КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 14-13-01373

НазваниеГибридные структуры на основе бислойных липидных мембран, тетрапиррольных соединений и наночастиц диоксида церия

РуководительГорбунова Юлия Германовна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина Российской академии наук, г Москва

Года выполнения при поддержке РНФ 2017 - 2018 

КонкурсКонкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые словагибридные органо-неорганические материалы, фталоцианины, фотосенсибилизатор, бислойная липидная мембрана, биоэлектрохимия, диоксид церия, синглетный кислород, люминесценция

Код ГРНТИ31.23.41


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Ученые и национальные онкологические центры всего мира направляют свои усилия на снижение смертности и страданий от рака и инфекционных заболеваний за счет внедрения новых типов ранней диагностики, визуализации, лечения и профилактики, а также улучшение качества жизни онкологических больных. При этом преимущество имеют неинвазивные методы, связанные в лечением и диагностикой светом, а также методы, использующие разработки нанотехнологий. В этом смысле разработка новых типов фотосенсибилизаторов и детальное изучение механизмов их действия остается одной из актуальнейших областей исследования химиков, физиков и биологов в связи с решением целого ряда медицинских задач, таких как ранняя диагностика и терапия поверхностных онкологических заболеваний, а также создание бактерицидных материалов для применения в офтальмологии, стоматологии и микробиологии (Coord. Chem. Rev. 2016, v. 325, p. 67). Современное развитие этого направления исследований связано не только с поиском новых эффективных сенсибилизаторов с улучшенными характеристиками, по сравнению с уже имеющимися в клинической практике, но и с развитием методов экспрессного лабораторного тестирования этих фотосенсибилизаторов, а также с поиском гибридных материалов, позволяющих либо использовать их полифункциональность (одновременно несколько видов диагностики или терапии), либо селективность доставки в опухолевую ткань, либо контролировать фотосенсибилизирующее действие. Для решения этих вопросов порфирины и их аналоги остаются уникальными объектами исследований, широко изучаемыми в качестве диагностических, терапевтических препаратов и, в последнее время материалов для тераностики. Это связано с их уникальными оптическими свойствами – интенсивное поглощение света в так называемом терапевтическом окне, способность к люминесценции (для диагностики) и генерации активных форм кислорода (для терапии). Основная задача проекта РНФ 2014 года состояла в разработке принципиально нового подхода к созданию эффективных фотосенсибилизаторов, на основе тетрапиррольных соединений, способных к связыванию с бислойными липидными мембранами и наночастицами диоксида церия для дальнейшего управления их фотодинамической активностью. В результате проведенных в 2014-2016 г. исследований были получены данные, которые показывают перспективу продолжения данного проекта. Среди них: найдены подходы к получению водорастворимых порфиринатов фосфора(V), а также катионных производных имидазо-замещенных порфиринов. Предварительные исследования показали, что данные соединения, обладая необходимыми фотохимическими свойствами, постоянным изомерным составом, низкой склонностью к агрегации являются перспективными кандидатами на роль новых типов фотосенсибилизаторов, способных к связыванию с липидными мембранами и наночастицами диоксида церия. Что касается исследований фотодинамической активности на поверхности бислойной липидной мембраны, как простейшей модели поведения фотосенсибилизатора в гетерогенных системах, максимально приближенных по свойствам к клеточным мембранам, предполагается осуществить сравнительное исследование связывания новых катионных фотосенсибилизаторов с мембраной, а также определить их эффективность как генераторов синглетного кислорода. При выполнении проекта 2014 г. было также обнаружено значительное различие фотодинамической активности и адсорбции на мембране тетрасульфофталоцианинов алюминия и свободного тетра(сульфо-фенил)порфирина, для которого была обнаружена pH-зависимость фотоактивности и адсорбции. Для выяснения причин такого различия предполагается проверить предположение о значительной роли металла-комплексообразователя, определяющей и адсорбционные, и фотодинамические свойства фотосенсибилизаторов. Для этого предполагается синтезировать серию тетра(сульфо-фенил)порфиринов с различными металлами и изучить их фотохимические свойства. Перспективными на наш взгляд также оказались результаты по исследованию новых гибридных фотоактивных органо-неорганических систем на основе замещенных фталоцианинов и наночастиц диоксида церия и водных золей диоксида церия. Это направление обладает неоспоримой новизной поставленной задачи, так как в мире отсутствуют аналоги таких работ, а с другой стороны считается, что именно гибридные системы с применением нанокристаллических частиц могут осуществить прорыв в тераностике онкологических заболеваний. При выполнении проекта 2014 года было показано, что гибридные материалы на основе диоксида церия как в растворах, так и на поверхности бислойных липидных мембран могут быть использованы как для усиления, так и для ослабления фотодинамического действия фотосенсибилизаторов в зависимости от формы диоксида церия и условий эксперимента. Развитие этого, безусловно важного и нового направления проекта, предполагается проводить в рамках нескольких задач. С одной стороны будет продолжен поиск подходов к получению фотосенсибилизаторов на основе тетрапиррольных соединений, обладающих заместителями или аксиальными лигандами, потенциально склонными к связыванию с диоксидом церия. Так, будут продолжены работы по получению органических лигандов на основе лимонной кислоты и одновременно функциональных групп, способных аксиально координироваться по атому металла в порфирине и фталоцианине. Такие соединения будут использованы для исследования возможностей стабилизации наночастиц диоксида церия в водном растворе. Представляет особый интерес провести сравнительное изучение фотосенсибилизирующих свойств этих тетрапирррольных соединений самих по себе и их композитов с наночастицами как в растворах, так и на поверхности бислойных липидных мембран. С другой стороны, исследование влияния диоксида церия на генерацию синглетного кислорода в водной среде на поверхности бислойных липидных мембран при pH ~5.3 показало, что диоксид церия и в этих условиях проявляет свои прооксидантные свойства. Известно, что прооксидантная/антиоксидантная активность диоксида церия зависит от pH среды. В связи с этим представляет интерес развитие этого исследования, а именно выявление зависимости влияния рН среды на возможность управления фотодинамическими характеристиками фотосенсибилизатора при адсорбции золей CeO2 на бислойных липидных мембранах. Анализ современного состояния исследований по данной проблеме свидетельствует об высоком уровне новизны поставленных задач и их высокой научной значимости.

