Фотосенсибилизаторы для комбинированной терапии в онкологии на основе природных хлоринов и антрациклиновых антибиотиков

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-73-01276

НазваниеФотосенсибилизаторы для комбинированной терапии в онкологии на основе природных хлоринов и антрациклиновых антибиотиков

Руководитель Островерхов Петр Васильевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "МИРЭА - Российский технологический университет" , г Москва

Конкурс №84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-103 - Синтез, строение и свойства природных и физиологически активных веществ; медицинская химия и прогнозирование различных видов биоактивности

Ключевые слова фотосенсибилизаторы, липиды, мембраны, фотодинамическая терапия, химиотерапия, хлорин, антрациклиновые антибиотики, монослои Ленгмюра, атомно-силовая микроскопия, время-разрешенная спектроскопия, синглетный кислород

Код ГРНТИ31.23.41

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проблема низкой эффективности противоопухолевой терапии является актуальной на сегодняшний день. Химиотерапия при этом является одним из наиболее применимых методов лечения онкологических заболеваний. Побочное токсическое действие химиотерапевтических препаратов на здоровые клетки и приобретаемая опухолевыми клетками устойчивость к химиотерапевтическим препаратам являются главными недостатком и ограничением для применения химиотерапии. Для решения вышеописанных проблем можно использовать подход, основанный на комбинировании фотодинамической терапии (ФДТ) и химиотерапии. Известно, что при проведении ФДТ при облучении фотосенсибилизатора светом происходит образование активных форм кислорода, обладающих способностью эффективно окислять находящиеся поблизости биомолекулы, что приводит к деструкции новообразования. Объединение двух методов воздействия в одном комбинированном препарате позволит, во-первых, преодолеть резистентность к действию химиопрепаратов, так как к действию активных форм кислорода невозможно выработать устойчивость. И во-вторых, снизить токсическое действие на здоровые клетки, так как природные хлорины, используемые как фотосенсибилизаторы, обладают повышенной тропностью к опухолевым клеткам. Ранее нами были найдены лидерные соединения, представляющие собой производные природных хлоринов, отличающиеся высокой химической и фотостабильностью и показавшие высокую фотодинамическую эффективность в экспериментах на животных-опухоленосителях. Антрациклиновые антибиотики (Доксорубицин и Рубомицин) хорошо зарекомендовали себя как препараты первой линии химотерапии. При конъюгировании природных хлоринов и антрациклиновых антибиотиков для сохранения фармакологических свойств обоих компонентов необходимо использование функциональных линкерных молекул, которые не только разделяют два фармакофора в пространстве, но и могут использоваться для их контролируемого высвобождения и активации. Для моделирования биологических липидных мембран в работе будет использован метод Ленгмюра-Блоджетт (ЛБ), позволяющий варьировать структурные параметры пленок ЛБ. Возможность переноса таких пленок на плоские подложки практически из любого материала позволяет определять физико-химические, оптические, электрохимические, структурные, и другие свойства исследуемых систем с помощью самых разнообразных физико-химических методов. Оригинальность предлагаемого в проекте подхода к исследованию механизмов цитотоксического действия ФС заключается в параллельном проведении исследований с использованием двух типов модельных систем. Первый тип подразумевает смешение ФС и липидов в органическом растворителе, формирование на поверхности воды смешанного монослоя, изучение его свойств и перенос такого монослоя на твердую подложку. Второе направление исследований предполагает формирование на поверхности твердой подложки индивидуального липидного бислоя. Далее трансмембранный перенос ФС будет моделироваться его диффузией из мицеллярного раствора через сжатый липидный монослой на поверхности водной субфазы. Процесс фоторазрушения модельной мембраны будет изучен с использованием широкого спектра физико-химических методов и подходов. На основании результатов этих исследований будет проведён скрининг новых фотосенсибилизаторов и выбор наиболее перспективных из них. Для подтверждения данных об оптимальной структуре препаратов со строением хлорин-линкер-антрациклин будут проведены исследования комплексной цитотоксичности in vitro, которые позволят независимо оценить фотоиндуцированную цитотоксичность, химиоцитотксичность и лабильность дисульфидного линкера в среде опухолевых клеток. Проведенные в рамках данного междисциплинарного проекта комплексные исследования позволят выявить механизмы процессов, протекающих в клеточных мембранах при комбинированной ФДТ и химиотерапии, и разработать новые подходы к оптимизации структуры и химического состава используемых в этих целях препаратов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Кирин Н.С., Ларкина Е.С., Пухова А.С., Стяжкина М.С., Бирин К.П., Грин М.А. Heterocyclic derivatives of natural chlorins as a basis for the creation of new theranostic agents with tunable properties Макрогетероциклы, номер 17, том 2, страницы 65-70 (год публикации - 2024)
10.6060/mhc245857k

