Гибридные наноматериалы для фотофармакологии на основе люминесцентных оксидных наночастиц и новых функционализированных фосфонатов с фотоконтролируемой биологической активностью

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 22-13-00082

НазваниеГибридные наноматериалы для фотофармакологии на основе люминесцентных оксидных наночастиц и новых функционализированных фосфонатов с фотоконтролируемой биологической активностью

Руководитель Маньшина Алина Анвяровна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-602 - Химия новых органических и гибридных функциональных материалов

Ключевые слова Фотофармакология, гибридные наноматериалы, фотопереключение биологической активности, функционализированные фосфонаты, люминесцентные наночастицы

Код ГРНТИ31.15.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на создание гибридного материала на основе люминесцентных наночастиц (НЧ) и впервые синтезированных авторами проекта новых функционализированных фосфонатов, иммобилизированных на поверхность наночастиц. Предлагаемые в проекте функционализированные фосфонаты уникальны, поскольку одновременно проявляют и биологическую активность – антихолинэстеразное действие, и демонстрируют изменение величины ингибирования ферментов группы холинэстеразы при резонансном оптическом воздействии. В качестве люминесцентных наночастиц будут использоваться наночастицы оксидов металлов, легированные редкоземельными ионами (РЗИ). Такие НЧ являются многофункциональными, так как, во-первых, могут служить основой для присоединения новых синтезированных фосфонатов, и, во-вторых, могут использоваться для люминесцентной визуализации области локализации, в том числе в биологических органах и тканях. Предлагаемый гибридный наноматериал представляет интерес для медицины будущего – фотофармакологии и реализации нового подхода к лечению заболеваний, связанных с нарушениями активности ферментов группы холинэстераз. В частности, предлагаемый гибридный наноматериал позволит обеспечить локализованное лекарственное воздействие на органы и ткани за счет пространственно-временного фотоконтроля действия биоактивного вещества (функционализированных фосфонатов) и визуализацию области его терапевтического воздействия за счет люминесценции наночастиц. Внедрение предлагаемых гибридных систем в медицинскую практику позволит в будущем решить проблему неконтролируемой во времени и пространстве активности лекарственных средств (в том числе вне организма), обеспечит минимизацию побочных эффектов и негативного воздействия на здоровые органы, а также исключит накопление биологически активных веществ в окружающей среде. В ходе проведения исследований по данному проекту будут получены принципиально новые результаты в изучении химии хлорацетиленфосфонатов, а также в исследованиях биологической активности (антихолинэстеразной активности, общей токсичности) фосфор-функционализированных систем. Будет изучено влияние оптического излучения различного спектрального состава на биологическую активность новых функционализированных фосфонатов, установлены оптимальные характеристики лазерного излучения (длина волны, интенсивность) и пороговые значения дозы лазерного воздействия для изменения биологической активности предлагаемого класса фосфонатов. Результатом проекта будет синтез гибридных наночастиц, представляющих собой комбинацию люминесцентных наночастиц на основе оксидов металлов, легированных РЗИ (LaVO4/Gd2O3:Tb3+/Eu3+) и иммобилизованных на их поверхность новых фосфонатных соединений, исследование биологической активности гибридных наночастиц и их токсикологических характеристик при различных условиях оптического воздействия, а также исследование визуализации области локализации гибридных материалов в биологических тест-системах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Егорова А.В., Егоров Д.М., Сонин Н.О., Колесников И.Е., Панькин Д.В., Маньшина А.А., Байчурин Р.И. Synthesis of a New Series of β-Chloro-β-phenylvinylphosphonic Acid Chloride Derivatives Russian Journal of General Chemistry, 92 (10) 2191–2196 (год публикации - 2022)
10.1134/S1070363222100322

2. Илья Колесников, Дарья Мамонова, Дмитрий Панькин, Гулия Бикбаева, Анастасия Хохлова, Анна Пилип, Анастасия Егорова, Владислав Зигель, Алина Маньшина Photoswitchable Phosphonate–Fullerene Hybrids with Cholinesterase Activity Photochemistry and photobiology, 2022 (год публикации - 2022)
10.1111/php.13720

3. Колескиков И.Е., Мамонова Д.В., Панькин Д.В., Пилип А.Г., Егорова А., Маньшина А.А. Meet new photo-pharmacological agents – functionalised phosphonates with cholinesterase activity Сборник трудов конференции «International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT)», Сборник трудов конференции «International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT)». 2022. №22. (год публикации - 2022)

4. Гулия Бикбаева, Анастасия Егорова, Николай Сонин, Анна Пилип, Илья Колесников, Дмитрий Панькин, Роман Борожняк, Алина Маньшина Vinyl Phosphonates as Photopharmacological Agents: Laser-Induced Cis-Trans Isomerization and Butyrylcholinesterase Activity ChemPhotoChem, e202300131 (год публикации - 2023)
10.1002/cptc.202300131