Ожидаемые результаты
Предложенные для продления проекта задачи являются прямым продолжением работ авторского коллектива, перспектива которых явно вытекает из результатов, полученных в течение предыдущих 3 лет. Эти результаты могут иметь прикладное значение для разработки новых эффективных препаратов для лечения онкологических заболеваний методом фотодинамической терапии, а также средств защиты здоровых клеток от нежелательного фотодинамического воздействия. В результате осуществления проекта будут получены новые данные о синтезе и свойствах фотосенсибилизаторов на основе тетрапирррольных соединений (порфиринов и фталоцианинов), в том числе поглощающих в так называемом терапевтическом окне, способных к связыванию с бислойными липидными мембранами. Будут получены данные и проведен сравнительный анализ фотохимических свойств новых фотосенсибилизаторов в растворах (поглощение, люминесценция, генерация активных форм кислорода, фотохимическая стабильность). Предполагается также получить и проанализировать данные об эффективности адсорбции и фотодинамической активности новых фотосенсибилизаторов на поверхности бислойных липидных мембран. Будут получены данные о фотоактивности гибридных систем на основе тетрапиррольных соединений и нанопорошков и водных золей диоксида церия с контролируемым размером частиц, в том числе и при их одновременной адсорбции на бислойных липидных мембранах. К завершению проекта в 2018 году предполагается провести детальный анализ всех полученных синтетических и физико-химических данных, обобщение которых должно привести к выводам о целесообразности использования фотосенсибилизаторов, полученных в работе для дальнейших исследований. Предполагается выбрать соединения-лидеры. С другой стороны, будет предложена новая методология отбора перспективных фотосенсибилизаторов для дальнейшего исследования на клеточном уровне. По результатам работы планируется публикация серии статей, индексируемых в базах данных Web of Knowledge и Scopus, а также РИНЦ c импакт-факторами не ниже 1,4 (2017 г. - 4 статьи, 2018 г. – 4 статьи). Полученные результаты предполагается ежегодно докладывать на профильных международных конференциях. В результате осуществления проекта предполагается выявить закономерности управления фотодинамическими характеристиками фотосенсибилизаторов на основе гибридных органо-неорганических систем на поверхности БЛМ, тетрапиррольных соединений и диоксида церия. Достижимость решения поставленных задач определяется уровнем квалификации состава исполнителей, большим научным заделом коллектива, полученным в результате осуществления проекта 2014 года и наличием соответствующего приборного обеспечения. Квалификация исполнителей и их предыдущие работы дают основания полагать, что проект будет выполнен успешно. Полученные результаты будут соответствовать мировому уровню исследований в химии порфиринов и разработки фотосенсибилизаторов на их основе, что будет подтверждено публикацией результатов в специализированных научных журналах с высоким импакт-фактором.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
На данном этапе проекта были подробно изучены фотофизические и фотохимические свойства катионных, водорастворимых порфиринатов фосфора, способных к высокоэффективной генерации синглетного кислорода, что делает очень перспективным их использование в качестве фотосенсибилизаторов, а также новых препаратов для антимикробной ФДТ. Для выявления особенностей фотофизических свойств порфиринатов фосфора(V) были синтезированы две серии комплексов с тетрафенилпорфирином и моно-пиридил-трифенилпорфирином с различной природой аксиальных лигандов на фосфоре. Было установлено, что в полученных сериях соединений квантовый выход генерации синглетного кислорода изменяется от 0% до 100% в зависимости от природы аксиального лиганда. В тоже время квантовый выход флуоресценции изменяется незначительно. Фотосенсибилизирующая активность соединений в различных растворителях коррелирует с временами жизни синглетного кислорода, а природа заместителей в мезо-положении порфирина оказывает незначительное влияние на фотофизические параметры изучаемых соединений. Было установлено, что ключевым фактором оказывается природа аксиальных лигандов. Так, присутствие ароматических фрагментов в апикальной позиции к атому фосфора делает величину квантового выхода синглетного кислорода близкой к нулю, в то время как в присутствии алкоксильных аксиальных лигандов квантовый выход генерации синглетного кислорода практически количественный. Для объяснения полученных результатов была привлечена время-разрешенная адсорбционная спектроскопия и квантово-химические расчеты. Кинетические кривые релаксации возбужденного состояния, позволили установить пути релаксации возбужденных состояний и оценить квантовый выход триплетного состояния и его время жизни в рядах полученных соединений. Исходя из совокупности полученных данных, было установлено, что в случае соединений, содержащих ароматический аксиальный заместитель, координированный по атому фосфора, протекает дополнительный процесс переноса заряда, который и дезактивирует генерацию синглетного кислорода в этих типах комплексов. Квантово-химические расчеты подтвердили существование процесса переноса заряда в таких комплексах. Таким образом, на нескольких сериях порфиринатов фосфора P(V) было показано, что фотофизические свойства этих соединений в целом, а главным образом генерацию синглетного кислорода, можно тонко настраивать, изменяя природу аксиальных лигандов. Знание полученных закономерностей позволяет использовать этот тип соединений в качестве эффективных фотосенсибилизаторов как в водных, так и в органических средах. В работе также разработаны подходы к получению другого типа катионных водорастворимых порфиринов - -бензимидазолил-производных тетрафенилпорфирина, а также его металлокомплексов цинка(II), индия(III). С целью получения гибридных материалов на основе фталоцианинатов металлов и наночастиц диоксида церия на данном этапе были разработаны подходы к получению комплексов галлия и индия с фталоцианином А3B-типа, содержащего два [2’-(2’’-гидроксиэтокси)этокси] заместителя, благодаря которым возможно связывание с поверхностью НЧ. В результате подбора оптимальных условий целевые фталоцианинаты удалось получить с выходами 80-90%. Для полученных соединений были измерены основные фотофизические характеристики, из которых видно, что данные соединения обладают достаточно высокими квантовыми выходами триплетного состояния, что обуславливает перспективу их применения в качестве фотосенсибилизаторов. На предыдущих этапах проекта для предварительного тестирования поведения новых фотосенсибилизаторов на клеточном уровне нами разрабатывать модельные системы и соответствующие вещества-ловушки, которые могут «улавливать» синглетный кислород на поверхности бислойных липидных мембран (БЛМ). С помощью этого метода были изучены адсорбция и фотодиамические характеристики сульфированных фталоцианинов алюминия. На данном периоде проекта мы исследовали адсорбцию и фотодинамические свойства фотосенсибилизаторов родственного класса – тетрасульфопорфиринов. Так как свойства данных молекул могут варьироваться изменением кислотности среды было подробно изучено влияние рН и ионной силы раствора на их адсорбцию на БЛМ и фотодинамические свойства. Это очень важно, для дальнейшего применения этих сенсибилизаторов, учитывая различие в кислотности среды здоровых и опухолевых клеток. Прежде всего, было показано, что в нейтральной среде тетра-сульфопорфирин адсорбируется на поверхности БЛМ в виде четырехзарядного аниона. При уменьшении рН адсорбция тетрасульфопорфирина подавляется, что может быть связано как с протонированием внутрициклических атомов азота и уменьшении сродства порфирина к липидной мембране, так и с агрегацией молекул в растворе. С помощью спектральных методов было доказано, что при низких значениях рН происходит последовательное образование агрегатов, не способных встраиваться в БЛМ. Зависимость скорости разрушения di-4-ANEPPS на поверхности мембраны при ее освещении от концентрации тетрасульфопорфирина в растворе была нелинейной. Аналогичная зависимость наблюдалась ранее и в случае четырежды сульфированного фталоцианина, хотя в случае фталоцианинов с меньшим числом сульфогрупп эта зависимость стремилась к насыщению, что объяснялось тушением синглетного кислорода молекулами фталоцианина в мембране. Существенное отличие тетрасульфопорфирина от изученного нами ранее сульфированного фталоцианина состоит в том, что в последнем случае наблюдалось эффективное тушение синглетного кислорода молекулами ловушки на поверхности мембраны, а в случае с порфирина такого тушения не было замечено. Возможно, это вызвано тем, что положение молекул тетрасульфопорфирина на поверхности мембраны отличается от положения молекул сульфированного фталоцианина. На данном этапе также впервые были изучены адсорбция и фотодинамическая активность двух катионных бензоимидазопорфиринов (свободное основание и комплекс цинка). Адсорбция