Супрамолекулярные гели на основе систем «пилларарен/протеаза» - новый тип управляемых матриц для таргетной терапии злокачественных новообразований кожи

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 22-73-10166

НазваниеСупрамолекулярные гели на основе систем «пилларарен/протеаза» - новый тип управляемых матриц для таргетной терапии злокачественных новообразований кожи

Руководитель Шурпик Дмитрий Николаевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" , Республика Татарстан (Татарстан)

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-405 - Наноструктуры и кластеры. Супрамолекулярная химия. Коллоидные системы.

Ключевые слова Пиллар[5]арен, пиллар[6]арен, супрамолекулярные органогели, супрамолекулярная химия, самосборка, комплексы включения, гели, наноконтейнеры, макроциклические соединения, полифункциональные соединения, меланома, злокачественные новообразования кожи.

Код ГРНТИ31.21.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Рак кожи на сегодняшний день является одним из самых распространенных видов злокачественных новообразований человека. Ежегодно выявляется более миллиона случаев злокачественных кожных новообразований. Кожа человека имеет большую площадь поверхности, подверженную воздействию разнообразных вредных факторов окружающей среды, таких как химические вещества, электромагнитное, радиационное и УФ-излучение, что может вызывать нарушения пролиферации клеток и, в конечном итоге, их малигнизацию. Тип злокачественных новообразований кожи определяется на основе клеточного происхождения: меланомный рак кожи или немеланомный рак кожи. Меланома, возникшая в результате злокачественной трансформации меланоцитов, является одним из наиболее агрессивных видов онкологических заболеваний, известных своей высокой множественной лекарственной устойчивостью, легким рецидивированием и низкой выживаемостью. Химиотерапия считается стандартным подходом к уничтожению раковых клеток кожи. Тем не менее, она имеет несколько нежелательных последствий при лечении рака кожи, включая снижение системных эффектов и биодоступность. Кроме того, химиотерапевтические препараты не специфичны в отношении нормальных и раковых клеток. Поэтому поиск новых средств борьбы со злокачественными новообразованиями кожи, а также снижение их побочных эффектов на организм, является одной из важнейших задач современной медицины и биологии. Обойти эти недостатки можно, используя системы направленной доставки терапевтических агентов. Наибольший интерес представляют системы на основе геля и представляют собой трехмерную набухающую полимерную сеть с гидрофильными группами, сшитыми посредством сильных межмолекулярных взаимодействий. Таким образом, в структуру геля могут быть встроены как гидрофильные, так и липофильные лекарственные средства. Гель обладает отличной предорганизованной структурой, биосовместимостью, биоразлагаемостью, структурной гибкостью, стабильностью лекарственного средства и контролируемым высвобождением лекарственного препарата. Более того он имеет тенденцию удерживать большое количество водной жидкости, не растворяясь в ней, и широко исследуется в области доставки лекарств и биомедицинской инженерии. Полимерная сеть гелевой системы играет важную роль в определении физико-химических свойств, гидрофильности и контроле размера частиц. Использование в качестве компонента геля макроциклических соединений обеспечит нахождение в структуре геля небольших пор, образованных макроциклическими полостями, что позволит вмещать различные противоопухолевые препараты. Последние несколько лет особое внимание уделяется супрамолекулярным органогелям на основе макроциклов, построенным по принципу «гость-хозяин». Так для реализации проекта планируется создание коммерчески доступных, нетоксичных супрамолекулярных органогелей на основе систем макроцикл-фермент. В качестве макроциклических компонетов будут использованы представители нового класса парациклофанов - пиллар[5]арены и пиллар[6]арены. Использование пиллараренов в составе органогелей позволяет решить три ключевые задачи: (1) селективное связывание лекарственного препарата (дакарбазин, темозоломид, ломустин, 5-фторурацила, флоксуридин) благодаря наличию объёмной макроциклической полости; (2) эффективное взаимодействие комплекса пилларарен/противоопухолевый препарат с ферментом за счёт полифункционального обрамления макроциклического остова полярными и неполярными заместителями; (3) структура комплексов пилларарен/противоопухолевый препарат может обладать бактериостатическими свойствами, что будет способствовать стабилизации ферментов и сохранению структуры органогеля. Ферменты – протеазы хорошо зарекомендовали себя в качестве активных ингредиентов в составе лекарственных средств и косметических продуктах. Некоторые протеазы, включая папаин, трипсин и химотрипсин могут гидролизовать пептидные связи коллагена и кератина в роговом слое кожи и улучшения всасывания антибиотиков. Однако большинство ферментов теряют биологическую активность при комнатной температуре в течение месяца и более. Таким образом, для применения ферментов в составе лекарственных форм необходимо разработать надежный метод стабилизации. Таким образом, фундаментальной научной проблемой решаемой в проекте является установление структурных закономерностей образования комплесов пилларарен/противоопухолевый препарат, обладающих потенциальными бактериостатическими свойствами и способными образовывать устойчивый во времени супрамолекулярный органогель в присутствии ферментов – протеаз. Стабилизация связанного фермента будет достигаться подавлением бактериальной активности комплексами макроцикл/противоопухолевый агент. Для решения обозначенной проблемы нами будут предложены и поэтапно решены следующие задачи: 1. Варьирование полярных и неполярных заместителей в структуре макроциклической платформы для установления оптимальных характеристик связывания пиллар[5, 6]аренов с противоопухолевыми препаратами; 2. Дизайн новых нетоксичных супрамолекулярных органогелей путём оценки граничных условий гелеобразования наноструктурированных надмолекулярных систем в результате самоассоциации синтезированных макроциклов; 3. Дизайн новых нетоксичных супрамолекулярных органогелей путём ассоциации и агрегации синтезированных макроциклов с биополимерами (протеазы – химотрипсин, папаин и белок лизоцим); 4. Формирование тройных систем макроцикл/противоопухолевый агент/фермент, выступающих в качестве нагруженной лекарством гелевой матрицы для стимулирования проникновения и направленной доставки лекарств, в терапии злокачественных новообразования кожи. На основе полученных сложных супрамолекулярных 3D архитектур, способных включать различные по химической структуре классы противоопухолевых препаратов будет осуществлён подбор условий для управления и контролируемого высвобождения лекарственного препарата. С использованием колориметрических методов и проточной цитометрии будет охарактеризована цитотоксичноские и апоптозиндуцирующие свойства синтезированных матриц и препаратов на их основе в отношении спектра нормальных и малигнизированных линий клеток кожи и определена их биосовместимость. В модельных системах будет осуществлена оценка высвобождения терапевтически активного препарата из геля в жидкую фазу из полученных наноструктурированных супрамолекулярных органогелей, нагруженных противоопухолевыми агентами в физиологических условиях. Установление выхода противоопухолевых препаратов будет производиться спектрофотометрически. Полученные результаты помогут создать новые, коммерчески доступные, наноструктурированные, супрамолекулярные органогели, выступающие в качестве матриц-носителей для стимулирования проникновения и направленной доставки лекарств, в терапии злокачественных новообразований кожи.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Александрова Ю. И., Шурпик Д. Н., . Назмутдинова В. А, Мостовая О. А., Субакаева Е. В., Соколова Е. А., ЗеленихинП. В., Стойков И. И. Toward Pathogenic Biofilm Suppressors: Synthesis of Amino Derivatives of Pillar[5]arene and Supramolecular Assembly with DNA MDPI, Pharmaceutics, №. 2. -Т. 15. – С. 476. (год публикации - 2023)
10.3390/pharmaceutics15020476