2. Медведев Д.Ю., Островерхов П.В. , Кирин Н.С., Грин М.А. Новые конъюгаты для комбинированной фотодинамической терапии на основе природных хлоринов и антрациклиновых антибиотиков Сборник тезисов XXVII Всероссийской конференции молодых учёных-химиков, Сборник тезисов XXVII Всероссийской конференции молодых учёных-химиков (16-18 апреля 2024 г.) (год публикации - 2024)

3. Данилова Д.К., Островерхов П.В., Селектор С.Л., Грин М.А. Сравнение фотосенсибилизирующего действия производных хлорина Е6 в модельных мембранах Сборник тезисов докладов VIII Международной конференции "Супрамолекулярные системы на поверхности раздела"., сборник тезисов докладов VIII Международной конференции "Супрамолекулярные системы на поверхности раздела" (25 сентября  29 сентября 2023) (год публикации - 2023)

4. Данилова Д.К., Островерхов П.В., Грин М.А., Селектор С.Л. НОВАЯ ЭКСПРЕСС-МЕТОДИКА ДЛЯ СРАВНЕНИЯ ФОТОСЕНСИБИЛИЗИРУЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ ПРОИЗВОДНЫХ ХЛОРИНА Е6 В МОДЕЛЬНЫХ МЕМБРАНАХ Сборник тезисов докладов XVIII Конференции молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭ РАН, Сборник тезисов докладов XVIII Конференции молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭ РАН (4-8 декабря 2023 г.) (год публикации - 2023)

5. Медведев Д.Ю., Островерхов П.В., Данилова Д.К., Селектор С.Л., Грин М.А. Конъюгаты природных хлоринов с антрациклиновыми антибиотиками для комбинированной терапии в онкологии Сборник тезисов докладов X Международной конференции по физической химии краун-соединений, порфиринов и фталоцианинов, посвященная 300-летию Российской академии наук , страница 56 (год публикации - 2024)

6. Екатерина Плотникова, Ольга Абрамова, Петр Островерхов, Александра Винокурова, Дмитрий Медведев, Сергей Тихонов, Максим Усачев, Анастасия Шелягина, Анастасия Ефременко, Алексей Феофанов, Андрей Панкратов, Петр Шегай, Михаил Грин, Андрей Каприн Conjugate of Natural Bacteriochlorin with Doxorubicin for Combined Photodynamic and Chemotherapy International Journal of Molecular Sciences, Int. J. Mol. Sci. 2024, 25(13), 7210; (год публикации - 2024)
10.3390/ijms25137210

7. КОНЬЮГАТЫ ПРИРОДНЫХ ХЛОРИНОВ С ПРОТИВООПУХОЛЕВЫМИ ПРЕПАРАТЫ ДЛЯ ПОЛИТЕРАПИИ ПРИ ОНКОЛОГИИ CONJUGATES OF NATURAL CHLORINS WITH ANTITUMOR DRUGS FOR POLYTHERAPY IN ONCOLOGY Материал конференции XV Международная конференция «Синтез и применение порфиринов и их аналогов» (ICPC-15) XIV Школа молодых ученых стран СНГ по химии порфиринов и родственных соединений, страница 69 (год публикации - 2024)