этих порфиринов на БЛМ приводила к появлению положительного скачка потенциала на границе мембраны. При этом было показано, что свободный порфирин вызывает больший по величине скачок потенциала, чем комплекс цинка. Фотодинамическую активность порфиринов определяли по скорости разрушения адсорбированных на БЛМ молекул ловушки (di-4-ANEPPS), соответсвенно по скорости исчезновения дипольного потенциала, создаваемого этими молекулами на границе мембраны, при освещении в присутствии порфиринов. Освещение проводили с помощью полупроводниковых лазеров зеленого (532 нм) или фиолетового (405 нм) диапазона света. Фотодинамическая активность при освещении фиолетовым лазером оказалась эффективнее. Фотоэффекты наблюдались при адсорбции di-4-ANEPPS либо с той же (цис) стороны, где были молекулы порфирина, либо с противоположной (транс) стороны. При сравнении скоростей разрушения di-4-ANEPPS при освещении свободного порфирина и порфирината цинка установлена большая эффективность первого. Это может быть вызвано как различием констант адсорбции этих соединений, так и влиянием эффекта тяжелого атома на фотофизические характеристики сенсибилизатора в целом. В развитие наших работ, особый интерес представляет исследование влияния CeO2 на генерацию синглетного кислорода в водной среде. На данном этапе проекта нами были проведены эксперименты по получению водорастворимого органо-неорганического гибридного материала на основе фталоцианина и нанокристаллического диоксида церия путем стабилизации наночастиц диоксида церия в водном золе фталоцианиновым комплексом. Для этого готовили золь нанокристаллического диоксида церия методом термогидролиза исходя из (NH4)2Ce(NO3)6. Из результатов просвечивающей электронной микроскопии следует, что золь состоит из частиц размером около 2 нм. Для получения гибридного материала синтезировали растворимый в воде комплекс скандия с тетра-15-краун-5-фталоцианином [Sc(CR4Pc)OAc]. Изучение процессов образования гибридных материалов изучали методами динамического светорассеяния с использованием гелий-неонового лазера с λ = 632,8 нм и электронной спектроскопией поглощения. Для решения поставленной задачи получения гибридного материала использовали несколько подходов. Первый заключался в предварительном обмене аксиального ацетат-иона на цитрат с последующим добавлением к нему золя диоксида церия без стабилизатора на поверхности. Для изучения обмена аксиального лиганда использовали цитрат натрия и аммония, который наиболее часто применяют для стабилизации золей диоксида церия. Однако, использование такого подхода для получения гибридных материалов оказалось мало эффективным. Второй способ состоял во взаимодействии водного раствора [Sc(CR4Pc)OAc] с водным золем диоксида церия, стабилизированного цитратами натрия или аммония. Исходя из данных ЭСП, было показано, что именно цитрат натрия оказывает наибольшее солюбилизирующее/мономеризирующее воздействие на фталоцианинат скандия. С другой стороны, методом DLS было установлено, что цитрат натрия хуже стабилизирует исходный золь нанокристаллического диоксида церия по сравнению с цитратом аммония. Тем не менее было показано, что при взаимодействии [Sc(CR4Pc)OAc] с цитрат-стабилизированными золями диоксида церия в итоговом растворе появляются частицы с гидродинамическим радиусом примерно вдвое большим, чем в случае исходного раствора фталоцианина, а также в растворе практически полностью отсутствуют частицы исходного золя нанокристаллического диоксида церия. Это может свидетельствовать об успешном образовании гибридных частиц фталоцианина с наночастицами CeO2. Для выявления устойчивости таких гибридов и их склонности к ассоциации, полученные при взаимодействии раствора [Sc(CR4Pc)OAc] и золя диоксида церия системы были повторно охарактеризованы методом DLS спустя четверо суток. Полученные данные свидетельствуют о том, что распределение и гидродинамические радиусы гибридных частиц практически не меняются, что указывает на устойчивость полученной системы. Таким образом, найденный подход может быть успешно применен для формирования гибридных материалов – фталоцианин/диоксид церия. По полученным результатам было опубликовано 4 статьи (ChemCom; Nanosystems: physics, chemistry, mathematics; Nano Hybrids and Composites; Электрохимия), 2 статьи поданы в редакции журналов Scientific Reports и J. Porphyrins&Phthalocyanines. В рамках выполнения работы руководитель представила 3 пленарных доклада на профильных конференциях, а исполнители проекта – 3 устных доклада.

