Химическая сборка новых типов координационных соединений с ионами Zn, Cu, Ag, Au для создания активных компонентов лекарств с высокой противоопухолевой активностью: от in vitro до in vivo

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 22-13-00175

НазваниеХимическая сборка новых типов координационных соединений с ионами Zn, Cu, Ag, Au для создания активных компонентов лекарств с высокой противоопухолевой активностью: от in vitro до in vivo

Руководитель Еременко Игорь Леонидович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук , г Москва

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; 03-203 - Химия координационных соединений

Ключевые слова Координационные соединения, комплексообразование, рентгено-структурный анализ, молекулярная и кристаллическая структура, УФ-спектроскопия, константа устойчивости комплекса, избирательная цитотоксичность, противоопухолевая активность, биологические мишени, онкомишени, лекарственная резистентность, активация молекулы органического препарата.

Код ГРНТИ31.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Представляемый проект направлен на разработку новых эффективных методологий биологически активных комплексов d-металлов, содержащих ионы Zn, Cu, Ag, Au с полидентатными S-, O-, N-лигандами и проявляющих противоопухолевые и/или антибактериальные свойства. Для определения избирательности действия, полученной в результате синтетических разработок библиотеки биоактивных молекул, предполагается широкое тестирование потенциальных противоопухолевых агентов in vitro на клеточных линиях сигнальных опухолей человека (рака молочной железы T47D/E2/ERα+; SKBR3/HER2/c-erb-2; немелкоклеточного рака легкого L858R/wild-type EGFR; A549/DSCR1, VEGF, PCNA, Bax, и Bcl2; рака яичников SKOV3/ER+/mRNA; рака толстой/ободочной кишки HCT116/TGF beta 1,2/mutation KRAS/13; HT-29-DsRed/RFP; SW620/CD133+;–) с последующим тестированием активных образцов in vivo на перевиваемых опухолях мышей и человека под контролем «острой» токсичности. Для прогноза перспективности продвижения в клинику отобранных агентов будет выполнено in vitro сравнение по уровню активности c известными препаратами платины. Известно, что в медицинской практике достаточно активно используются металлсодержащие препараты, причем в первую очередь платину содержащие лекарства, которые демонстрируют хорошие противораковые свойства. Однако в последние два десятилетия химики, биологи, медработники и другие исследователи стали направлять свои усилия на развитие синтетических путей и различного рода биологических исследований «неплатиновых» противоопухолевых агентов на основе био-эссенциальных (жизненно важных) металлов Сu, Zn, Fe, Co и др. [10.1039/C3CC41143E, 0.1002/ardp.200600151, 10.2147/DDDT.S119488, 10.1016/j.jinorgbio.2020.111213]. Можно полагать, что такой поворот в поисковых работах исследователей связан с несколькими причинам, во-первых, с поиском более дешевых препаратов, а во-вторых, с уменьшением токсических свойств лекарств. Конечно, здесь следует учитывать также технологические проблемы производства платину содержащих веществ, способы выбора и свойства органических лигандов для получения таких соединений (например, в некоторых противораковых соединениях присутствуют различного рода оптически активные органические компоненты, синтез и очистка которых весьма трудоемки) и ряд других ограничений. С другой стороны, нельзя сбрасывать со счетов и соединения с антипролиферативными (направлены на подавление избыточного размножения клеток) свойствами, например, комплексы Ru, Ga, Au [10.3390/ijms17111818, 10.2147/DDDT.S119488, 10.1021/cr0781059, 10.1016/j.ccr.2009.02.019]. Ранее, проведенные нами исследования [10.1002/slct.202003101; 10.31857/S0132344X20060055; 10.31857/S0132344X20110109; 10.31857/S0132344X2012004X; 10.1016/j.poly.2021.115241] комплексов с эссенциальными металлами и анионами пирослизевой кислоты в совокупности с N-донорными лигандами показали в ряде случаев высокую биологическую активность против штаммов M. smegmatis и M. tuberculosis. Кроме этого, нами было обнаружено, что биологически активный комплекс [Cu(fur)2phen] [10.31857/S0132344X20060055] в отношении непатогенного и патогенного микобактериальных штаммов (МИК = 2 нмоль/диск для M. smegmatis; 2.5 мкМ/мл - М. tuberculosis H37Rv) также показывает высокую биологическую активность против раковой линии аденокарциномы яичника (SCOV3) (4 мкмоль, в отличие от цисплатина – 10 мкмоль). Такой же высокий противоопухолевый эффект показывают и другие комплексы с одновременно низкими значениями IC50 (например, комплексы Сo, Fe, Mn). Таким образом, цель проекта заключается в разработке новых способов химической сборки координационных соединений Zn, Cu, Ag, Au с органическими лигандами и подбор такой комбинации металл–лиганд, при которой противоопухолевая активность будет выраженной, а цитотоксичность наименьшей. С этой точки зрения будут синтезированы соединения d-металлов в качестве комплексообразователей и в совокупности с различными органическими лигандами будут установлены (на основе строения, физических и физико-химических характеристик) факторы, обусловливающие проявление биологической активности комплексом. При этом стратегия исследования будет определяться тем, что создание мишень-ориентированных координационных соединений d-металлов невозможно без понимания факторов, формирующих характер их взаимодействия с клеткой патогена. К числу таковых относятся физические, химические и биологические свойства как самих металлов-комплексообразователей (природа, электронные характеристики), органического окружения, так и готового комплекса в целом. Соответственно, при конструировании соединений с последующим их тестированием in vitro на различных раковых линиях будут учитываться следующие свойства комплекса: его архитектура, устойчивость/лабильность в растворах (глюкозы, физиологическом растворе, фосфатно-буферной смеси и др), термостабильность, растворимость в различных средах, валентные и координационные возможности комплексообразователя, варьирование степеней окисления, спиновое число, кислотно-основные свойства, жесткость и мягкость пары лиганд-комплексообразователь и др. Корреляционный анализ биологической активности позволит не только выявить наиболее активные комплексы, сделать выводы о влиянии типов лигандов, их координации на эффективность проявления противоопухолевых свойств, но и выйти на возможные биологические мишени (мембраны, белки, ДНК), которые активируются/инактивируются под давлением комплексов. Проведение исследований в данном направлении, на наш взгляд, внесет вклад в решение фундаментальной проблемы современной медицинской химии – создание стратегии конструирования препаратов противоопухолевой направленности с новыми механизмами действия на основе координационных соединений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Луценко И.А., Лосева О.В., Иванов А.В., Мальянц И.А., Шендер В.О., Кискин М.А., Еременко И.Л. Антиканцерогенные свойства комплексов Au(III) Координационная химия, 12, 48, 739-744 (год публикации - 2022)

