Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время амфифильные соединения применяются во многих областях технологии, включая биомедицину, катализ, нефтедобывающую, лакокрасочную, текстильную промышленность, производство моющих средств и т.д. Вместе с тем, с развитием наукоемких технологий и ужесточением экологических критериев возрастают требования к применяемым синтетическим соединениям, в том числе к поверхностно-активным веществам (ПАВ), что стимулирует поиск новых амфифильных соединений. Одним из основных вопросов при исследовании новых амфифилов является установление корреляции между химической структурой и свойствами агрегатов на их основе. Это позволит контролировать и прогнозировать функциональную активность ПАВ и осуществить направленный дизайн супрамолекулярных систем. Благодаря своей способности к формированию агрегатов различного типа, амфифильные соединения прочно заняли нишу в разработке высокоэффективных биотехнологий, направленных на доставку лекарственных средств. Одной из проблем, решение которой позволит сделать новый качественный скачок в медицине и фармакологии, является конструирование так называемых невирусных векторов, т. е. синтетических переносчиков генетического материала. Создание подобных препаратов позволит повысить эффективность терапевтических методов лечения, в частности, значительно понизит минимальные действующие концентрации и токсичность препаратов. В соответствии с критерием биосовместимости, при разработке невирусных векторов находят широкое применение амфифилы с природным фрагментом в структуре, которые позволяют моделировать и воспроизводить спектр межмолекулярных взаимодействий, реализующийся в биосистемах. Вышеописанное обусловливает актуальность представляемой работы и ее научный потенциал.
Работа выполнена на кафедре органической химии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет». Работа проведена при финансовой поддержке программ ОХНМ РАН № 3 «Создание и изучение макромолекул и макромолекулярных структур новых поколений», № 6 «Химия и физикохимия супрамолекулярных систем и атомных кластеров»; гранта Президента Российской Федерации по государственной поддержке ведущих научных школ за 2012 год «Создание двух- и трехмерных полифункциональных супрамолекулярных систем с контролируемым связыванием «гостей», государственного контракта «Дизайн стабильных нанодисперсных систем на основе амфифильных и макроциклических соединений, обладающих каталитической, люминесцентной и антимикробной активностью» (№14.740.11.0384); грантов РФФИ «Синтез и свойства криптандоподобных и наноразмерных пиримидинофанов» (№ 10-03-00365), Полимер-коллоидные комплексы как основа для создания невирусных векторов: влияние структуры компонентов (№12-03-31292), грантов Президента России МК-2332.2009.3 и МК-6711-2012-3.
Цель работы состоит в создании супрамолекулярных систем с контролируемыми свойствами на основе амфифильных соединений, содержащих в структуре природный фрагмент (пиримидиновый или изостевиольный), обладающих полифункциональной активностью: способностью к солюбилизации гидрофобных гостей, комплексообразованию с нуклеиновыми кислотами, каталитическим эффектом.
Научная новизна работы:
1. Определены характеристики агрегатов: критическая концентрация мицеллообразования (ККМ), гидродинамический диаметр, дзета-потенциал, степень связывания противоионов новых амфифильных соединений с природным фрагментом в структуре (пиримидиновый или изостевиольный). Установлено влияние таких структурных факторов, как протяженность и жесткость спейсера, локализация мостикового фрагмента, природа противоиона, наличие циклических фрагментов на способность к самоассоциации в водных растворах.
2. Сформированы новые супрамолекулярные системы на основе амфифильных пиримидинофанов, морфология и стабильность которых могут обратимо контролироваться концентрацией и рН раствора.
3. Впервые проведена оценка взаимодействия новых пиримидинсодержащих и дитерпеноидных ПАВ с олигонуклеотидом и вклада различных межмолекулярных сил в процесс комплексообразования. Выявлены потенциальные кандидаты на роль невирусных векторов, способные формировать компактные агрегаты при низких соотношениях ПАВ-олигонуклеотид.
Методы исследования. В рамках данной работы применяли современный комплекс физико-химических методов исследования, в который входили кондуктометрия, тензиометрия, рН-метрия, потенциометрия с использованием Br-селективного электрода, динамическое и электрофоретическое рассеяние света, флуориметрия, ЯМР 1Н-спектроскопия, турбидиметрия, спектрофотометрия.