 

Публикации

1. А.В. Ягодин, Олуволе Д.О., А.Г. Мартынов, Ю.Г. Горбунова, Ньюконг Т., А.Ю. Цивадзе ОПТИЧЕСКИЕ ОГРАНИЧИТЕЛИ НА ОСНОВЕ НАНОКОНЪЮГАТОВ СЭНДВИЧЕВЫХ ФТАЛОЦИАНИНАТОВ ЕВРОПИЯ(III) С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ Тезисы V Международной конференции «Супрамолекулярные системы на поверхности раздела», с.33 (год публикации - 2017).

2. В. С. Соколов, А. Н. Гаврильчик, О. В. Батищев, С. А. Акимов, Т. Р. Галимзянов, Д. Князев, Поль П, Ю. Г. Горбунова Фотодинамические процессы в бислойной липидной мембране: распределение кислорода и эффективность фотосенсибилизаторов Тезисы VIII Съезда Российского фотобиологического общества, Всероссийская конференция “Современные проблемы фотобиологии”, с.82 (год публикации - 2017).

3. Горбунова Ю.Г. COORDINATION CHEMISTRY OF MACROCYCLIC LIGANDS AND NEW FUNCTIONAL MATERIALS ON THEIR BASIS Abstracts of 27th International Chugaev Conference on Coordination Chemistry, Pl13 (год публикации - 2017).

4. Горбунова Ю.Г. Дизайн молекулярных машин и переключателей Тезисы V Международной конференции «Супрамолекулярные системы на поверхности раздела», с.9 (год публикации - 2017).

5. Горбунова Ю.Г. НОВЫЕ ТИПЫ ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫХ ПОРФИРИНОВЫХ СИСТЕМ С НАСТРАИВАЕМЫМИ СВОЙСТВАМИ Тезисы XI МЕЖДУНАРОДНОЙ ШКОЛЫ-КОНФЕРЕНЦИИ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ ПО ХИМИИ ПОРФИРИНОВ И ИХ АНАЛОГОВ, с.15-16 (год публикации - 2017).