2. Кошенскова К.А., Баравиков Д.Е., Нелюбина Ю.В., Примаков П.В., Шендер В.О., Мальянц И.К., Беккер О.Б., Алиев Т.М., Бородин Е.А., Котельников Д.Д., Леусова Н.Ю., Мантров С.Н., Кискин М.А., Еременко И.Л., Луценко И.А. Фуранкарбоксилатные комплексы меди(II) с 5-нитро-1,10-фенантролином – перспективные биологические объекты Координационная химия, 10, 49, 632-643 (год публикации - 2023)
10.1134/S1070328423600730

3. Уварова М.А., Баравиков Д.Е., Долгушин Ф.М., Алиев Т.М., Титов К.О., Беккер О.Б., Лашкин А.И., Мальянц И.К., Шендер В.О., Кискин М.А., Еременко И.Л., Луценко И.А. Antiproliferative and antimycobacterial effects of mononuclear palladium(II) complexes with N-heterocyclic ligands Inorganica Chimica Acta, 556,121649-121657 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ica.2023.121649

4. Никифорова М.Е., Луценко И.А., Долгушин Ф.М., Хорошилов А.В., Кискин М.А., Еременко И.Л. СОТОПОДОБНЫЙ 3D-КООРДИНАЦИОННЫЙ ПОЛИМЕР БАРИЯ С АНИОНАМИ 2-ФУРАНКАРБОНОВОЙ КИСЛОТЫ ‒ ЭФФЕКТ ТЕРМИЧЕСКОЙ СТАБИЛЬНОСТИ Журнал структурной химии, 5, 64, 110199 (год публикации - 2023)
10.26902/JSC_id110199

5. Никифорова М.Е., Ямбулатов Д.С., Нелюбина Ю.В., Примаков П.В., Беккер О.Б., Майоров К.Б., Шмелев М.А., Хорошилов А.В., Еременко И.Л., Луценко И.А. Current Design Mixed-Ligand Complexes Of Magnesium(II): Synthesis, Crystal Structure, Thermal Properties and Biological Activity Against Mycolicibacterium Smegmatis and Bacillus Kochii Crystals, 13, 1306 (год публикации - 2023)
10.3390/cryst13091306

