Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проект направлен на разработку и создание новых соединений, на основе которых возможна реализация концепции фотопереключения биологической активности. Такие соединения могут в будущем использоваться как «умные лекарства», биологическую активность которых можно настраивать за счет оптического излучения. Такие соединения, меняющие биоактивность в зависимости от конформации, изменяющейся под действием света, формируют основу фотофармакологии – бурно развивающегося междисциплинарного направления, объединяющего усилия ученых в области биологии, медицины, органической химии, материаловедения, лазерной химии. Концепция оказалась плодотворной и уже продемонстрировала эффективность в фотопереключаемой антимикробной, противораковой терапии, в офтальмологии и т.д. В мировой практике есть примеры успешного синтеза целого ряда новых соединений, демонстрирующих фотоиндуцированные изменения структуры и, как результат, модуляцию их активности в отношении целевых задач; некоторые из этих веществ уже проходят доклинические исследования. Однако все продемонстрированные соединения состоят из двух компонентов – «фотопереключателя» и биологически активного вещества – «фармакофора». Среди всех изученных классов фотохромных соединений лидирующую позицию занимают азобензены за счет простоты своего синтеза, «фотопереключающих» способностей (таких как, высокий коэффициент экстинкции и квантовые выходы. В качестве фармакоров используются традиционные лекарства – антибиотики, противораковые средства и т.д. Однако основной проблемой, тормозящей развитие фотофармакологии, является потеря необходимой активности лекарственного средства (фармакофора) при конъюгации с фотохромным соединением, что является серьезной проблемой, требующей разработки самостоятельных решений для каждой комбинации фотопереключатель-фармакофор. Последнее обстоятельство определяет интерес к разработке веществ, обладающих одновременно и биологической активностью, и способностью ее изменения под воздействием света. В рамках настоящего проекта разрабатывается новое семейство фотоактивных веществ, которые одновременно обладают и биологической активностью, и способностью менять величину биологической активности после оптического воздействия. Биологическая активность функционализированных фосфонатов изучалась на примере ингибирования бутирилхолинэстеразы. Ферменты группы холинэстераз присутствуют в различных тканях организма, таких как мозг, кровь, печень, желудочно-кишечный тракт, нервно-мышечные синапсы, что определяет важность синтеза новых соединений с антихолинэстеразным действием в качестве лекарственных средств для лечения широкого спектра заболеваний. В результате исследований первого года была разработана методика синтеза и синтезирована серия O-функционализированных фосфонатов, изучено влияние алифатической цепи и возможность протекания реакции при введении насыщенных спиртов. С использованием разработанной методики были созданы 7 соединений функционализированных фосфонатов. Далее была исследована общая токсичность полученных соединений с использованием нескольких тест-объектов, поскольку разные живые организмы обладают различной устойчивостью к действию неблагоприятных факторов: ветвистоусые рачки Daphnia magna Straus, зеленые одноклеточные водоросли Scenedesmus quadricauda Brb. и парамеции Paramecium caudatum. По результатам проведенного комплексного биотестирования было показано, что соединение 7 является наиболее токсичным для дафний и водорослей. Остальные соединения демонстрируют меньшую токсичность для всех рассмотренных тест-систем. Используя принцип наибольшей экологической безопасности, были найдены безопасные концентрации исследованных фосфонатов для всех тест-объектов. Соединение 7 имеет наименьшую безопасную концентрацию (10-6 ммоль/л), а остальные образцы фосфонатов 3, 4, 5 и 6 показали безопасную концентрацию 10-5 ммоль/л. На следующем этапе синтезированные функционализированные фосфонаты (3-7) были изучены на наличие биологической активности на примере ингибирования бутирилхолинестеразы, для каждого была построена калибровочная зависимость и подсчитаны IC50 и константы ингибирования. Анализ полученных данных позволил определить значения IC50, лежащие в пределах микромолярной концентрации (16 мкМ – соединение 4 (самый сильный ингибитор), 52 мкМ для соединения 3, 60 мкМ для соединений 5 и 6, и наименьший показатель (в минимолярной области) для соединения 7 – 7000 мкМ. Теоретическое изучение функционализированных фосфонатов с помощью теории функционала плотности показало, что соединения 3-5, 7 помимо основного демонстрируют два метастабильных состояния. Качественно иная зависимость отмечалась для соединения 4 с разветвленным (нелинейным) радикалом: наличие разветвления приводит к образованию большого количества метастабильных состояний с близкими значениями энергий. Молекулярный докинг показал, что связывание соединений 3 и 4 с бутирилхолинэстеразой происходит по-разному: в первом случае за счет Ван-дер-ваальсовых взаимодействий, а во втором случае за счет образования водородных связей. Результаты проведенных исследований освещены в научно-публицистической ТВ передаче - Россия 24, канал наука "Выпуск #35 "Как включать лекарства с помощью света". Наука # 105" https://www.youtube.com/watch?v=qf545bHX2y4

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проект направлен на создание новых соединений, на основе которых возможна реализация концепции фотопереключения биологической активности. Такие соединения могут в будущем использоваться как «умные лекарства», биологическую активность которых можно настраивать за счет оптического излучения. Соединения, меняющие биоактивность в зависимости от конформации, изменяющейся под действием света, формируют основу фотофармакологии – стремительно развивающегося междисциплинарного направления, объединяющего усилия ученых в области биологии, медицины, органической химии, материаловедения, лазерной химии. Концепция оказалась плодотворной и уже продемонстрировала эффективность в фотопереключаемой антимикробной, противораковой терапии, в офтальмологии и т.д. В мировой практике есть примеры успешного синтеза целого ряда новых соединений, демонстрирующих фотоиндуцированные изменения структуры и, как результат, модуляцию их активности в отношении целевых задач; некоторые из этих веществ уже проходят доклинические исследования. Однако все продемонстрированные соединения состоят из двух компонентов – «фотопереключателя» и биологически активного вещества – «фармакофора». В рамках настоящего проекта разрабатывается новое семейство фотоактивных веществ, которые одновременно обладают и биологической активностью, и способностью менять величину биологической активности после оптического воздействия. Биологическая активность функционализированных фосфонатов изучалась на примере ингибирования бутирилхолинэстеразы. Ферменты группы холинэстераз присутствуют в различных тканях организма, таких как мозг, кровь, печень, желудочно-кишечный тракт, нервно-мышечные синапсы, что определяет важность синтеза новых соединений с антихолинэстеразным действием в качестве лекарственных средств для лечения широкого спектра заболеваний. В течение второго года проекта были синтезирована серия N-функционализированных фосфонатов (соединения 8-11). Полученные соединения были изучены с использованием ЯМР-спектроскопии, масс-спектрометрии и ИК-Фурье спектроскопии. Для оптимизации фотовоздействия на синтезированные (N,O)-функционализированные фосфонаты были проведены исследования по поиску наиболее подходящих экспериментальных параметров. Данные исследования были проведены с соединением 4 – как наиболее типичным представителем серии и обладающим наиболее выраженными свойствами биоактивности и фотопереключения. В результате оптимизации были определены: концентрация (N,O)-функционализированных фосфонатов –10-3 M; длина волны лазера – 266 нм; мощность лазерного излучения – 70 мВт; длительность лазерного воздействия –60 минут. Изучение влияния лазерного излучения на оптические свойства серии (N,O)-функционализированных фосфонатов с помощью спектроскопии поглощения показало, что для всех соединений лазерное облучение приводит к уменьшению оптической плотности. Помимо уменьшения оптической плотности также наблюдался сдвиг полосы поглощения в коротковолновую область. ЯМР и КРС спектроскопия показали, что лазерное воздействие приводит к появлению дополнительного изомера в синтезированных соединениях. Было обнаружено, что в O-функционализированных фосфонатах происходит лазерно-индуцированная цис-транс-изомеризация, а в