6. Енакиева Ю.Ю., Горбунова Ю.Г., Цивадзе А.Ю. ПОРФИРИН-СОДЕРЖАЩИЕ МЕТАЛЛ-ОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ ЭКОЛОГИИ Тезисы V Международной конференции «Супрамолекулярные системы на поверхности раздела», с.44 (год публикации - 2017).

7. Манага М., Хенеа С., Бритон Дж. Мартынов А.Г., Горбунова Ю.Г., Цивадзе А.Ю., Ньюконг Т. Photophysics and NLO properties of Ga(III) and In(III) phthalocyaninates bearing diethyleneglycol chains J. Porphyrins and Phthalocyanines, - (год публикации - 2018).

8. Мешков И.Н., Булак В., Горбунова Ю.Г., Гостев Ф.Е., Надточенко В.А., Цивадзе А.Ю., Хоссейни В. Tuning photochemical properties of phosphorus(V) porphyrin photosensitizers ChemComm, v.53, № 71, p. 9918-9921 (год публикации - 2017).

9. Н.Р. Попова, А.Л. Попов, А.Б. Щербаков, В.К. Иванов Layer by layer capsules as smart delivery systems of CeO2 nanoparticlebased theranostic agents NANOSYSTEMS: PHYSICS, CHEMISTRY, MATHEMATICS, т. 8, №2, P. 282–289 (год публикации - 2017).

10. Попова Н.Р., Ермаков А.М., Попов А.Л., Селезнева И.И., Акизов А.Ю., Иванова О.С., Иванов В.К. Cerium Oxide Nanoparticles Protect Primary Embryonic Mouse Fibroblasts from Oxidative Stress Induced by Low-Temperature Argon Plasma Treatment Nano Hybrids and Composites, Том: 13 Стр.: 294-300 (год публикации - 2017).

11. Соколов В.С., Батищев О.В., Акимов С.А., Галимзянов Т.Р., Констанотинова А.Н., Малингре Е., Горбунова Ю.Г., Князев Д.Г., Поль П. Residence time of singlet oxygen in membranes Scientific Reports, - (год публикации - 2018).