5. Гулия Бикбаева, Анна Пилип, Анастасия Егорова, Илья Колесников, Дмитрий Панькин, Алексей Вервалд, Татьяна Доленко, Герд Лейкс, Алина Маньшина All-in-One Photoactivated Inhibition of Butyrylcholinesterase Combined with Luminescence as an Activation and Localization Indicator: Carbon Quantum Dots@Phosphonate Hybrids Nanomaterials, 13, 2409 (год публикации - 2023)
10.3390/nano13172409

6. А. Егорова, Г. Бикбаева, А. Лобова, А. Пилип, И. Колесников, Д. Панкин, К. Лаптинский, А. Вервальд, Т. Доленко, А. Маньшина Гибридные наноматералы с фотоконтролируемой биологической активностью и люминесценцией на основе углеродных квантовых точек и фосфонатов Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова (год публикации - 2024)

7. Бикбаева Г. И., Пилип А. Г., Егорова А. В., Медведев В. А., Колесников И. Е., Панкин Д. В., Мамонова Д. В., Маньшина А. А. Photopharmacology: exploring the potential of luminescent nanoparticles and photoswitchable phosphonates in disease treatment VVM Publishing LLC (год публикации - 2024)

8. Колесников И.Е, Медведев В.А., Ольшин П.К., Васильева А.А., Маньшина А.А., Мамонова Д.В. Weakly agglomerated NANO/MICRO-particles of Gd2O3:Tb3+: Structure, luminescence and thermometry Optical Materials (год публикации - 2024)
10.1016/j.optmat.2024.115486

9. Бикбаева, Г. И., Пилип, А. Г., Егорова, А. В., Медведев, В. А., Мамонова, Д. В., Панькин, Д. В., Калиничев, А. А., Маячкина, Н., Бакина, Л. Г., Колесников, И. Е., Лейкс Г., Маньшина, А. А. Smart photopharmacological agents: LaVO4:Eu3+@Vinyl Phosphonate combining luminescence imaging and photoswitchable butyrylcholinesterase inhibition Nanoscale Advances, Nanoscale Adv., 2024, 6, 4417–4425 (год публикации - 2024)
10.1039/D4NA00389F