N-функционализированных фосфонатах – транс-цис изомеризация. Измерение биологической активности синтезированных функционализированных фосфонатов до и после лазерного воздействия показало, что наибольшую разницу показало соединение 4 – от 10% до 90% при концентрации 10-5 М, наименьшую разницу – соединения 6 и 7, которые меняли биологическую активность в той же концентрации примерно в 2 раза – 18% → 34% (6) и 18% → 46% (7). Было обнаружено, что облучение лазером с длиной волны 325 нм в течении 60 минут показало меньшее изменение степени ингибирования бутирилхолинэстеразы относительно облучения на длине волны 266 нм. Синтезированные соединения демонстрируют достаточно стабильную биологическую активность в течение длительного времени (вплоть до 2 недель) после лазерного облучения. Синтез кристаллических частиц, активированных ионами редкоземельных металлов, был проведен с помощью двух модификаций метода Печини: синтез в солевом расплаве для сложного оксида LaVO4:Eu3+ и метод вспенивания для простого оксида Gd2O3:Tb3+. Физико-химические и функциональные свойства полученных концентрационных серий кристаллических порошков были изучены с помощью рентгенофазового анализа, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, статического рассеяния света и люминесцентной спектроскопии. В результате анализа экспериментальных результатов в качестве оптимального образца для создания гибридных структур выбран порошок LaVO4:Eu3+ 5 ат.%. Данный выбор был обусловлен однофазным составом, наилучшим распределением частиц по размерам и интенсивной люминесценцией. В проекте были реализованы два способа иммобилизации фосфонатов на поверхность люминесцентных оксидных наночастиц: физическая сорбция и ковалентное связывание. Для получения гибридного материала в качестве носителя были выбраны нанокристаллические люминесцентные частицы LaVO4:Eu3+ 5 ат.% (LEu) и, в качестве прививаемой на поверхность молекулы – ди(проп-2-ил)[(Z)-2-хлор-2-фенилэтенил]фосфонат (соединение 4). С помощью физической сорбции гибридный материал был получен путем смешивания раствора соединения 4 и коллоидного раствора наночастиц LEu на магнитной мешалке в течение 30 минут при комнатной температуре. Создание гибридного материала с помощью ковалентного связывания проводилось в две стадии: первая стадия – нанесение линкера на поверхность люминесцентных частиц; вторая стадия – иммобилизация фосфоната. В качестве прекурсора для линкера был выбран короткоцепочечный силан (3-Аминопропил)триэтоксисилан. Результаты предварительных экспериментов по изучению биологической активности и возможности фотопереключения полученных гибридов показали, что наиболее перспективным методом создания гибридного материала с точки зрения дальнейшего использования для фотофармакологии является физическая сорбция. По полученным на 2 году результатам в СМИ вышел ряд публикаций: https://rscf.ru/news/release/preparat-vse-vklyucheno-pomozhet-v-lechenii-neyrodegenerativnykh-zabolevaniy/ https://spbu.ru/news-events/novosti/preparat-vse-vklyucheno-sozdannyy-v-spbgu-pomozhet-v-lechenii https://naked-science.ru/article/column/prepvklyucheno-pomozhet-v https://nauka.tass.ru/nauka/19061815 https://scientificrussia.ru/articles/preparat-vse-vkluceno-pomozet-v-lecenii-nejrodegenerativnyh-zabolevanij https://polit.ru/articles/pro-science/ps_photo/ https://poisknews.ru/farmaczevtika/farmakologiya/preparat-vse-vklyucheno-pomozhet-v-lechenii-nejrodegenerativnyh-zabolevanij/ https://indicator.ru/medicine/preparat-vse-vklyucheno-pomozhet-v-lechenii-neirodegenerativnykh-zabolevanii-19-10-2023.htm https://inscience.news/ru/article/russian-science/14595 https://spbu.ru/news-events/novosti/preparat-vse-vklyucheno-sozdannyy-v-spbgu-pomozhet-v-lechenii http://knvsh.gov.spb.ru/news/view/6186/ http://neuronovosti.ru/preparat-vse-vklyucheno-pomozhet-v-lechenii-nejrodegenerativnyh-zabolevanij/ https://vecherka-spb.ru/2023/10/19/uchenie-iz-spbgu-sozdali-preparat-dlya-lecheniya-dementsii-kotorim-mozhno-upravlyat-s-pomoshchyu-sveta https://sankt-peterburg-gid.ru/news/zdorove/preparat-vse-vklyucheno-sozdannyy-v-spbgu-pomozhet-v-lechenii-neyrodegenerativnyh-zabolevaniy.htm https://sanktpeterburg-info.ru/v-mire/kvantovye-tochki-povysili-effektivnost-lekarstva-ot-nejrodegenerativnyh-boleznej.html https://historymed.ru/news/178842/