12. Соколов В.С., Щербаков А. А., Ташкин В. Ю., Гаврильчик А. Н., Чизмаджев Ю. А., Поль П. Oxidation and lateral diffusion of styryl dyes on the surface of a bilayer lipid membrane Russian J. of Electrochemistry, т.53, №10, с. 1321-1333 (год публикации - 2017).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
На данном этапе проекта с целью получения новых водорастворимых фотосенсибилизаторов было выбрано несколько стратегий. Первая из них заключалась в получении карбоксизамещенных фталоцианинатов металлов, не склонных к агрегации. С этой точки зрения были разработаны подходы к получению фенокси-замещенных фталоцианинов, содержащих карбоксильные группы в ароматических заместителях, которые за счет возникновения стерических препятствий должны существовать в водных растворах преимущественно в мономерном виде. И действительно, подбор условий синтеза исходного фталонитрила с последующей темплатной сборкой целевого фталоцианина и дополнительной стадией гидролиза сложноэфирных групп позволил получить целевой фотосенсибилизатор ZnPc(COONa)16 в виде водорастворимой натриевой соли. Спектральные исследования показали, что полученный фотосенсибилизатор действительно находится в преимущественно мономерном состоянии в водном растворе, что является одним из важным критериев его эффективности. Изучение поведения данного фотосенсибилизатора в водных растворах с различным рН позволило установить границы его дальнейшего применения. Так, одним из перспективных применений полученного карбоксифталоцианина является получение на его основе гибридных органо-неорганических материалов. На примере слоистого гидроксида европия Eu2(OH)5Cl·xH2O была изучена возможность интеркаляции полученного фталоцианина в полости этого неорганического материала. Согласно данным рентгенофазового анализа и ИК-спектроскопии было установлено что при взаимодействии комплекса ZnPc(COONa)16 с избытком Eu2(OH)5Cl·xH2O в водном растворе при pH=7.1 происходит встраивание молекулы фталоцианина в структуру слоистого материала с расположением плоскости молекулы параллельно слоям гидроксида европия. Другим способом получения материалов на основе гексадекакарбоксифталоцианина является синтез металлорганических пористых полимеров. Проведенные сольвотермальные реакции комплекса ZnPc(COONa)16 с нитратами цинка, никеля и кобальта в диметилформамиде в присутствии избытка бензойной кислоты приводили к образованию рентгеноаморфных гелей, перспективы применения которых требуют дальнейшего детального изучения. С целью расширения серии катионных порфиринов, растворимых в полярных средах, на данном этапе были предприняты попытки синтеза имидазопорфиринов, содержащих пиридильные и 4-диметиламинофенильные группы с их дальнейшей кватернизации. Однако на стадии получения нитропроизводных целевых порфиринов мы столкнулись с проблемой их низкой растворимости. Другим подходом к получению анионных порфиринов, растворимых в полярных средах, является ацилирование амино-производных дикарбоновыми кислотами. Мы осуществили последовательность трансформаций, заключающуюся в нитровании порфирина в бета-положение, восстановлении нитро-группы и ацилировании полученного 2-аминопорфирина под действием янтарного ангидрида. Следует отметить, что несмотря на нестабильность амино-производных порфирина, стадия ацилирования протекает с выходом, близким к количественному и таким образом была решена задача получения нового типа водорастворимых порфиринов анионного типа. Поскольку первичным процессом, инициирующим фотодинамическую активность фталоцианиновых фотосенсибилизаторов, является поглощение света, то квантово-химическая интерпретация электронных спектров поглощения является важной задачей, а разработка адекватных подходов, предсказывающих электронные спектры фталоцианинов, позволит проводить направленный дизайн новых соединений с заданными свойствами. Среди таких подходов особое место занимает время зависимая теория функционала плотности (TD-DFT), активно используемая для предсказания энергий вертикальных переходов фталоцианинов и родственных соединений. Тем не менее, высокие требования к вычислительной мощности и длительность самих вычислений ограничивают возможности использования данного метода для интерпретации усложненных систем (расширенных фталоцианинов, многокомпонентных ансамблей и пр.), а также не позволяют проводить экспрессный скрининг спектральных свойств серий родственных соединений для выявления эффектов заместителей. На данном этапе работы нами было проведено сравнение результатов расчета с использованием полного TD-DFT и его упрощенной версии sTD-DFT на примере шести модельных фталоцианинов с использованием различных функционалов. Было установлено, что при использовании функционала CAM-B3LYP метод sTD-DFT характеризуется многократным уменьшением времени расчета и повышением точности по сравнению с полным TD-DFT, благодаря чему sTD-DFT может рассматриваться как перспективный подход к интерпретации спектральных свойств фталоцианинов и использоваться для дизайна новых фотосенсибилизаторов. Сравнительное изучение фотофизических свойств порфириновых фотосенсибилизаторов на поверхности бислойных липидных мембран (адсорбция на мембране и генерация синглетного кислорода) проводилось на 4-х водорастворимых порфиринах – анионном тетрасульфо-тетрафенилпорфирине (TPPS4) и трех производных бета-имидазо-порфиринов с положительно заряженными периферийными группами: свободный порфирин (Porph-N), а также комплекс цинка (Porph-N-Zn) и индия (Porph-N-In). Установлено, что в случае сульфопорфирина молекулы адсорбируются на липидной мембране в виде четырехзарядных анионов. В случае положительно заряженных порфиринов склонность к адсорбции на мембране увеличивались в ряду Porph-N-Zn < Porph-N < Porph-N-In. Также было установлено, что потенциалы, вызванные адсорбцией порфиринов зависят от рН среды: при этом закономерности изменения адсорбции положительно заряженных порфиринов значительно отличались от таковой для анионных тетрасульфированных порфиринов. Это можно объяснить тем, что протонированная форма тетрасульфопорфирина на мембране не адсорбируется, вследствие их агрегации в растворе. В случае положительно заряженных порфиринов такой агрегации, по-видимому, не происходит. Фотодинамическая эффективность порфиринов изучалась по скорости разрушения встроенных в мембрану молекул стирилового красителя di-4-ANEPPS при освещении мембраны фиолетовым лазером (длина волны 405 нм, мощность излучения 1 мВт). Сравнение скоростей разрушения di-4-ANEPPS для трех положительно заряженных порфиринов показало, что по степени фотодинамической эффективности эти порфирины различаются в той же последовательности, что и по величине потенциалов адсорбции: Porph-N-Zn < Porph-N < Porph-N-In. В случае всех изученных порфиринов эта скорость оказалась пропорциональна поверхностной плотности их молекул в мембране. Полученные результаты свидетельствуют о том, что фотодинамическая эффективность этих порфиринов в значительной степени определяется эффективностью их связывания с липидной мембраной, а квантовый выход генерации синглетного кислорода в мембране для всех порфиринов различается незначительно. Изучение степени тушения молекулы стирилового красителя, расположенного на различных сторонах мембраны относительно фотосенсибилизатора позволило разработать математическую модель для оценки длины пробега синглетного кислорода между молекулами и источника и тушителя, а также резидентное время его нахождения в мембране. В зависимости от поведения тушителя можно также определять расположение фотосенсибилизатора в мембране. Таким образом нами показана перспектива как разработки новых типов фотосенсибилизаторов на основе порфиринов и фталоцианинов для фотодинамической терапии рака, так и первичного скрининга этих фотосенсибилизаторов с помощью разработанной в проекте методики адсорбции сенсибилизаторов на бислойных липидных мембранах и одновременного изучения фотофизического поведения этих молекул на поверхности моделей клеточных мембран. Таким образом, все задачи, поставленные на 2018 год, были выполнены. По полученным результатам было опубликовано 3 статьи в журналах Scientific Reports, J. Photochem.& Photobiol. и J. Porphyrins&Phthalocyanines, одна статья подана в редакцию журнала J. Phys.Chem. A. В рамках выполнения работы было представлено 4 доклада на профильных конференциях, 1-пленарный и 3 - устных.