10. Г. И. Бикбаева, А. Г. Пилип, А. В. Егорова, И. Е. Колесников, К. А. Лаптинский, А. М. Вервальд, Т. А. Доленко, А. А. Маньшина ЛЮМИНЕСЦЕНТНО-БИОАКТИВНЫЕ ГИБРИДЫ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК И ФОСФОНАТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ДЛЯ ФОТОФАРМАКОЛОГИИ Индивидуальный предприниматель Шестакова Екатерина Вячеславовна, Екатеринбург (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В результате выполнения проекта разработаны и синтезированы новые соединения, 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. Основной целью исследований в отчетном году являлись синтез и изучение гибридных наноматриалов люминесцентный носитель@фотопереключаемая биоактивная молекула на основе оксидных наночастиц LaVO4:Eu3+ (LEu) и представителей (N,O)-функционализированных фосфонатов, разработанных и синтезированных в рамках 1 и 2 годов выполнения проекта. Используя имеющиеся сведения о биологической активности, полученные на предыдущих этапах, в качестве наиболее перспективных представителей данных соединений были выбраны VP4 ((ди(проп-2-ил)[(Z)-2-хлор-2-фенилэтенил] – O-функционализированный фосфонат) и VP10 (1,1'-{[(Z)-2-хлоро-2-фенилэтинил]фосфорил}диметилпиперазин – N-функционализированный фосфонат). В рамках работ на заключительном этапе были выполнены следующие задачи: (i) теоретическое и экспериментальное исследование физико-химических свойств и биологической активности гибридных наноматериалов, а также её изменения в результате лазерного воздействия с длиной волны 266нм; (ii) исследование общей токсичности гибридных наноматериалов в биологических тест-организмах; (iii) изучение возможности визуализации области локализации гибридных наноматериалов и получение топографических данных по областям локализации гибридных наноматериалов в биологических тест-объектах. В результате выполнения проекта с помощью физической сорбции были созданы гибридные наноматериалы люминесцентный носитель@фотопереключаемая молекула следующего состава: LEu@VP4 и LEu@VP10. Квантово-химические расчеты показали возможность конформационных превращений соединений для обоих выбранных фосфонатов VP4 и VP10. Было обнаружено, что у обоих соединений есть несколько стабильных цис- и транс-состояний, связанных, в основном, с вращением вокруг связей СBenzene-CVinyl и С-P. Взаимодействие фосфонатов с наночастицами LaVO4:Eu3+ при формировании гибридов было изучено в рамках кластерного подхода, моделирующего поверхность наночастицы, на которую осуществлялась сорбция фосфонатов. Проведенные теоретические расчеты однозначно показали для обоих вариантов фосфонатов: (i) формирование гибридов LEu@VP для исходного цис-состояния винил-фосфоната VP за счет появления слабой связи (контакта) P=O---La, (ii) невозможность формирования гибридов для транс-состояния винил-фосфоната VP, что свидетельствует о том, что (iii) под воздействием оптического облучения происходит фотоизомеризация VP из цис-состояния в составе гибрида LEu@VP, но не присоединение молекулы VP в транс состоянии к наночастице-носителю. Проведена всесторонняя характеризация оптических свойств гибридных наноматериалов LEu@VP4 и LEu@VP10 с использованием спектроскопии UV-VIS поглощения, люминесцентной спектроскопии и кинетики люминесценции. Установлено, что формирование гибридов ведет к сохранению люминесцентных свойств носителя LaVO4:Eu3+. При этом для гибридов, облученных лазером с длиной волны 266 нм обнаружено, что для LEu@VP4-LI наблюдается резкое падение интенсивности люминесценции и заметное уменьшение времени жизни, а во втором случае (LEu@VP10-LI) стационарные и кинетические люминесцентные свойства практически не меняются. Обнаруженное явление представляет большой практический интерес с точки зрения перспективности использования характеристик люминесценции для идентификации состояния системы (до/после лазерного облучения). Исследование ингибирующей способности в отношении бутирилхолинестеразы для изучаемых гибридов показало, что лазерное воздействие существенно увеличивает биологическую активность гибридных наноматериалов, причем пара N-функционализированный фосфонат/гибрид LEu@VP10-LI показывает большую разницу в биологической активности, чем пара O-функционализированный фосфонат/гибрид LEu@VP4-LI (на 50% и 10% соответственно), что позволит в будущем создавать гибридные структуры с настраиваемой величиной разницы биоактивности в состояниях до и после облучения. Изучение общей токсичности было проведено для наиболее биологически активного гибридного наноматериала LEu@VP4 с использованием ветвистоусых рачков Daphnia magna Str., зеленой одноклеточной водоросли Scenedesmus quadricauda Brb. и парамеций Paramecium caudatum в качестве биотест-системы. Установлено, что безвредной концентрацией синтезированного гибридного наноматериала является 7х10-6 М. Эксперименты по визуализации области локализации гибридных наноматериалов в биологических тест-организмах проводились с помощью люминесцентного микроскопа путем детектирования сигнала люминесценции редкоземельных ионов образца LEu@VP4. Получены топографические данные по областям локализации гибридных наноматериалов в биологических тест-объектах и показана возможность визуализации пространственной локализации гибридов во всех исследованных сложных биологических образцах, что свидетельствует о перспективности дальнейшего исследования гибридов LEu@VP в качестве фотофармакологических объектов, демонстрирующих одновременно фотопереключаемые, биоактивные и люминесцентные свойства.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Выполненный проект является масштабным междисциплинарным исследованием, закладывающим научно-технические основы фотофармакологии – интенсивно развивающейся области медицины. Проект предлагает практические пути реализации концепции персонализированной медицины и индивидуального подхода к лечению тяжелых заболеваний, связанных с нарушениями баланса бутирилхолинестеразы в организме человека, что как правило, вызывает ряд нейродегенеративных и кожных заболеваний. Индивидуальный подбор дозы, области и длительности терапевтического воздействия предлагается реализовывать за счет разработанных уникальных фотофармакологических агентов – гибридных наноматериалов, обладающих одновременно 3 функциями – люминесценцией (для визуализации локализации лекарственного средства), биологической активностью и способностью изменять величину биологической активности в результате оптического облучения. Непосредственное внедрение результатов проекта требует комплексной программы по реализации принципов персонализированной медицины в практику. В рамках такой программы должен быть исследован полный цикл, предваряющий внедрение новых методов лечения, включающий обязательные доклинические исследования, тестирование фармагентов in vitro — в пробирке, на культурах клеток, а также in vivo — на лабораторных тест-организмах, так и многостадийные клинические - с привлечением фармацевтов, специалистов-медиков, изучением фармакокинетики новых гибридных наноматериалов и путей их метаболизации. Результатом таких масштабных междисциплинарных исследований станет разработка и создание регламента фотофармакологических методов лечения. Внедрение фотофармакологических подходов в практику, по всей вероятности, может происходить по аналогии с внедрением фотодинамической терапии рака, которая уже прошла достаточно длительный путь от идеи к практическому использованию. В настоящее время фотодинамическая терапия является мощным и эффективным подходом, незаменимым для лечения опухолей практически всех основных локализаций как самостоятельный метод, так и в сочетании с традиционными видами лечения (хирургическое, лучевая и химиотерапия). Отметим, кроме того, что результатом выполнения проекта стала разработка фотопереключаемых ингибиторов бутирилхолинестеразы – представителей семейства фосфонатов. В настоящее время фосфорорганические соединения занимают одно из важнейших мест в арсенале синтетических биологически-активных веществ. Созданные в рамках проекта новые представители этого семейства, как и разработанные методики их синтеза представляют собой самостоятельную ценность. Разработанная методика синтеза симметричных (N,O)-функционализированных фосфонатов может быть запатентован в качестве перспективного подхода для создания отечественных средств для фотофармакологии. Их практическое внедрение возможно в более краткосрочной перспективе, так, например, научно-производственная фирма КЕМ выразила заинтересованность в полученных соединениях в связи с развитием синтетических методов по созданию отечественных фармацевтических субстанций.