксилсодержащими
заместителями в пирроле А.
3. Синтез катионных ФС в ряду бактериохлорофилла а и их эффективность в антимикробной ФДТ.
4. Методы получения биоконъюгатов на основе природных хлоринов.
5. Синтез конъюгатов хлоринов и бактериохлоринов с борными кластерами для БНЗТ
рака.
6. Методы синтеза гликоконъюгатов на основе природных хлоринов.
Личный вклад автора. Автору принадлежит решающая роль на всех этапах исследования – от постановки задачи, планирования и проведения ключевых экспериментов до обсуждения и литературного оформления полученных результатов.
Апробация работы. Результаты работы были представлены и обсуждены на:
VIII Международной конференции «Spectroscopy and chemistry of porphyrins and their analogs» (Минск, Беларусь, 1998), III Международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования» (Пущино, 1999), Школе-конференции «Горизонты физико-химической биологии». (Пущино, 2000), III и IV Съездах фотобиологов России (Воронеж, 2001; Саратов, 2005), III Съезде биохимического общества (Санкт-Петербург, 2002), VIII Международной научной конференции «High-tech in Chemical Engineering 2002» (Уфа, 2002), IX Международной конференции по химии порфиринов и их аналогов (Суздаль, 2003), Международных конференциях по порфиринам и фталоцианинам (ICPP-3, США, 2004; ICPP-4, Италия, 2006; ICPP-5, Россия, 2008), XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва, 2007), Седьмой школе-конференции молодых ученых стран СНГ по химии порфиринов и родственных соединений (Одесса, 2007), ежегодных научно-практических конференциях «Отечественные противоопухолевые препараты» (2007-2010), 13-ом Международном конгрессе по нейтронозахватной терапии (Флоренция, Италия, 2008), Десятой международной конференции по физической и координационной химии порфиринов и их аналогов (Иваново, 2009), VIII Школе-конференции молодых ученых стран СНГ по химии порфиринов и родственных соединений (Гагры, Абхазия, 2009).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в монографии [23], 2-х обзорах [19, 20], 1 патенте, 24 статьях в отечественных и зарубежных журналах, более чем в 20-ти тезисах докладов на российских и международных конференциях.
Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов и списка литературы.
Работа изложена на_______стр., содержит______рисунков,______схем, ________таблиц.