8. Островерхов П.В., Плотникова Е.А., Шелягина А.П., Медведев Д.Ю., Лунева К.В., Дурнев Д.А., Дьячкова А.Ю., Боржицкая Е.О., Грин М.А. Фотосенсибилизаторы на основе природных хлоринов для комбинированной противоопухолевой терапии Сборник тезисов 6-ой Российской конференции по медицинской химии, страница 161 (год публикации - 2024)

9. Данилова Д.К., Островерхов П.В., Медведев Д.Ю., Грин М.А., Селектор С.Л. Novel approach for fast comparative evaluation of the potency of new photosensitizers using model lipid membranes Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. – 2025. – С. 113123. (год публикации - 2025)
10.1016/j.jphotobiol.2025.113123

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Основной целью проводимых исследований является разработка комбинированных препаратов нового поколения для противоопухолевой терапии и проведение их сравнительной характеризации с помощью физико-химических исследований модельных липидных мембран. Использование фотодинамической терапии в сочетании с химиотерапией показало высокую эффективность как в исследованиях in vitro и in vivo, так и в клинической практике. В рамках проекта осуществлен синтез и комплексное исследование конъюгатов природных хлоринов с антрациклинами, различающихся линкерными фрагментам. Использование комплекса ФХМА, включающего хромато-масс-спектрометрию и ЯМР-спектроскопию, позволило установить высокую степень чистоты полученных конъюгатов. Данные хромато-масс-спектрометрии подтверждают образование целевых молекулярных ионов, в то время как спектры ЯМР указывают на присутствие характерных структурных фрагментов, в частности, ароматических гидроксильных групп антрациклинов и амидных протонов, свидетельствующих об успешном формировании амидной связи в процессе конъюгирования. В дополнение к хромато-масс-спектрометрии и ЯМР-спектроскопии, для характеристики конъюгатов хлоринов с антрациклинами использована молекулярная абсорбционная спектроскопия. Анализ УФ-видимых спектров поглощения позволил оценить вклад хромофоров, выявить гиперхромный сдвиг (450-550 нм) при конъюгации с антрациклином и батохромный сдвиг полосы Соре и Q-полос при окислении винильной группы с образованием формильной функции. Использование метода хромато-масс-спектрометрии позволило показать расщепляемость дисульфидсодержащего линкера и образование соответствующих фрагментов: хлорина и доксорубицина/рубомицина при действии дитиотреитола. В отсутствие дисульфидной связи, расщепления под действием дитиотреитола не происходит, что подтверждает специфичность реагента. Посредством метода ДРС подтверждено образование мицелл Kolliphor EL и Pluronic во всех исследованных концентрациях данных соолюбилизаторов (1-5%). Мицеллы Kolliphor EL (13-14 нм) характеризовались более узким распределением по размерам (PDI 0.184-0.301) по сравнению с Pluronic (29-41 нм, PDI 0.208-0.562), что обусловило выбор Kolliphor EL в концентрации 2.5-5 % в качестве предпочтительного солюбилизатора для производных хлоринов. Использование монослоев модельных липидов Ленгмюра для оценки эффективности фотосенсибилизаторов является инновационным подходом, который был предложен и частично опробован на простейших моделях в работах участников проекта [1, 2]. Однако, данная техника для изучения более сложных молекулярных ансамблей, содержащих фотосенсибилизатор и химиотерапевтический агент, соединённые линкером, а также для мембран, в состав которых входит несколько липидных компонентов была впервые применена при выполнении данного проекта. На основании анализа изотерм сжатия индивидуальных компонентов и смешанных систем показано, что при смешении отсутствуют значительные межмолекулярные взаимодействия между компонентами смеси и в смешанных системах соблюдается аддитивность площадей компонентов монослоя. На спектрах поглощения смешанных монослоев и индивидуальных монослоёв ФС наблюдаются близкие по положениям и интенсивности полосы поглощения при длине волны около 402-406 нм (полоса Соре) и 660-663 нм (Q полоса). Это указывает на отсутствие химических взаимодействий и агрегации в смешанном монослое. Измерения контактных углов на пленках ЛБ, перенесенных на твердые подложки из смешанных монослоев, показали, что при воздействии ИК-света для всех систем, содержащих ФС, наблюдается уменьшение величины контактного угла. Обнаруженные изменения