 

Публикации

1. - Ученые смоделировали образование активного кислорода на стенке клетки Газета.ru, 16.11.2018 | 17:01 (год публикации - ).

2. - Смоделировано образование активного кислорода на стенке клетки Индикатор, 16 ноября (год публикации - ).

3. - Ученые из России заставили лазер и наночастицы быстрее убивать рак РИА Новости, 16 ноября 2018 (год публикации - ).

4. Константинова А.Н., Соколов В.С., Хименес-Мунгуя И., Финогенова О.А., Горбунова Ю.Г. Adsorption and photodynamic efficiency of meso-tetrakis(p-sulfonatophenyl)porphyrin on the surface of bilayer lipid membranes Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, Elsevier, Volume 189, Pages 74-80 (год публикации - 2018).

5. Манага М., Хене С., Бриттон Дж., Мартынов А.Г., Горбунова Ю.Г., Цивадзе А.Ю., Ньюконг Т. Photophysics and NLO properties of Ga(III) and In(III) phthalocyaninates bearing diethyleneglycol chains Journal of Porphyrins and Phthalocyanines, Volume 22, Issue 1-3, Pages 137-148 (год публикации - 2018).

6. Мартынов А.Г., Мак Дж. Мей А.К., Ньюконг Т., Горбунова Ю.Г., Цивадзе А.Ю. Methodological survey of simplified TD-DFT methods for fast and accurate interpretation of Uv-Vis-NIR spectra of phthalocyanines The Journal of Physical Chemistry A, - (год публикации - 2019).

7. Семенова И.В., Белик В.П., Белтукова Д.М., Мешков И.Н., Горбунова Ю.Г., Васютинский О.С. Luminescence properties of novel Phosphorus(V) porphyrin photosensitizers in solutions Proceedings - International Conference Laser Optics 2018, Номер статьи 8435733, Page 585 (год публикации - 2018).

8. Соколов В.С., Батищев О.В., Акимов С.А., Галимятзинов Т.Р., Константинова А.Н. Малинграу Е., Горбунова Ю.Г., Князев Д.Г., Поль П. Residence time of singlet oxygen in membranes Scientific Reports, Nature Publishing group, Том: 8 Номер статьи: 14000 (год публикации - 2018).