2. Александрова Ю. И., Шурпик Д. Н., Мостовая О. А., Назмутдинова В. А., Вахитов И. Р., Герасимов А. В., Исламов Д. Р., Кузин Ю. И., Евтюгин Г. А., Стойков И. И. Metallo-Supramolecular Structures Binding CO2: Self-Assembly of Fluorescent Nanoparticles Based on Pyridine Derivatives of Pillar[5]arene and Cu(I) Willey online library, ChemNanoMat (год публикации - 2023)
10.1002/cnma.202300124

3. Александрова Ю. И., Шурпик Д. Н., Назмутдинова В. А., Зеленихин П. В., Субакаева Е. В., Соколова Е. А., Леонтьева Ю. О., Миронова А. В., Каюмов А. Р., Петровский В. С., Потемкин И. И., Стойков И. И. Antibacterial Activity of Various Morphologies of Films Based on Guanidine Derivatives of Pillar[5]arene: Influence of the Nature of One Substitute on Self-assembly ACS Appl. Mater. Interfaces, ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16, 14, 17163–17181 (год публикации - 2024)
10.1021/acsami.3c18610

4. Махмутова Л. И. , Шурпик Д. Н., Мостовая О. А., Лачугина Н. Р., Герасимов А. В., Гусейнова А., Евтюгин Г. А., Стойков И. И. Supramolecular electrochemical probe based on the system of tetrazole derivative pillar[5]arene/methylene blue Organic & Biomolecular Chemistry (год публикации - 2024)
10.1039/D4OB00591K