6. Ямбулатов Д.С., Луценко И.А., Николаевский С.А., Петров П.А., Смольянинов И.В., Мальянц И.К., Шендер В.О., Кискин М.А., Сидоров А.А., Берберова Н.Т., Еременко И.Л. α-Diimine cisplatin derivatives: Synthesis, Structure, Cyclic 2 Voltammetry and Cytotoxicity Molecules, 27, 8565 (год публикации - 2022)
10.3390/molecules27238565

7. Кошенскова К.А., Баравиков Д.Е., Каюкова Л.А., Ергалиева Е.М., Нелюбина Ю.В., Никифорова М.Е., Долгушин Ф.М., Федин М.В., Беккер О.Б., Шендер В.О., Мальянтц И.К., Алиев Т.М., Титов К.О., Еременко И.Л., Луценко И.А. Evaluation of the anionic effect on the formation of biologically active {CuII-phenx; x = 1, 2, 3} fragments - Synthetic and structural variations, antimycobacterial and antiblastoma effects Elsevier, 251, 116852-116862 (год публикации - 2024)
10.1016/j.poly.2024.116852

8. Ди[(фуран-3-карбоксилато-О)-(2,9-диметил-1,10-фенантролин-N,N')-медь(II)], обладающий антипролиферативной и антимикобактериальной активностью Ди[(фуран-3-карбоксилато-О)-(2,9-диметил-1,10-фенантролин-N,N')-медь(II)], обладающий антипролиферативной и антимикобактериальной активностью ФИПС, RU 2815425 C1 (год публикации - 2024)
65132008

9. Уварова М.А., Луценко И.А., Шмелев М.А., Беккер О.Б., Лашкин А.И., Шендер В.О., Нефедов С.Е., Еременко И.Л. Research of the influence of anions in complexes [CuPhen(Hpz)2X2] (X = CF3COO, Otf, Cl) on the structure and bioactivity Royal Society of Chemistry (RSC), 48, 2, 717-723. (год публикации - 2024)
10.1039/d3nj04903e

10. Корнеева Е.В., Луценко И.А., Зинченко С.В., Беккер О.Б., Нелюбина Ю.В., Иванов А.В. Double pseudo-polymeric complexes of [Au(S2CNBu2)2][AgCl2] and [Au(S2CNHm)2]3[AgCl2][Ag0.59Au0.41Cl2]2: Preparation, supramolecular self-assembly, thermal behaviour and anti-mycobacterial activity Elsevier, 572, 122318-122329 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ica.2024.122318