свидетельствуют о разрушении монослоя в ходе облучения и о наличии у исследуемого комбинированного ФС значительного фотосенсибилизирующего действия. Кроме того, по предлагаемой нами новой методике для систем POPC:ФС и POPC:ФС:Chol была проведена регистрация изменений поверхностного давления в монослое при ИК облучении. Измерения показали, что при облучении монослоёв POPC, содержащих ФС, происходит падение поверхностного давления, что говорит о разрушении монослоёв, в то время как для тех же монослоёв без облучения, как и для индивидуальных монослоёв POPC при облучении, поверхностное давление падает незначительно. Сопоставление результатов, полученных с использованием новой методики, с результатами исследования эффективности ФДТ с помощью метода измерения краевого угла смачивания липидных плёнок ЛБ на твёрдых подложках подтвердил применимость метода регистрации изменения поверхностного давления при облучении монослоёв Ленгмюра для экспресс-сравнения эффективности ФС. Показано, что метод АСМ значительно менее чувствителен к протеканию процесса фотодеградации в исследуемых плёнках, чем предлагаемая нами новая методика. Достоинством исследуемого комбинированного ФС с цитотоксическим агентом является то, что он может способствовать синергическому противоопухолевому эффекту, преодолению лекарственной устойчивости и снижению терапевтических доз препарата, что, как следствие, приводит к уменьшению побочных эффектов. Было изучено взаимодействия водорастворимой формы исследуемого комбииованного ФС с монослоями липидов на водной субфазе. Проникновение ФС в монослой липида из мицелярного раствора РОРС удалось доказать несколькими физико- химическими методами, что открывает перспективы использования разрабатываемых модельных систем не только для изучения процессов фотодеградации, но и для выявления механизмов проникновения ФС в липидную мембрану из водной среды. В рамках проекта также была проведена оценка in vitro цитотоксичности полученных соединений в отношении клеток MCF-7. В результате установлено, введение объемного антрациклинового фрагмента снижает токсичность, вероятно, из-за затрудненного проникновения в клетку. Лабильный дисульфид-содержащий конъюгат, напротив, проявляет повышенную токсичность (фото- и темно-цитотоксичность) по сравнению с исходным хлорином, с усилением эффекта при увеличении времени инкубации, что указывает на вклад доксорубицина как химиотерапевтического агента. Таким образом, конъюгация хлоринов с антрациклинами перспективна для модулирования цитотоксичности, особенно с использованием лабильных линкеров, однако, размер и стабильность линкера критичны для эффективности. 1. Stuchebryukov S.D., et al. // Peculiarities of the reflection-absorption and transmission spectra of ultrathin films under normal incidence of light Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. 2013, 49, 189-197, doi: 10.1134/S2070205113020044 2. Shokurov A.V. et al. // Lipid monolayer as a simple model membrane for comparative assessment of the photodynamic therapy photosensitizer efficiency via macroscopic measurements // J. Photochem. Photobiol. B Biol. 2020. Vol. 210. P. 111958.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные в рамках выполнения проекта соединения являются перспективными кандидатами для создания на их основе противоопухолевых препаратов комбинированного действия. Показанные нами результаты оценки биологической активности соединений позволяют уверенно заявлять о перспективности подхода комбинированной терапии с использованием метода ФДТ и химиотерапии. Однако необходимо более детальное изучение механизмов действия комбинированных препаратов, с целью создания наиболее эффективных пар фотосенсибилизатор - химиоагент. Также важным заделом является использование линкерных молекул, обеспечивающих управляемое высвобождение и активацию антрациклинового антибиотика. Разработка подобных систем в будущем позволит получать субстанции, токсическим действием которых можно будет управлять при помощи внешних или эндогенных стимулов. Это позволит снизить побочные эффекты и перейти к персонализированной химиотерапии онкологических заболеваний. Метод экспресс оценки эффективности повреждения модельных липидных мембран может значительно упростить и ускорить процесс скрининга как фотосенсибилизаторов, так и других лекарственных препаратов.