5. Супрамолекулярная самосборка монозамещенных пиллар[5]аренов под контролем природы амидного фрагмента Supramolecular Self-Assembly of Monosubstituted Pillar[5]Arenes Under the Control of the Nature of the Amide Moiety CHEMISTRYSELECT, ChemistrySelect. – 2025. – Т. 10. – №. 4. – С. e202405414. (год публикации - 2025)
10.1002/slct.202405414

6. Гибридные мультициклофаны, содержащие остатки пара- и мета-циклофанов: синтез и супрамолекулярная самосборка Hybrid multicyclophanes containing para- and meta-cyclophane residues: synthesis and supramolecular self-assembly RUSSIAN JOURNAL OF GENERAL CHEMISTRY (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Поставленные в Проекте цели на 2024-2025 год полностью достигнуты. В ходе выполнения Проекта получены результаты по всем основным его направлениям. Таким образом, впервые синтезированы новые замещённые пиллар[n]арены (n=5,6), содержащие тетразольные, фтортиофенольные, тио-1,2,4-триазольные фрагменты. Нами разработан оригинальный синтетический подход, позволяющий проводить региселективную функционализацию пиллар[5]арена. Показана способность синтезированного макроцикла, содержащего десять тиоглюкозных фрагментов, взаимодействовать с антибиотиком – ципрофлоксацина гидрохлоридом. Методом турбидиметрии, лазерного доплеровского микроэлектрофореза показано взаимодействие макроцикла, содержащего десять тиоглюкозных фрагментов, с липидным бислоем модельных везикул дипальмитоилфосфатидилхолина. Это отрывает понимание механизма закрепления супрамолекулярных ассоциатов на поверхности опухолевой клетки. Обнаружена способность 5-фторурацила связываться с активным центром фермента субтилизина. При добавлении 5-фторурацила к раствору субтилизина наблюдалось резкое снижение интенсивности сигнала Коттона в области 220 нм. Методом динамического светорассеяния показана способность макроцикла, содержащего десять фрагментов тиопурина, в физиологическом растворе с фосфатным буфером образовывать монодисперсные ассоциаты макроцикл/5-фторурацилом и 5-фторурацил/субтилизин, а также тройные ассоциаты макроцикл/5-фторурацил/субтилизин. Морфология образующийся системы макроцикл/5-фторурацил/субтилизин была подтверждена просвечивающей и сканирующей электронной микроскопией. По данным просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии система макроцикл/5-фторурацил/субтилизин имеет морфологию гелеподобной плёнки с включенными в её структуру наноразмерными частицами. Анализ цитотоксических свойств ассоциатов макроцикл/5-фторурацил/субтилизин показал, что тройная система обладает самым выраженным цитотоксическим действием в отношении эпидермоидной карциномы, возникающей в кератиноцитах — клетках поверхностного слоя кожи, а ферментативная активность тройной системы практически вдвое выше, чем у индивидуального субтилизина.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Возможность практического применения результатов проекта в экономике и социальной сфере основана на успешном выполнении начальных\базовых исследований, обеспечивших научный и технологический заделы в области синтеза новых коммерчески доступных, нетоксичных макроциклических систем на основе пиллар[5]аренов и использования их в составе матриц-носителей для стимулирования проникновения и направленной доставки лекарств, в терапии злокачественных новообразований кожи. Универсальность разработанных подходов заключается в использовании макроциклической платформы - пиллар[n]аренов, которые одновременно способны к формированию супрамолекулярных ассоциатов с терапевтическими белками и комплексов включения с лекарственными препаратами, что позволяет проводить «тонкую настройку» биологических свойств, там самым улучшая эффективность и адресность противоопухолевой терапии. Возможность молекулярного распознавания различных по структуре лекарственных препаратов синтезированными макроциклическими рецепторами позволит разработать новые подходы к адресной доставке и пролонгации действия лекарственных препаратов. Представленные в Проекте подходы к получению наноструктурированных, супрамолекулярных терапевтических систем легко масштабируются. Достигнутые результаты позволяют использовать наработанные методики для создания отечественных, коммерчески доступных, супрамолекулярных органогелей, выступающих в качестве матриц-носителей для стимулирования проникновения и направленной доставки лекарств, в терапии злокачественных новообразований кожи в рамках стратегии здоровьесбережения РФ.