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 3-й год выполнения проекта были установлены ряд структурных закономерностей, напрямую обусловливающие противораковую эффективность молекул, в частности природа аниона, природа комплексообразователя, введение гетероатома, рН реакционной среды. Изучено влияние анионов на биологическую активность комплексов меди(II), содержащих координированные фенантролин и пиразол, а также анионы разных по силе кислот- трифторуксусной, трифторметансульфоновой и хлороводородной. Получены комплексы меди(II) [CuPhen(Hpz)2Х2] (Х = CF3COO-(1), Otf- (2), Cl- (3)), структура которых установлена по данным РСА. Стабилизация молекул в кристалле достигается за счет внутри- и межмолекулярных водородных связей, П-стэкинг и ионных взаимодействий. Устойчивость комплексов в растворах ДМСО и физиологическом (0,9 % NaCl) проводили методом УФ-спектроскопии. Электронные спектры поглощения (20 мкМ) получали в физиологическом и ДМСО растворах в течение 48 ч при комнатной температуре. Образцы хранили еще 2 суток для проверки их долговременной стабильности в заданных условиях. Полоса абсорбции на длине волны 270 нм обусловлена эффективными внутрилигандными переходами π-π* и n-π* внутри ароматических лигандов. Дополнительный сдвиг при 300 нм соответствует внутрилигандным переходам в пределах скоординированного фенантролина. Полосы поглощения низкой интенсивности, лежащие в районе 325–350 нм, могут быть отнесены к переносу заряда металла в лиганд. Физиологический раствор и раствор ДМСО в заданных концентрациях стабильны при комнатной температуре в течение 48 ч. Результаты цитотоксической активности in vitro для [CuPhen(Hpz)2Х2] (Х = CF3COO-, Otf- , Cl-) показали хорошие значения в отношении опухолевой линии SKOV3, превосходящие данные цисплатина. Однако близкие значения IC50 могут свидетельствовать об опосредованном влиянии анионов, а детерминирующую роль играет частица {CuPhen}2+. Замена комплексообразователя в системе [Cu(phen)3]∙2Оtf∙EtOH на [Zn(phen)3]∙2Оtf∙EtOH позволило получить более безопасные эффективные концентрации, что выражается в повышении индекса селективности с 1.5 (для комплекса меди(II) до 5.5 для [Zn(phen)3]∙2Оtf∙EtOH). Введение гетероатома Mg(II) в систему {Zn(phen)2}2+ и получение трехъядерного комплекса [Zn2Mg(2fur)6(phen)2] способствует усилению антипролиферативной активности со значениями, превышающие активность цисплатина в среднем в 2-3 раза. Впервые установлено определяющее влияние pH среды на формирование комплексов Au(III) – так использование сильно кислых растворов при комплексообразовании приводит к образованию ионных соединений, например, (H2neoc)[AuCl4]•Cl, в которых дважды протонированная молекула неокупроина координируется водородными связями к тетрахлороаурат-иону. Использование в реакции растворов близких к нейтральным сопровождается образованием молекулярного комплекса [Au(neoc)Cl3], показывающий микромолярные концентрации воздействия на атипичные раковые клетки с одновременно высоким индексом селективности (SI 14-170 для разных клеточных линий). Данный результат несомненно позволяет рассматривать перспективную комбинацию для создания комплексов Au(III), обладающих антиканцерогенной активностью. Установлено, что молекулярные комплексы золота(III) быстро реагируют с GSH в условиях, близких к физиологическим, образуя тиолатные комплексы золота(I), в частности, [Au(GSH)2]3–. Этому способствует наличие ионов Cl– или OH–, способных к быстрому замещению на нуклеофил типа GS–; высокий редокс потенциал комплексов золота(III) и очень высокая устойчивость тиолатных комплексов золота(I). Найдено эффективное сочетание для комплексов Co(II) с фуроат-анионами и олигопиридинами – трехъядерные [Co3(2fur)6(bathphen)2] , [Co3(3fur)6(phen)2] и моноядерный [Co(3fur)2neoc] комплексы. Показано, что моноядерный комплекс Co(II) обладает индексом селективности к раковым линиям HCT116 (колоректальный рак), A549 (рак легкого), SKBR3 (рак молочной железы) более 100 (значение превышает в 20-30 раз цисплатин) с одновременно низкой токсичностью для здоровых фибробластов. Для определения возможных мишеней ряда комплексов, полученных в 1 год выполнения проекта было проведено связывание с нуклеиновыми кислотами (НК) - ДНК и РНК. Комплекс [(dpp-DAD(Me)2)PtCl2], показавший высокую противоопухолевую активность в 1 год выполнения гранта в отношении агрессивных клеток рака молочной железы по сравнению с препаратом цисплатином, помимо ковалентного связывания с ДНК (подобно цисплатину) показало еще один механизм действия на раковые клетки - наличие редокс-активного и объемного лиганда dpp-bian в составе комплекса позволяет генерировать активные формы кислорода. Для комплекса [Cu(3fur)2neoc] (ksen-1), структура, физико-химические свойства и цитостатическая активность которого была определена в 1 и 2 год выполнения проекта (в 2024 году на данный комплекс получен патент) установлен РНК-овый механизм связывания с атипичными клетками. По материалам настоящего отчета вышло 3 статьи (Polyhedron, New Journal of Chemistry, Inorganica Chimica Acta ) и получен 1 патент на противораковое вещество, Основные результаты были представлены в виде приглашенных, устных и стендовых докладов на конференциях: второй саммит разработчиков лекарственных препаратов «СИРИУС.БИОТЕХ» (14-18 мая 2024, Сириус); VIII Всероссийская конференция с международным участием «VIII Российский день редких земель» (13-16 февраля 2024 г., Нижний Новгород); VIII Международная конференция «Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов MOSM 2024» (09-13 июня 2024, Екатеринбург), Третий международный симпозиум «Химия для биологии, медицины, экологии и сельского хозяйства» ISCHEM 2024 (04-07 июня 2024, Санкт-Петербург), 6-ая Российская конференция по медицинской химии (01-04.07.2024, Нижний Новгород), ХХII Менделеевский Съезд во общей и прикладной химии (07-12 октября 2024, Сириус).

Публикации