Практическая значимость. Выявление закономерностей в изменении агрегирующей способности и функциональной активности ПАВ с природным фрагментом в структуре позволяет направленно создавать эффективные биомиметические системы с определенным набором свойств. Это имеет существенное значение при создании наноконтейнеров для адресной доставки лекарственных препаратов. В рамках проведенного исследования разработаны системы с контролируемой агрегационной активностью и морфологией, способные к обратимому связыванию не растворимых в воде соединений, комплексообразованию с декамером ДНК, интегрированию с липидным бислоем. Подобные соединения являются перспективными строительными блоками для решения биотехнологических задач.
На защиту выносится:
1. Определение агрегирующей способности пиримидинсодержащих или изостевиолсодержащих амфифилов при систематическом варьировании их молекулярной структуры (протяженность и жесткость спейсерного фрагмента, локализация мостикового фрагмента, природа противоиона, наличие макроциклической платформы).
2. Количественная характеристика комплексообразующей способности этих амфифилов с олигонуклеотидом. Выявление структурных факторов, отвечающих за эффективность комплексообразования; установление механизмов связывания компонентов на молекулярном уровне.
3. Доказательство структурных переходов мицелла-везикула-мицелла в водном растворе дитерпеноидного ПАВ с бромид-противоионом. Использование его в качестве вспомогательного ПАВ для создания смешанных липосом на основе дипальмитоилфосфатидилхолина, имеющих катионный поверхностный заряд и обладающих улучшенными солюбилизационными свойствами.
4. Создание рН- и концентрационно контролируемых систем на основе пиримидинсодержащих амфифилов, способных к обратимым морфологическим перестройкам и связыванию/высвобождению гидрофобных субстратов.
Апробация работы. На основе результатов, представленных в диссертационной работе, сделаны доклады на I Всероссийском симпозиуме по поверхностно-активным веществам «От коллоидных систем к нанохимии» (Казань, 2011); Всероссийской молодежной конференции «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (Казань, 2011); XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011); Седьмой Санкт-Петербургской конференции молодых ученых «Современные проблемы науки о полимерах» (Санкт-Петербург, 2011); Всероссийской молодежной научной школе «Биоматериалы и нанобиоматериалы: Актуальные проблемы и вопросы» (Казань, 2012); Школe-конференции для молодых ученых «Макромолекулярные нанообъекты и полимерные нанокомпозиты» (Московская область, пансионат «Союз», 2012); Всероссийской молодежной конференции «Химия поверхности и нанотехнология» (Казань, 2012).
Публикации. Результаты диссертационного исследования опубликованы в 6 статьях в журналах, входящих в перечень, рекомендуемый ВАК РФ, и 11 тезисах докладов.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы (227 литературных ссылок на публикации отечественных и зарубежных авторов). Общий объем диссертации составляет 189 страниц, включая 14 таблиц, 121 рисунок и 10 схем.
Личный вклад автора. Приведенные в диссертационной работе результаты получены лично автором или при его непосредственном участии. Автор выражает глубокую признательность руководителю диссертационной работы д.х.н. Захаровой Л.Я. за неоценимую помощь в инициировании и развитии диссертационной работы, н.с. Воронину М.А. и н.с. Валеевой Ф.Г. (лаборатория высокоорганизованных сред) за помощь в проведении экспериментов и обсуждении экспериментальных данных; с.н.с. Семенову В.Э., н.с. Николаеву А.Е., с.н.с. Михайлову А.С., м.н.с. Гиниятуллину Р.Х. (лаборатория химии нуклеотидных оснований, зав. лаб. – д.х.н. профессор Резник В.С.) за предоставление пиримидинсодержащих ПАВ; в.н.с. Катаеву В.Е., с.н.с. Стробыкиной И.Ю., н.с. Хайбуллину Р.Н. (лаборатория фосфорсодержащих аналогов природных соединений, зав. лаб. – д.х.н. член-корр. РАН Миронов В.Ф.) за предоставление изостевиолсодержащих ПАВ; с.н.с. Харламову С.В., с.н.с. Сякаеву В.В. (лаборатория радиоспектроскопии, зав. лаб. – д.х.н. Латыпов Ш.К.) за оказание помощи в проведении экспериментов по ЯМР 1Н-спектроскопии; д.х.н. профессору Зуеву Ю.Ф., н.с. Файзуллину Д.А., н.с. Идиятуллину Б.З. за помощь в проведении исследований взаимодействия ПАВ с липосомами и олигонуклеотидом (лаборатория биофизической химии наносистем).
